摘 要：分析DSP系統(tǒng)產生干擾的主要原因，給出抗干擾的對策；以TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A為處理器構成控制系統(tǒng)，通過對整個系統(tǒng)PCB的層疊設計、布局和布線設計，詳細介紹如何在PCB設計中增強DSP系統(tǒng)的抗干擾能力。
關鍵詞：DSP PCB 抗干擾
引 言
隨著DSP(數字信號處理器)的廣泛應用，基于DSP的高速信號處理PCB板的設計顯得尤為重要。在一個DSP系統(tǒng)中，DSP微處理器的工作頻率可高達數百MHz，其復位線、中斷線和控制線、集成電路開關、高精度A／D轉換電路，以及含有微弱模擬信號的電路都非常容易受到干擾；所以設計開發(fā)一個穩(wěn)定的、可靠的DSP系統(tǒng)，抗干擾設計非常重要。
干擾即干擾能量使接收器處在不希望的狀態(tài)。干擾的產生分兩種：直接的(通過導體、公共阻抗耦合等)和間接的(通過串擾或輻射耦合)。很多電器發(fā)射源，如光照、電機和日光燈都可以引起干擾，而電磁干擾EMI能產生影響有3個必需的途徑，即干擾源、傳播途徑和干擾受體，只需要切斷其中的一個就可以解決電磁干擾問題。
1 DSP系統(tǒng)的干擾產生分析
為了做出一個穩(wěn)定可靠的DSP系統(tǒng)，必須從各個方面來消除干擾，即使不能完全消除，也要盡量減少到最小。對于DSP系統(tǒng)而言，主要干擾來自于以下幾個方面：
①輸入輸出通道干擾。指干擾通過前向通道和后向通道進入系統(tǒng)，如DSP系統(tǒng)的數據采集環(huán)節(jié)，干擾通過傳感器迭加到信號上，使數據采集的誤差增大。在輸出環(huán)節(jié)，干擾可以將輸出的數據誤差增大，甚至完全錯誤，造成系統(tǒng)崩潰?？梢院侠砝霉怦钇骷p小輸入輸出通道干擾，對于傳感器和DSP主系統(tǒng)的干擾可利用電氣隔離來陽檔千擾講入。
②電源系統(tǒng)的干擾。整個DSP系統(tǒng)的主要干擾源。電源在向系統(tǒng)提供電能的同時也將其噪聲加到供電的電源上，必須在電源芯片電路設計時對電源線進行退耦。
③空間輻射耦合干擾。經過輻射的耦合通常稱為串擾。串擾發(fā)生在電流流經導線時產生的電磁場，而電磁場在鄰近的導線中感應瞬態(tài)電流，造成臨近的信號失真，甚至錯誤。串擾的強度取決于器件、導線的幾何尺寸及相隔距離。在DSP布線時，信號線間距越大，距離地線越近，就越可以有效地減小串擾。
2 針對產生干擾的原因設計PCB
下面給出如何在DSP系統(tǒng)的PCB制作過程中減小各種干擾的方法。
2.1 多層板的層疊式設計
DSP高速數字電路中，為了提高信號質量，降低布線難度，增加系統(tǒng)的EMC，一般采用多層板的層疊式設計。層疊式設計可以提供最短的回流路徑，減小耦合面積，抑制差模干擾。在層疊式設計中，分配專門的電源層和地層，并且地層和電源層緊耦合對抑制共模干擾有好處(利用相鄰的平面降低電源平面交流阻抗)。以圖1所示的4層板為例來說明層疊式的設計方案。
采用這種4層PCB設計的結構有很多優(yōu)點。在頂層(top層)下面有一層電源層，元器件的電源引腳可以直接接到電源，不用穿過地平面。關鍵的信號選布在底層(bottorn層)，使重要的信號走線空間更大，器件盡量放在同一層面上。若沒有必要，不要做2層零件的板子，這樣會增加裝配時間和裝配復雜度。如top層，只有當top層組件過密時，才將高度有限并且發(fā)熱量小的器件，像退耦電容(貼片)放在bottom層。對于DSP系統(tǒng)可能有大量的線要布，采用層疊式設計，可以在內層走線。如果按照傳統(tǒng)的通孔會浪費很多寶貴的走線空間，可以利用盲埋孔(blind／buried via)來增加走線面積。
2.2 布局設計
為了使DSP系統(tǒng)獲得最佳性能，元器件的布局是非常重要的。首先放置DSP、Flash、SRAM和CPLD器件，這耍慎重考慮走線空間，然后按功能獨立原則放置其他IC，最后考慮I／O口的放置。結合以上布局再考慮PCB的尺寸：若尺寸過大，會使印制線條太長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，制板費用也會增加；如果PCB太小，則散熱不好，而且空間有限，鄰近的線條容易受到干擾。所以要根據實際需要選擇器件，結合走線空間，大體上算出PCB的大小。在對DSP系統(tǒng)布局時，以下器件的擺放位置要特別注意。
