摘 要：分析DSP系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的主要原因，給出抗干擾的對(duì)策；以TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A為處理器構(gòu)成控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)PCB的層疊設(shè)計(jì)、布局和布線設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹如何在PCB設(shè)計(jì)中增強(qiáng)DSP系統(tǒng)的抗干擾能力。
關(guān)鍵詞：DSP PCB 抗干擾
引 言
隨著DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)的廣泛應(yīng)用，基于DSP的高速信號(hào)處理PCB板的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。在一個(gè)DSP系統(tǒng)中，DSP微處理器的工作頻率可高達(dá)數(shù)百M(fèi)Hz，其復(fù)位線、中斷線和控制線、集成電路開(kāi)關(guān)、高精度A／D轉(zhuǎn)換電路，以及含有微弱模擬信號(hào)的電路都非常容易受到干擾；所以設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一個(gè)穩(wěn)定的、可靠的DSP系統(tǒng)，抗干擾設(shè)計(jì)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(chǎn)生分兩種：直接的(通過(guò)導(dǎo)體、公共阻抗耦合等)和間接的(通過(guò)串?dāng)_或輻射耦合)。很多電器發(fā)射源，如光照、電機(jī)和日光燈都可以引起干擾，而電磁干擾EMI能產(chǎn)生影響有3個(gè)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(gè)就可以解決電磁干擾問(wèn)題。
1 DSP系統(tǒng)的干擾產(chǎn)生分析
為了做出一個(gè)穩(wěn)定可靠的DSP系統(tǒng)，必須從各個(gè)方面來(lái)消除干擾，即使不能完全消除，也要盡量減少到最小。對(duì)于DSP系統(tǒng)而言，主要干擾來(lái)自于以下幾個(gè)方面：
①輸入輸出通道干擾。指干擾通過(guò)前向通道和后向通道進(jìn)入系統(tǒng)，如DSP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，干擾通過(guò)傳感器迭加到信號(hào)上，使數(shù)據(jù)采集的誤差增大。在輸出環(huán)節(jié)，干擾可以將輸出的數(shù)據(jù)誤差增大，甚至完全錯(cuò)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(duì)于傳感器和DSP主系統(tǒng)的干擾可利用電氣隔離來(lái)陽(yáng)檔千擾講入。
②電源系統(tǒng)的干擾。整個(gè)DSP系統(tǒng)的主要干擾源。電源在向系統(tǒng)提供電能的同時(shí)也將其噪聲加到供電的電源上，必須在電源芯片電路設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)電源線進(jìn)行退耦。
③空間輻射耦合干擾。經(jīng)過(guò)輻射的耦合通常稱為串?dāng)_。串?dāng)_發(fā)生在電流流經(jīng)導(dǎo)線時(shí)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，而電磁場(chǎng)在鄰近的導(dǎo)線中感應(yīng)瞬態(tài)電流，造成臨近的信號(hào)失真，甚至錯(cuò)誤。串?dāng)_的強(qiáng)度取決于器件、導(dǎo)線的幾何尺寸及相隔距離。在DSP布線時(shí)，信號(hào)線間距越大，距離地線越近，就越可以有效地減小串?dāng)_。
2 針對(duì)產(chǎn)生干擾的原因設(shè)計(jì)PCB
下面給出如何在DSP系統(tǒng)的PCB制作過(guò)程中減小各種干擾的方法。
2.1 多層板的層疊式設(shè)計(jì)
DSP高速數(shù)字電路中，為了提高信號(hào)質(zhì)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(shè)計(jì)。層疊式設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中，分配專門的電源層和地層，并且地層和電源層緊耦合對(duì)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(lái)說(shuō)明層疊式的設(shè)計(jì)方案。
采用這種4層PCB設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn)。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(guò)地平面。關(guān)鍵的信號(hào)選布在底層(bottorn層)，使重要的信號(hào)走線空間更大，器件盡量放在同一層面上。若沒(méi)有必要，不要做2層零件的板子，這樣會(huì)增加裝配時(shí)間和裝配復(fù)雜度。如top層，只有當(dāng)top層組件過(guò)密時(shí)，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(duì)于DSP系統(tǒng)可能有大量的線要布，采用層疊式設(shè)計(jì)，可以在內(nèi)層走線。如果按照傳統(tǒng)的通孔會(huì)浪費(fèi)很多寶貴的走線空間，可以利用盲埋孔(blind／buried via)來(lái)增加走線面積。
2.2 布局設(shè)計(jì)
