工程師一定要注意的幾個(gè)PCB布局陷阱

本文羅列了各種不同的設(shè)計(jì)疏忽，探討了每種失誤導(dǎo)致電路故障的原因，并給出了如何避免這些設(shè)計(jì)缺陷的建議。本文以FR-4電介質(zhì)、厚度0.0625in的雙層PCB為例，電路板底層接地。工作頻率介于315MHz到915MHz之間的不同頻段，Tx和Rx功率介于-120dBm至+13dBm之間。

電感方向

當(dāng)兩個(gè)電感(甚至是兩條PCB走線)彼此靠近時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生互感。第一個(gè)電路中的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)對(duì)第二個(gè)電路中的電流產(chǎn)生激勵(lì)(圖1)。這一過(guò)程與變壓器初級(jí)、次級(jí)線圈之間的相互影響類似。當(dāng)兩個(gè)電流通過(guò)磁場(chǎng)相互作用時(shí)，所產(chǎn)生的電壓由互感LM決定：

式中，YB是向電路B注入的誤差電壓，IA是在電路A作用的電流1。LM對(duì)電路間距、電感環(huán)路面積(即磁通量)以及環(huán)路方向非常敏感。因此，緊湊的電路布局和降低耦合之間的最佳平衡是正確排列所有電感的方向。

圖1.磁力線

由圖1的磁力線可以看出互感與電感排列方向有關(guān)。

對(duì)電路B的方向進(jìn)行調(diào)整，使其電流環(huán)路平行于電路A的磁力線。為達(dá)到這一目的，盡量使電感互相垂直。

圖2.兩種不同的PCB布局

圖2中所示為兩種不同的PCB布局，其中一種布局的元件排列方向不合理(L1和L3)，另一種的方向排列則更為合適。

應(yīng)遵循原則

電感間距應(yīng)盡可能遠(yuǎn)；電感排列方向成直角，使電感之間的串?dāng)_降至最小。

引線耦合

如同電感排列方向會(huì)影響磁場(chǎng)耦合一樣，如果引線彼此過(guò)于靠近，也會(huì)影響耦合。這種布局問(wèn)題也會(huì)產(chǎn)生所謂的互感。RF電路最關(guān)心問(wèn)題之一即為系統(tǒng)敏感部件的走線，例如輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、接收器的諧振槽路、發(fā)送器的天線匹配網(wǎng)絡(luò)等。

返回電流通路須盡可能靠近主電流通道，將輻射磁場(chǎng)降至最小。這種布局有助于減小電流環(huán)路面積。返回電流的理想低阻通路通常是引線下方的接地區(qū)域—將環(huán)路面積有效限制在電介質(zhì)厚度乘以引線長(zhǎng)度的區(qū)域。但是，如果接地區(qū)域被分割開(kāi)，則會(huì)增大環(huán)路面積(圖3)。對(duì)于穿過(guò)分割區(qū)域的引線，返回電流將被強(qiáng)制通過(guò)高阻通路，大大提高了電流環(huán)路面積。這種布局還使電路引線更容易受互感的影響。

圖3.完整的大面積接地有助于改善系統(tǒng)性能

對(duì)于一個(gè)實(shí)際電感，引線方向?qū)Υ艌?chǎng)耦合的影響也很大。如果敏感電路的引線必須彼此靠近，最好將引線方向垂直排列，以降低耦合(圖4)。如果無(wú)法做到垂直排列，則可考慮使用保護(hù)線。

圖4.可能存在的磁力線耦合

應(yīng)遵循原則

引線下方應(yīng)保證完整接地；敏感引線應(yīng)垂直排列；如果引線必須平行排列，須確保足夠的間距或采用保護(hù)線。

接地過(guò)孔

RF電路布局的主要問(wèn)題通常是電路的特征阻抗不理想，包括電路元件及其互聯(lián)。引線覆銅層較薄，則等效于電感線，并與鄰近的其它引線形成分布電容。引線穿過(guò)過(guò)孔時(shí)，也會(huì)表現(xiàn)出電感和電容特性。

過(guò)孔電容主要源于過(guò)孔焊盤(pán)側(cè)的覆銅與地層覆銅之間構(gòu)成的電容，它們之間由一個(gè)相當(dāng)小的圓環(huán)隔開(kāi)。另外一個(gè)影響源于金屬過(guò)孔本身的圓柱。寄生電容的影響一般較小，通常只會(huì)造成高速數(shù)字信號(hào)的邊沿變差。