(1) 高速信號布局
在整個DSP系統(tǒng)中,DSP與Flash、SRAM之間是主要的高速數字信號線，所以器件之間的距離要盡量近，其連線盡可能短，并且直接連接。因此，為了減小傳輸線對信號質量的影響，高速信號走線應盡量短。還要考慮到很多速度達到幾百MHz的DSP芯片，需要做蛇型繞線(delay tune)。這在下面布線中將重點闡述。
(2) 數模器件布局
在DSP系統(tǒng)中大多不是單一的功能電路，大量應用了CM0S的數字器件和數字模擬混合器件，所以要將數／模分開布局。模擬信號器件盡量集中，使模擬地能夠在整個數字地中間畫出一個獨立的屬于模擬信號的區(qū)域，避免數字信號對模擬信號的干擾。對于一些數模混合器件，如D／A轉換器，傳統(tǒng)上將其看作模擬器件，把它放在模擬地上，并且給其提供一個數字回路，讓數字噪聲反饋回信號源，減小數字噪聲對模擬地的影響。
(3) 時鐘的布局
對于時鐘、片選和總線信號，應盡量遠離I／O線和接插件。DSP系統(tǒng)的時鐘輸入，很容易受到干擾，對它的處理非常關鍵。要始終保證時鐘產生器盡量靠近DSP芯片，使時鐘線盡量短。時鐘晶體振蕩器的外殼最好接地。
(4)退耦布局
為了減小集成電路芯片電源上的電壓瞬時過沖，對集成電路芯片加退耦電容，這樣可以有效地去除電源上毛刺的影響，并減少在PCB上的電源環(huán)路反射。加退耦電容可以旁路掉集成電路器件的高頻噪聲，還可以作為儲能電容，提供和吸收集成電路開關門瞬間的充放電能。
在DSP系統(tǒng)中，對各個集成電路安放退耦電容，像DSP、SRAM、Flash等，在芯片的每個電源和地之間添加，而且要特別注意，退耦電容要盡量靠近電源提供端(source)和IC的零件腳(pin)。保證從電源提供端(sotlrce端)和進入IC的電流的純凈，并且盡量能讓噪音的路徑縮短。如圖2所示，處理電容時，使用大的過孔或多個過孔，且過孔到電容間的連線應盡量短、粗。2個過孔距離遠時，因為路徑太大，不好；最好的就是退耦電容的2個過孔越近越好，可以使噪聲以最短路徑到地。
另外在電源輸入端或電池供電的地方加上高頻電容是非常有利的。一般情況下，對退耦電容的取值不是很嚴格，一般按C=l／，計算，即頻率為10 MHz時取0．1μF的電容。
(5) 電源的布局
在進行DSP系統(tǒng)開發(fā)時，電源需要慎重考慮。因為一些電源芯片發(fā)熱量很大，應優(yōu)先安排在利于散熱的位置，要與其他元器件隔開一定距離?？梢岳眉由崞蛟谄骷旅驿併~來進行散熱處理。注意在開發(fā)板底層不要放置發(fā)熱組件。
(6) 其他注意
對于DSP系統(tǒng)其他組件的布局應該盡量考慮到焊接方便、調試方便和美觀等要求。如對電位器、可調電感線圈、可變電容器、撥碼開關等可調器件要結合整體結構放置。對于超過15 g的器件要加固定支架再焊接，特別注意要留出PCB的定位孔及固定支架所占用的位置。PCB邊緣的元器件離PCB板邊距離一般不要小于2 mm，PCB最好為矩形，長寬比為3：2或4;3。
2.3布線設計
在綜合考慮到增加DSP系統(tǒng)抗干擾性，增強EMC能力進行布局后，布線也要有一些措施和技巧。
(1) DSP的布線
布線大體上是從核心器件開始，并以其為中心展開。對于DSP這種PQFP(Plastic Quad FIat Pack)或BGA(BaIl Grid Arrayr)封裝的器件，如圖3所示，應先根據SRAM、Flash和CPLD的布局位置大體判斷出走線方向，對引腳進行扇出(fanout)操作。特別是對于QFP&BGA類型的器件，扇出就顯得尤其重要。在布線開始之初，就先把BGA類型器件的引腳作扇出，可以為后面的布線節(jié)省時間，并可以提高布線的質量和效率。在布線時，合理利用EDA工具的特點，比如power PCB的dynamicc rou-ting，可以最優(yōu)計劃空間。用dynamic的時候，這個功能會自動讓線與線之間的空間保持在規(guī)則里面，不浪費空間，減少后續(xù)修改，提高布線的質量和效率。
