幾種混合PCB布局的技巧

PCB布局的好與否，直接影響產品質量和穩定性，今天就給大家分享幾種混合PCB布局的技巧。

一

元器件放置

在元器件放置的時候要遵循原理圖的信號路徑，還需要為走線提供空間。除此之外，要遵循以下放置規則：

電源部分應緊湊地放置在一起，并適當的去耦實現電源完整性

去耦電容應盡可能靠近各個器件放置

連接器應放置在板的邊緣

遵循高頻組件的原理圖流程

大型存儲設備和處理器（例如時鐘發生器和控制器）應放置在電路板的中心

二

模擬和數字模塊分離

為了最大限度地減少模擬和數字信號的公共返回路徑，要將模擬和數字模塊分開，防止模擬信號與數字信號混合。

模擬和數字電路分離

上圖顯示了模擬和數字電路分離的一個示例。在劃分模擬部分和數字部分時，應牢記以下幾點：

建議在模擬平面安裝精密的模擬元件，例如放大器和基準電壓源。另一側/數字平面必須用于噪聲數字組件，例如邏輯控制和定時塊。

系統中的模數轉換器 (ADC) 或數模轉換器 (DAC) 是混合信號且具有低數字電流，其處理方式與模擬組件在模擬系統中的處理方式類似。

對于具有大量高電流 ADC 和 DAC 的設計，建議將模擬電源和數字電源分開。換句話說，DVDD應該連接到數字部分，而AVCC必須連接到模擬部分。

微處理器和微控制器產生的空間和熱量可能很大。為了改善散熱，這些組件必須放置在電路板的中心，并且必須靠近它們要連接的電路塊。

三

跟蹤路由

將所有組件正確放置在最佳位置并建立適當的接地平面后，大多數路線自然會遵循正確的路徑。但是，在跟蹤路由時應牢記以下準則：

信號路徑應盡可能直接且短

具有高速信號路徑的層應有一個與其相鄰的接地層，以確保正確的返回信號

高速電路特別敏感，需要遵循原理圖中布置的信號路徑

通過使用短、直接和寬的走線來減少電源布線中的電感

在布線走線和過孔時不要創建天線

電源布線應該短、緊湊并且應該有寬走線

布線需要保持數字和模擬電路元件之間的隔離

接地很重要，特別是對于連接數字和模擬分區區域的走線

四

電源模塊

電源是電路的重要組成部分，需要小心處理。一般來說，電源模塊必須靠近其供電的組件，同時與電路的其余部分隔離。

當復雜系統中的設備具有許多電源引腳時，可以為模擬和數字部分使用專用電源模塊，以防止噪聲數字干擾。

為了減少電感并防止電流限制，電源線應短而直，并使用寬走線。

五

解耦

為了滿足系統所需的性能，工程師必須考慮的關鍵因素之一是電源抑制比 (PSRR)。設備的性能最終由 PSRR 決定，PSRR 評估設備對電源變化的敏感度。

為了保持理想的 PSRR，需要防止高頻能量進入器件。為此，使用電解電容和陶瓷電容的組合，可以有效地將器件電源與高阻抗接地層隔離。

有效去耦是為了在電路運行時有一個低噪聲環境?；疽巹t是提供盡可能最短的路徑，使電流更容易返回。

下面為一些通用解耦方法：

低電感陶瓷電容用于降低高頻噪聲，而電解電容則通過充當瞬態電流的電荷庫來降低電源上的低頻噪聲。此外，鐵氧體磁珠是可選的，但可以增強高頻噪聲的隔離和去耦。

去耦電容需要盡可能靠近器件的電源引腳放置。為了減少額外的串聯電感，應使用過孔或短線將這些電容連接到低阻抗接地層的大部分。

器件的電源引腳應盡可能靠近器件。應使用較小的電容（通常為 0.01F 至 0.1F），這種配置避免了當多個輸出同時切換時設備以不穩定的方式運行。電解電容與設備電源引腳之間的距離不應超過一英寸（平均10F至100F）。

可以使用靠近器件 GND 引腳的過孔將去耦電容T形連接到接地層，以簡化結構而不是構建走線。

具體的可以看下圖：

電源引腳的去耦技術

六

PCB 分層

在PCB布線之前，要考慮好 PCB 的疊層，不然會影響系統設計允許的返回路徑。

4 層 PCB 示例

上圖顯示了電路板各層的直觀表示。下圖詳細介紹了典型 PCB 的設置：

典型 PCB圖層

高性能數據收集系統通常應包含四層或更多層。輔助信號通常用在底層，而數字/模擬信號通常用在頂層。通過充當阻抗控制信號的參考層，第二層（也稱為接地層）可降低 IR 壓降并保護頂層的數字信號。電源層位于第三層。

