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不可不知的PCB布局陷阱

时间:2016-10-28 11:50来源:www.ictest8.com 作者:ictest8_edit 点击:
        
       工业、科学和医疗射频(ISM-RF)产品的无数应用案例表明,这些产品的印制板(PCB)布局很容易出现各种缺陷。人们时常发现相同IC 安装到两块不同电路板上,所表现的性能指标会有显著差异。工作条件、谐波辐射、抗干扰能力,以及启动时间等等诸多因素的变化,都能说明电路板布局在一款成 功设计中的重要性。
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。表1列出了一些可能出现的PCB布局问题、原因及其影响。
       表1. 典型的PCB布局问题和影响
Problem Cause Effect
LNA/tank circuit arrangement (receiver) Inductor orientation RF feedthrough
Degeneration/π-network arrangement (transmitter) Inductor orientation RF feedthrough
Shared ground vias between legs of π network Via parasitics Feedthrough, RF leakage
Shared ground vias between receiver blocks Via parasitics Crosstalk, RF feedthrough, RF leakage
Long traces for decoupling capacitors Higher-impedance connections Reduced decoupling
Wide component placement Increased parasitics, ground loops Detuning, crosstalk, feedthrough
Colinear traces in the transmitter circuit Filter bypassing, i.e., power amplifier(PA) directly to antenna Harmonics radiation
Top-layer copper pours Parasitic coupling RF leakage, RF interference
Discontinuous ground plane Return current concentration Crosstalk, feedthrough
Crystal connection trace length Excess capacitance LO frequency pulling
Crystal connection trace separation Excess capacitance LO frequency pulling
Ground plane under crystal pads Excess capacitance LO frequency pulling
Planar PCB trace inductors Poor inductance control  
       其中大多数问题源于少数几个常见原因,我们将对此逐一讨论。
       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. 由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,请参考低功率FSK超外差接收机评估 (EV)板(MAX7042EVKIT)的电路布局(图2)。该电路板上的三个电感(L3、L1和L2)距离非常近,将其方向排列为0°、45°和 90°,有助于降低彼此之间的互感。

       图2. 图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。
       综上所述,应遵循以下原则:
       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。关于保护线的设计,请参考以下接地与填充处理部分。

       图4. 类似于图1,表示可能存在的磁力线耦合。
       综上所述,布板时应遵循以下原则:
       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(本文不对此加以讨论)。
       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 = 10 mil、h = 62.5 mil)大约等效于一个1.34nH电感。给定ISM-RF产品的特定工作频率,过孔会对敏感电路(例如,谐振槽路、滤波器以及匹配网络等)造成不良影响。
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比较,电路中存在潜在的“信号通路”。
       综上所述,电路布局需要遵循以下原则:
       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。
       注意,较薄的PCB覆铜会降低过孔寄生电感的影响。 
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