如何避免PCB设计布局缺陷的建议
eeskill 2021-10-19

本文罗列了各种不同的设计疏忽,探讨了每种失误导致电路故障的原因,并给出了如何避免这些设计缺陷的建议。本文以FR-4电介质、厚度0.0625in的双层PCB为例,电路板底层接地。工作频率介于315MHz到915MHz之间的不同频段,Tx和Rx功率介于-120dBm至+13dBm之间。

电感方向

当两个电感(甚至是两条PCB走线)彼此靠近时,将会产生互感。第一个电路中的电流所产生的磁场会对第二个电路中的电流产生激励(图1)。这一过程与变压器初级、次级线圈之间的相互影响类似。当两个电流通过磁场相互作用时,所产生的电压由互感LM决定:

式中,YB是向电路B注入的误差电压,IA是在电路A作用的电流1。LM对电路间距、电感环路面积(即磁通量)以及环路方向非常敏感。因此,紧凑的电路布局和降低耦合之间的最佳平衡是正确排列所有电感的方向。

图1.磁力线

由图1的磁力线可以看出互感与电感排列方向有关。

对电路B的方向进行调整,使其电流环路平行于电路A的磁力线。为达到这一目的,尽量使电感互相垂直。

图2.两种不同的PCB布局

图2中所示为两种不同的PCB布局,其中一种布局的元件排列方向不合理(L1和L3),另一种的方向排列则更为合适。

应遵循原则:电感间距应尽可能远;电感排列方向成直角,使电感之间的串扰降至最小。

引线耦合

如同电感排列方向会影响磁场耦合一样,如果引线彼此过于靠近,也会影响耦合。这种布局问题也会产生所谓的互感。RF电路最关心问题之一即为系统敏感部件的走线,例如输入匹配网络、接收器的谐振槽路、发送器的天线匹配网络等。

返回电流通路须尽可能靠近主电流通道,将辐射磁场降至最小。这种布局有助于减小电流环路面积。返回电流的理想低阻通路通常是引线下方的接地区域—将环路面积有效限制在电介质厚度乘以引线长度的区域。但是,如果接地区域被分割开,则会增大环路面积(图3)。对于穿过分割区域的引线,返回电流将被强制通过高阻通路,大大提高了电流环路面积。这种布局还使电路引线更容易受互感的影响。

图3.完整的大面积接地有助于改善系统性能

对于一个实际电感,引线方向对磁场耦合的影响也很大。如果敏感电路的引线必须彼此靠近,最好将引线方向垂直排列,以降低耦合(图4)。如果无法做到垂直排列,则可考虑使用保护线。

图4.可能存在的磁力线耦合

应遵循原则:引线下方应保证完整接地;敏感引线应垂直排列;如果引线必须平行排列,须确保足够的间距或采用保护线。

接地过孔

RF电路布局的主要问题通常是电路的特征阻抗不理想,包括电路元件及其互联。引线覆铜层较薄,则等效于电感线,并与邻近的其它引线形成分布电容。引线穿过过孔时,也会表现出电感和电容特性。

过孔电容主要源于过孔焊盘侧的覆铜与地层覆铜之间构成的电容,它们之间由一个相当小的圆环隔开。另外一个影响源于金属过孔本身的圆柱。寄生电容的影响一般较小,通常只会造成高速数字信号的边沿变差。

过孔的最大影响是相应的互联方式所引起的寄生电感。因为RF PCB设计中,大多数金属过孔尺寸与集总元件的尺寸相同,可利用简单的公式估算电路过孔的影响(图5):

式中,LVIA为过孔的集总电感;h为过孔高度,单位为英寸;d为过孔直径,单位为英寸2。

图5.PCB横截面用于估算寄生影响的过孔结构

寄生电感往往对旁路电容的连接影响很大。理想的旁路电容在电源层与地层之间提供高频短路,但是,非理想过孔则会影响地层和电源层之间的低感通路。典型的PCB过孔(d=10mil、h=62.5mil)大约等效于一个1.34nH电感。

如果敏感电路共用过孔,例如π型网络的两个臂,则会产生其它问题。例如,放置一个等效于集总电感的理想过孔,等效原理图则与原电路设计有很大区别(图6)。与共用电流通路的串扰一样3,导致互感增大,加大串扰和馈通。

图6.理想架构与非理想架构

图6为理想架构与非理想架构比较,电路中存在潜在的“信号通路”。

应遵循原则:确保对敏感区域的过孔电感建模;滤波器或匹配网络采用独立过孔;较薄的PCB覆铜会降低过孔寄生电感的影响。

接地与填充

接地或电源层定义了一个公共参考电压,通过低阻通路为系统的所有部件供电。按照这种方式均衡所有电场,产生良好的屏蔽机制。

直流电流总是倾向于沿着低阻通路流通。同理,高频电流也是优先流过最低电阻的通路。所以,对于地层上方的标准PCB微带线,返回电流试图流入引线正下方的接地区域。按照上述引线耦合部分所述,割断的接地区域会引入各种噪声,进而通过磁场耦合或汇聚电流而增大串扰(图7)。

图7.尽可能保持地层完整,否则返回电流会引起串扰

填充地也称为保护线,通常将其用于电路中很难铺设连续接地区域或需要屏蔽敏感电路的设计(图8)。通过在引线两端,或者是沿线放置接地过孔(即过孔阵列),增大屏蔽效应。请不要将保护线与设计用来提供返回电流通路的引线相混合,这样的布局会引入串扰。

图8.RF系统设计中须避免覆铜线浮空,特别是需要铺设铜皮的情况下

覆铜区域不接地(浮空)或仅在一端接地时,会制约其有效性。有些情况下,它会形成寄生电容,改变周围布线的阻抗或在电路之间产生“潜在”通路,从而造成不利影响。简而言之,如果在电路板上铺设了一块覆铜(非电路信号走线),来确保一致的电镀厚度。覆铜区域应避免浮空,因为它们会影响电路设计。

最后,确保考虑天线附近任何接地区域的影响。任何单极天线都将接地区域、走线和过孔作为系统均衡的一部分,非理想均衡布线会影响天线的辐射效率和方向(辐射模板)。因此,不应将接地区域直接放置在单极PCB引线天线的下方。

应遵循原则:尽量提供连续、低阻的接地区域;填充线的两端接地,并尽量采用过孔阵列;RF电路附近不要将覆铜线浮空,RF电路周围不要铺设铜皮;如果电路板包括多个地层,信号线从一侧过度另一侧时,最好铺设一个接地过孔。

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