常見(jiàn)PCB布局陷阱

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。

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.磁力線(xiàn)

由圖1的磁力線(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。

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。

應遵循原則：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)。

圖4.可能存在的磁力線(xiàn)耦合

應遵循原則：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。

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RF PCB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。

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

圖6為理想架構與非理想架構比較，電路中存在潛在的“信號通路”。

應遵循原則：確保對敏感區域的過(guò)孔電感建模；濾波器或匹配網(wǎng)絡(luò )采用獨立過(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)生良好的屏蔽機制。

直流電流總是傾向于沿著(zhù)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，對于地層上方的標準PCB微帶線(xiàn)，返回電流試圖流入引線(xiàn)正下方的接地區域。按照上述引線(xiàn)耦合部分所述，割斷的接地區域會(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擾(圖7)。

圖7.盡可能保持地層完整，否則返回電流會(huì )引起串擾

填充地也稱(chēng)為保護線(xiàn)，通常將其用于電路中很難鋪設連續接地區域或需要屏蔽敏感電路的設計(圖8)。通過(guò)在引線(xiàn)兩端，或者是沿線(xiàn)放置接地過(guò)孔(即過(guò)孔陣列)，增大屏蔽效應。請不要將保護線(xiàn)與設計用來(lái)提供返回電流通路的引線(xiàn)相混合，這樣的布局會(huì )引入串擾。

圖8.RF系統設計中須避免覆銅線(xiàn)浮空，特別是需要鋪設銅皮的情況下

覆銅區域不接地(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?chē)季€(xiàn)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了一塊覆銅(非電路信號走線(xiàn))，來(lái)確保一致的電鍍厚度。覆銅區域應避免浮空，因為它們會(huì )影響電路設計。

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

應遵循原則：盡量提供連續、低阻的接地區域；填充線(xiàn)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(xiàn)浮空，RF電路周?chē)灰佋O銅皮；如果電路板包括多個(gè)地層，信號線(xiàn)從一側過(guò)度另一側時(shí)，最好鋪設一個(gè)接地過(guò)孔。