PCB設計的各種疏忽及應對策略

射頻印制板(PCB)布局很容易出現各種缺陷工業(yè)、科學(xué)和醫療射頻(ISM-RF)產(chǎn)品的無(wú)數應用案例表明，這些產(chǎn)品的印制板(PCB)布局很容易出現各種缺陷。人們時(shí)常發(fā)現相同IC安裝到兩塊不同電路板上，所表現的性能指標會(huì )有顯著(zhù)差異。工作條件、諧波輻射、抗干擾能力，以及啟動(dòng)時(shí)間等等諸多因素的變化，都能說(shuō)明電路板布局在一款成功設計中的重要性。

　　本文羅列了各種不同的設計疏忽，探討了每種失誤導致電路故障的原因，并給出了如何避免這些設計缺陷的建議。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。表1列出了一些可能出現的PCB布局問(wèn)題、原因及其影響。

　　其中大多數問(wèn)題源于少數幾個(gè)常見(jiàn)原因，我們將對此逐一討論。
電感方向

　　當兩個(gè)電感(甚至是兩條PCB走線(xiàn))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 )對第二個(gè)電路中的電流產(chǎn)生激勵(圖1)。這一過(guò)程與變壓器初級、次級線(xiàn)圈之間的相互影響類(lèi)似。當兩個(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.由磁力線(xiàn)可以看出互感與電感排列方向有關(guān)

　　對電路B的方向進(jìn)行調整，使其電流環(huán)路平行于電路A的磁力線(xiàn)。為達到這一目的，盡量使電感互相垂直，請參考低功率FSK超外差接收機評估(EV)板(MAX7042EVKIT)的電路布局(圖2)。該電路板上的三個(gè)電感(L3、L1和L2)距離非常近，將其方向排列為0°、45°和90°，有助于降低彼此之間的互感。

　　圖2.圖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。

　　綜上所述，應遵循以下原則：

　　電感間距應盡可能遠。

　　電感排列方向成直角，使電感之間的串擾降至最小。

　　引線(xiàn)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(xiàn)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)題之一即為系統敏感部件的走線(xiàn)，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(xiàn)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(xiàn)下方的接地區域—將環(huán)路面積有效限制在電介質(zhì)厚度乘以引線(xiàn)長(cháng)度的區域。但是，如果接地區域被分割開(kāi)，則會(huì )增大環(huán)路面積(圖3)。對于穿過(guò)分割區域的引線(xiàn)，返回電流將被強制通過(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(xiàn)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性能

　　對于一個(gè)實(shí)際電感，引線(xiàn)方向對磁場(chǎng)耦合的影響也很大。如果敏感電路的引線(xiàn)必須彼此靠近，最好將引線(xiàn)方向垂直排列，以降低耦合(圖4)。如果無(wú)法做到垂直排列，則可考慮使用保護線(xiàn)。關(guān)于保護線(xiàn)的設計，請參考以下接地與填充處理部分。

　　圖4.類(lèi)似于圖1，表示可能存在的磁力線(xiàn)耦合。

　　綜上所述，布板時(shí)應遵循以下原則：

　　引線(xiàn)下方應保證完整接地。

　　敏感引線(xiàn)應垂直排列。

　　如果引線(xiàn)必須平行排列，須確保足夠的間距或采用保護線(xiàn)。

　　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(xiàn)覆銅層較薄，則等效于電感線(xiàn)，并與鄰近的其它引線(xiàn)形成分布電容。引線(xiàn)穿過(guò)過(guò)孔時(shí)，也會(huì )表現出電感和電容特性。

　　過(guò)孔電容主要源于過(guò)孔焊盤(pán)側的覆銅與地層覆銅之間構成的電容，它們之間由一個(gè)相當小的圓環(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 )造成高速數字信號的邊沿變差(本文不對此加以討論)。

　　過(guò)孔的最大影響是相應的互聯(lián)方式所引起的寄生電感。因為RFPCB設計中，大多數金屬過(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)孔結構

　　寄生電感往往對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。給定ISM-RF產(chǎn)品的特定工作頻率，過(guò)孔會(huì )對敏感電路(例如，諧振槽路、濾波器以及匹配網(wǎng)絡(luò )等)造成不良影響。

　　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計有很大區別(圖6)。與共用電流通路的串擾一樣3，導致互感增大，加大串擾和饋通。

　　圖6.理想架構與非理想架構比較，電路中存在潛在的“信號通路”。