過(guò)孔的最大影響是相應(yīng)的互聯(lián)方式所引起的寄生電感。因?yàn)镽F PCB設(shè)計(jì)中，大多數(shù)金屬過(guò)孔尺寸與集總元件的尺寸相同，可利用簡(jiǎn)單的公式估算電路過(guò)孔的影響(圖5)：

式中，LVIA為過(guò)孔的集總電感；h為過(guò)孔高度，單位為英寸；d為過(guò)孔直徑，單位為英寸2。

圖5.PCB橫截面用于估算寄生影響的過(guò)孔結(jié)構(gòu)

寄生電感往往對(duì)旁路電容的連接影響很大。理想的旁路電容在電源層與地層之間提供高頻短路，但是，非理想過(guò)孔則會(huì)影響地層和電源層之間的低感通路。典型的PCB過(guò)孔(d=10mil、h=62.5mil)大約等效于一個(gè)1.34nH電感。

如果敏感電路共用過(guò)孔，例如π型網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)臂，則會(huì)產(chǎn)生其它問(wèn)題。例如，放置一個(gè)等效于集總電感的理想過(guò)孔，等效原理圖則與原電路設(shè)計(jì)有很大區(qū)別(圖6)。與共用電流通路的串?dāng)_一樣3，導(dǎo)致互感增大，加大串?dāng)_和饋通。

圖6.理想架構(gòu)與非理想架構(gòu)

圖6為理想架構(gòu)與非理想架構(gòu)比較，電路中存在潛在的“信號(hào)通路”。

應(yīng)遵循原則

確保對(duì)敏感區(qū)域的過(guò)孔電感建模；濾波器或匹配網(wǎng)絡(luò)采用獨(dú)立過(guò)孔；較薄的PCB覆銅會(huì)降低過(guò)孔寄生電感的影響。

接地與填充

接地或電源層定義了一個(gè)公共參考電壓，通過(guò)低阻通路為系統(tǒng)的所有部件供電。按照這種方式均衡所有電場(chǎng)，產(chǎn)生良好的屏蔽機(jī)制。

直流電流總是傾向于沿著低阻通路流通。同理，高頻電流也是優(yōu)先流過(guò)最低電阻的通路。所以，對(duì)于地層上方的標(biāo)準(zhǔn)PCB微帶線，返回電流試圖流入引線正下方的接地區(qū)域。按照上述引線耦合部分所述，割斷的接地區(qū)域會(huì)引入各種噪聲，進(jìn)而通過(guò)磁場(chǎng)耦合或匯聚電流而增大串?dāng)_(圖7)。

圖7.盡可能保持地層完整，否則返回電流會(huì)引起串?dāng)_

填充地也稱為保護(hù)線，通常將其用于電路中很難鋪設(shè)連續(xù)接地區(qū)域或需要屏蔽敏感電路的設(shè)計(jì)(圖8)。通過(guò)在引線兩端，或者是沿線放置接地過(guò)孔(即過(guò)孔陣列)，增大屏蔽效應(yīng)。請(qǐng)不要將保護(hù)線與設(shè)計(jì)用來(lái)提供返回電流通路的引線相混合，這樣的布局會(huì)引入串?dāng)_。

圖8.RF系統(tǒng)設(shè)計(jì)中須避免覆銅線浮空，特別是需要鋪設(shè)銅皮的情況下

覆銅區(qū)域不接地(浮空)或僅在一端接地時(shí)，會(huì)制約其有效性。有些情況下，它會(huì)形成寄生電容，改變周圍布線的阻抗或在電路之間產(chǎn)生“潛在”通路，從而造成不利影響。簡(jiǎn)而言之，如果在電路板上鋪設(shè)了一塊覆銅(非電路信號(hào)走線)，來(lái)確保一致的電鍍厚度。覆銅區(qū)域應(yīng)避免浮空，因?yàn)樗鼈儠?huì)影響電路設(shè)計(jì)。

最后，確?？紤]天線附近任何接地區(qū)域的影響。任何單極天線都將接地區(qū)域、走線和過(guò)孔作為系統(tǒng)均衡的一部分，非理想均衡布線會(huì)影響天線的輻射效率和方向(輻射模板)。因此，不應(yīng)將接地區(qū)域直接放置在單極PCB引線天線的下方。

應(yīng)遵循原則

盡量提供連續(xù)、低阻的接地區(qū)域；填充線的兩端接地，并盡量采用過(guò)孔陣列；RF電路附近不要將覆銅線浮空，RF電路周圍不要鋪設(shè)銅皮；如果電路板包括多個(gè)地層，信號(hào)線從一側(cè)過(guò)度另一側(cè)時(shí)，最好鋪設(shè)一個(gè)接地過(guò)孔。

END

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