對于高速DSP還要注意串擾及蛇行(delay tune)走線處理。蛇行走線處理，如圖4所示，可以保證信號的完整性，還要保證高速信號參考平面的連續(xù)性。在需要作平面分割的時候，一定注意不要讓高速線跨不連續(xù)的平面；非要跨，就加跨平面的電容，如圖5所示。
當信號線(trace)間隔3倍信號線寬時，信號間相互串擾(coupling)的幾率只有25％左右，這樣就可以達到抗電磁干擾(EMI)的要求。所以，像CLK和SRAM這些高速信號線，切記與它旁邊的信號線遠離3倍寬以上，調等長時，即蛇型走線，線與線的寬度也要3倍信號線寬以上，包括對于其本身的信號線也要3倍信號線寬。如圖6所示，線寬5 mil*，繞線本身內部的距離是15mil，大于等于3倍的線寬。
(2) 時鐘的布線
對于時鐘信號，要使其對于其他信號的走線距離盡量大，保證在4倍線寬以上的距離，并且在時鐘(零件)的下面不要走線；對于模擬電壓輸入線，參考電壓端和I／0信號線盡量遠離時鐘。
(3) 對系統(tǒng)電源的處理
電源是系統(tǒng)中最重要的部分。在PCB的層疊設計中分配了單獨的電源層，但由于一個DSP系統(tǒng)有多種數字和模擬器件，這樣所用到的電源也有多種，所以對電源層進行了分割，使相同電源特性的器件分割在同一區(qū)域內，可就近連接到電源層。但要特別注意，進行分割的時候要注意使參考電源平面的信號連續(xù)。經過實驗證明，40 mil的線寬，可以通過的電流能保證有l A；對于過孑L，鉆徑為16 mil的可以通過1 A的電流，所以對于DSP系統(tǒng)，電源線大于20 mil即可。對于電源線上的電磁輻射防護要注意以下幾點：
◆用旁路電容限制電路板上交流電流的泄漏；
◆在電源線上串接共模扼流圈(common modechoke)，以抑制流經線中的共模電流；
◆布線靠近，減小磁輻射面積。
(4) 對接地的處理
在所有的EMC問題中，主要問題都是不適當的接地而引起的。地線處理的好壞直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。接地有以下作用：
◇降低輸出線上的共模電壓VCM；
◇減小對靜電(ESD)的敏感；
◇減小電磁輻射。
高頻數字電路和低頻模擬電路的地回路絕對不能混合，必須將數／模地分開，因為數字電路高低電位切換時會在電源和地產生噪聲；若地平面不分開，模擬信號依然會被地噪聲干擾。所以對高頻信號應采用多點串聯接地，盡量加粗縮短地線，這樣除減小壓降外，更重要的是降低耦合噪聲。但對于一個系統(tǒng)而言，無論怎樣分，最終的大地只有一個，只是瀉放途徑不同而已，所以最后通過磁珠或0 n電阻，將數字地和模擬地連在一起來消除混合信號
的干擾。
地平面分割時，必須保證參考平面的連續(xù)性。像數／模共存的PCB板，若模擬信號線走的距離比較遠，應盡量使其參考回流路徑也是模擬地。這意味著在地層要沿模擬信號的路徑割一個模擬地，使其參考模擬地，保證其參考平面的連續(xù)性。
(5) 其他注意事項
①在布線時，導線的拐角處一般不要走成90°折線，以減小高頻信號對外的發(fā)射耦合。
②對PCB鋪銅時，盡量避免使用大面積銅箔，否則經過長時間受熱，易發(fā)生銅箔脫落現象；必須用大面積銅箔的時候可以用柵格替代，這樣有利于排除銅箔與基板之間粘合劑受熱產生揮發(fā)性氣體。在貫穿的零件腳上(DIPPIN)鋪的銅箔最好也用熱焊盤(thermal)處理；應避免虛焊，提高良品率，如圖7所示。
③輸入與輸出的邊線應避免相臨平行，以避免產生反射干擾；必要時加地線隔離。兩相鄰層的布線要互相垂直，平行容易產生耦合。
④對于I／0，最好能夠把各自參考平面的不同區(qū)域分割開，使不同的I／O信號不會相互之間干擾，如圖8所示。
結 語
本文先通過對DSP系統(tǒng)所受到的干擾進行分析，找出可能產生干擾的主要原因，然后針對各種原因，利用PCB板的層疊式設計、器件布局以及詳細的布線方法，從各個方面將DSP系統(tǒng)可能產生的干擾減到最小。文中各種減小干擾的方法已經應用于實際的DSP系統(tǒng)的開發(fā)(TI公司的DSP芯片TMS320LF2407)，其效果良好。
下載文檔