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(dú)立原則放置其他IC，最后考慮I／O口的放置。結(jié)合以上布局再考慮PCB的尺寸：若尺寸過(guò)大，會(huì)使印制線條太長(zhǎng)，阻抗增加，抗噪聲能力下降，制板費(fèi)用也會(huì)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(jù)實(shí)際需要選擇器件，結(jié)合走線空間，大體上算出PCB的大小。在對(duì)DSP系統(tǒng)布局時(shí)，以下器件的擺放位置要特別注意。
(1) 高速信號(hào)布局
在整個(gè)DSP系統(tǒng)中,DSP與Flash、SRAM之間是主要的高速數(shù)字信號(hào)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(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響，高速信號(hào)走線應(yīng)盡量短。還要考慮到很多速度達(dá)到幾百M(fèi)Hz的DSP芯片，需要做蛇型繞線(delay tune)。這在下面布線中將重點(diǎn)闡述。
(2) 數(shù)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(yīng)用了CM0S的數(shù)字器件和數(shù)字模擬混合器件，所以要將數(shù)／模分開(kāi)布局。模擬信號(hào)器件盡量集中，使模擬地能夠在整個(gè)數(shù)字地中間畫(huà)出一個(gè)獨(dú)立的屬于模擬信號(hào)的區(qū)域，避免數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾。對(duì)于一些數(shù)?；旌掀骷?，如D／A轉(zhuǎn)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(gè)數(shù)字回路，讓數(shù)字噪聲反饋回信號(hào)源，減小數(shù)字噪聲對(duì)模擬地的影響。
(3) 時(shí)鐘的布局
對(duì)于時(shí)鐘、片選和總線信號(hào)，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離I／O線和接插件。DSP系統(tǒng)的時(shí)鐘輸入，很容易受到干擾，對(duì)它的處理非常關(guān)鍵。要始終保證時(shí)鐘產(chǎn)生器盡量靠近DSP芯片，使時(shí)鐘線盡量短。時(shí)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(shí)過(guò)沖，對(duì)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(chǔ)能電容，提供和吸收集成電路開(kāi)關(guān)門瞬間的充放電能。
在DSP系統(tǒng)中，對(duì)各個(gè)集成電路安放退耦電容，像DSP、SRAM、Flash等，在芯片的每個(gè)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(jìn)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(shí)，使用大的過(guò)孔或多個(gè)過(guò)孔，且過(guò)孔到電容間的連線應(yīng)盡量短、粗。2個(gè)過(guò)孔距離遠(yuǎn)時(shí)，因?yàn)槁窂教螅缓?；最好的就是退耦電容?個(gè)過(guò)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(duì)退耦電容的取值不是很嚴(yán)格，一般按C=l／，計(jì)算，即頻率為10 MHz時(shí)取0．1μF的電容。
(5) 電源的布局
在進(jìn)行DSP系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)，電源需要慎重考慮。因?yàn)橐恍╇娫葱酒l(fā)熱量很大，應(yīng)優(yōu)先安排在利于散熱的位置，要與其他元器件隔開(kāi)一定距離?？梢岳眉由崞蛟谄骷旅驿併~來(lái)進(jìn)行散熱處理。注意在開(kāi)發(fā)板底層不要放置發(fā)熱組件。
(6) 其他注意
對(duì)于DSP系統(tǒng)其他組件的布局應(yīng)該盡量考慮到焊接方便、調(diào)試方便和美觀等要求。如對(duì)電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、撥碼開(kāi)關(guān)等可調(diào)器件要結(jié)合整體結(jié)構(gòu)放置。對(duì)于超過(guò)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(zhǎng)寬比為3：2或4;3。
2.3布線設(shè)計(jì)
在綜合考慮到增加DSP系統(tǒng)抗干擾性，增強(qiáng)EMC能力進(jìn)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(kāi)始，并以其為中心展開(kāi)。對(duì)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(yīng)先根據(jù)SRAM、Flash和CPLD的布局位置大體判斷出走線方向，對(duì)引腳進(jìn)行扇出(fanout)操作。特別是對(duì)于QFP&BGA類型的器件，扇出就顯得尤其重要。在布線開(kāi)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(shí)間，并可以提高布線的質(zhì)量和效率。在布線時(shí)，合理利用EDA工具的特點(diǎn)，比如power PCB的dynamicc rou-ting，可以最優(yōu)計(jì)劃空間。用dynamic的時(shí)候，這個(gè)功能會(huì)自動(dòng)讓線與線之間的空間保持在規(guī)則里面，不浪費(fèi)空間，減少后續(xù)修改，提高布線的質(zhì)量和效率。