由于它們提供了額外的層間電容，電源層和接地層必須彼此靠近，以便電源在高頻下解耦。

七

PCB 銅電阻

銅的電阻在混合信號 PCB 布局中也很重要，銅走線可以形成良好的互連和接地層。

大多數 PCB 使用 1 oz 銅，但高功率部分可能使用 2 或 3 oz銅。25℃時銅的電阻率為1.724X10 -6 Ω/cm。

常見的1盎司銅箔厚度為0.036 mm（0.0014 in），電阻為0.48 mΩ/平方。例如，PCB 上常用的 0.25 mm（10 mil）寬走線的電阻/長度約為 19 mΩ/cm（48 mΩin）。

PCB 走線電阻可能是混合信號 IC 的誤差源。對于具有 5 kΩ 輸入電阻的 16 位 ADC，通過 5 cm 0.25 mm寬的 1 oz銅驅動，軌道電阻為 0.1 Ω，并與 5 kΩ 負載形成分壓器，產生 0.1 的誤差/5 k（約 0.0019%），高于 16 位的 1 LSB (0.0015%)，如下所示：

PCB 走線電阻是混合信號 PCB 中的一個重要因素

在實際應用中可能更嚴重，因為這忽略了返回路徑和 25 °C 時銅的 0.4%/°C 溫度系數。在處理低阻抗精密電路時，銅的電阻對于成功的設計至關重要。

八

接地

01

單接地層

最好的辦法是對具有單個低數字電流 ADC 或 DAC 的混合信號系統使用單個實心接地層。

為了理解單個接地層的重要性，這里需要分析返回電流。術語“返回電流”描述了完成電路環路并流回地的電流。整個 PCB 布局中必須遵循每個返回路徑，以避免混合信號干擾。

使用實心接地層的系統的返回電流

上圖的簡單電路說明了單個實心接地層相對于多個接地層的優勢。存在與信號電流相等但相反的返回電流。當返回電流返回接地層中的源時，該返回電流將采用電阻最小的路徑。

電阻最小的路線（通常是設備接地參考之間的直線）將跟隨低頻傳輸的返回電流。然而，一部分返回電流將嘗試沿著信號通道返回以進行更高頻率的傳輸。這是因為沿該通道的輸出和返回電流之間產生的阻抗較低且環路較小。

02

獨立的模擬地和數字地

另一種典型的策略是將接地層分為兩半：模擬接地層和數字接地層。這適用于具有大量混合信號組件和高數字電流要求的更復雜的系統。下圖顯示了具有劃分接地層的系統的圖示。

使用分離接地層的系統的返回電流

消除接地層斷裂并允許返回電流采取更直接的路徑，通過星形接地結流回，是為具有單獨接地層的系統實現整體接地的最簡單方法。在混合信號布局中，模擬和數字接地層的交叉點稱為星形接地。

星形接地可以連接到常見系統中模擬和數字接地層之間的典型薄連續連接。對于更復雜的系統，通常通過將跳線分流到接地連接來執行星形接地。

由于星形接地沒有電流，因此不需要高載流接頭和跳線分流器。星形接地的主要功能是保證兩個接地的參考電平相同。

另一方面，由于星形接地還在一個位置連接兩個接地，因此具有 AGND 和 DGND 引腳的混合信號器件可以連接到各自的接地層。這將精密的模擬電路與高噪聲數字電流分開，這些電流通過數字電源，一直到達數字接地層，然后返回數字電源。

多層 PCB 必須實現 AGND 和 DGND 平面的完全隔離。

九

電磁干擾屏蔽

在解決了接地反彈、串擾、電源噪聲和其他干擾之后，電路扔可能遭受電磁干擾或 EMI。這可能會導致各種問題，例如：

無線通信的干擾

通訊中斷

傳感器數據損壞

部件故障

軟件錯誤和故障

處理 EMI 的有效方法之一是使用足夠量的金屬屏蔽。優選地，屏蔽應形成法拉第籠，從所有六個側面和接地層覆蓋電路。

盡管使用屏蔽可以阻止大部分傳入的 EMI，還必須解決熱冷卻問題，并允許信號輸入和輸出。

審核編輯：黃飛

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