對(duì)于高速DSP還要注意串?dāng)_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(hào)的完整性，還要保證高速信號(hào)參考平面的連續(xù)性。在需要作平面分割的時(shí)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(dāng)信號(hào)線(trace)間隔3倍信號(hào)線寬時(shí)，信號(hào)間相互串?dāng)_(coupling)的幾率只有25％左右，這樣就可以達(dá)到抗電磁干擾(EMI)的要求。所以，像CLK和SRAM這些高速信號(hào)線，切記與它旁邊的信號(hào)線遠(yuǎn)離3倍寬以上，調(diào)等長(zhǎng)時(shí)，即蛇型走線，線與線的寬度也要3倍信號(hào)線寬以上，包括對(duì)于其本身的信號(hào)線也要3倍信號(hào)線寬。如圖6所示，線寬5 mil*，繞線本身內(nèi)部的距離是15mil，大于等于3倍的線寬。
(2) 時(shí)鐘的布線
對(duì)于時(shí)鐘信號(hào)，要使其對(duì)于其他信號(hào)的走線距離盡量大，保證在4倍線寬以上的距離，并且在時(shí)鐘(零件)的下面不要走線；對(duì)于模擬電壓輸入線，參考電壓端和I／0信號(hào)線盡量遠(yuǎn)離時(shí)鐘。
(3) 對(duì)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(shè)計(jì)中分配了單獨(dú)的電源層，但由于一個(gè)DSP系統(tǒng)有多種數(shù)字和模擬器件，這樣所用到的電源也有多種，所以對(duì)電源層進(jìn)行了分割，使相同電源特性的器件分割在同一區(qū)域內(nèi)，可就近連接到電源層。但要特別注意，進(jìn)行分割的時(shí)候要注意使參考電源平面的信號(hào)連續(xù)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，40 mil的線寬，可以通過(guò)的電流能保證有l(wèi) A；對(duì)于過(guò)孑L，鉆徑為16 mil的可以通過(guò)1 A的電流，所以對(duì)于DSP系統(tǒng)，電源線大于20 mil即可。對(duì)于電源線上的電磁輻射防護(hù)要注意以下幾點(diǎn)：
◆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(jīng)線中的共模電流；
◆布線靠近，減小磁輻射面積。
(4) 對(duì)接地的處理
在所有的EMC問(wèn)題中，主要問(wèn)題都是不適當(dāng)?shù)慕拥囟鸬摹５鼐€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(duì)靜電(ESD)的敏感；
◇減小電磁輻射。
高頻數(shù)字電路和低頻模擬電路的地回路絕對(duì)不能混合，必須將數(shù)／模地分開(kāi)，因?yàn)閿?shù)字電路高低電位切換時(shí)會(huì)在電源和地產(chǎn)生噪聲；若地平面不分開(kāi)，模擬信號(hào)依然會(huì)被地噪聲干擾。所以對(duì)高頻信號(hào)應(yīng)采用多點(diǎn)串聯(lián)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(duì)于一個(gè)系統(tǒng)而言，無(wú)論怎樣分，最終的大地只有一個(gè)，只是瀉放途徑不同而已，所以最后通過(guò)磁珠或0 n電阻，將數(shù)字地和模擬地連在一起來(lái)消除混合信號(hào)
的干擾。
地平面分割時(shí)，必須保證參考平面的連續(xù)性。像數(shù)／模共存的PCB板，若模擬信號(hào)線走的距離比較遠(yuǎn)，應(yīng)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(hào)的路徑割一個(gè)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(xiàng)
①在布線時(shí)，導(dǎo)線的拐角處一般不要走成90°折線，以減小高頻信號(hào)對(duì)外的發(fā)射耦合。
②對(duì)PCB鋪銅時(shí)，盡量避免使用大面積銅箔，否則經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間受熱，易發(fā)生銅箔脫落現(xiàn)象；必須用大面積銅箔的時(shí)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(chǎn)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(yīng)避免虛焊，提高良品率，如圖7所示。
③輸入與輸出的邊線應(yīng)避免相臨平行，以避免產(chǎn)生反射干擾；必要時(shí)加地線隔離。兩相鄰層的布線要互相垂直，平行容易產(chǎn)生耦合。
④對(duì)于I／0，最好能夠把各自參考平面的不同區(qū)域分割開(kāi)，使不同的I／O信號(hào)不會(huì)相互之間干擾，如圖8所示。
結(jié) 語(yǔ)
本文先通過(guò)對(duì)DSP系統(tǒng)所受到的干擾進(jìn)行分析，找出可能產(chǎn)生干擾的主要原因，然后針對(duì)各種原因，利用PCB板的層疊式設(shè)計(jì)、器件布局以及詳細(xì)的布線方法，從各個(gè)方面將DSP系統(tǒng)可能產(chǎn)生的干擾減到最小。文中各種減小干擾的方法已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際的DSP系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)(TI公司的DSP芯片TMS320LF2407)，其效果良好。
