優(yōu)秀網(wǎng)文分享,作者:百芯 EMA
今天給大家分享的是:混合PCB 布局技巧,包括:組件放置、電路板分層,接地等注意事項。
一、元器件放置
在元器件放置的時(shí)候要遵循原理圖的信號路徑,還需要為走線(xiàn)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(shí)現電源完整性
去耦電容應盡可能靠近各個(gè)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(shí)鐘發(fā)生器和控制器)應放置在電路板的中心
元器件放置
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(kāi),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(gè)示例。在劃分模擬部分和數字部分時(shí),應牢記以下幾點(diǎn):
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(shí)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(lèi)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(kāi)。換句話(huà)說(shuō),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(chǎn)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(xiàn)自然會(huì )遵循正確的路徑。但是,在跟蹤路由時(shí)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(gè)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(guò)使用短、直接和寬的走線(xiàn)來(lái)減少電源布線(xiàn)中的電感
在布線(xiàn)走線(xiàn)和過(guò)孔時(shí)不要創(chuàng )建天線(xiàn)
電源布線(xiàn)應該短、緊湊并且應該有寬走線(xiàn)
布線(xiàn)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(xiàn)
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(lái)說(shuō),電源模塊必須靠近其供電的組件,同時(shí)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(shí),可以為模擬和數字部分使用專(zhuān)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(xiàn)應短而直,并使用寬走線(xiàn)。
電源模塊
五、解耦
為了滿(mǎn)足系統所需的性能,工程師必須考慮的關(guān)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(jìn)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(shí)有一個(gè)低噪聲環(huán)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(guò)充當瞬態(tài)電流的電荷庫來(lái)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(lián)電感,應使用過(guò)孔或短線(xiàn)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(gè)輸出同時(shí)切換時(shí)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(guò)一英寸(平均10F至100F)。
可以使用靠近器件 GND 引腳的過(guò)孔將去耦電容T形連接到接地層,以簡(jiǎn)化結構而不是構建走線(xiàn)。
具體的可以看下圖:
電源引腳的去耦技術(shù)
六、PCB 分層
在PCB布線(xiàn)之前,要考慮好 PCB 的疊層,不然會(huì )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(guān)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(guò)充當阻抗控制信號的參考層,第二層(也稱(chēng)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。
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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(xiàn)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(shí)銅的電阻率為1.724X10 -6 Ω/cm。
常見(jiàn)的1盎司銅箔厚度為0.036 mm(0.0014in),電阻為0.48 mΩ/平方。例如,PCB 上常用的 0.25 mm(10 mil)寬走線(xiàn)的電阻/長(cháng)度約為 19 mΩ/cm(48 mΩin)。
PCB 走線(xiàn)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(guò) 5 cm 0.25 mm寬的 1 oz銅驅動(dòng),軌道電阻為 0.1 Ω,并與 5 kΩ 負載形成分壓器,產(chǎn)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(xiàn)電阻是混合信號 PCB 中的一個(gè)重要因素
在實(shí)際應用中可能更嚴重,因為這忽略了返回路徑和 25 °C 時(shí)銅的 0.4%/°C 溫度系數。在處理低阻抗精密電路時(shí),銅的電阻對于成功的設計至關(guān)重要。
八、接地
1、單接地層
最好的辦法是對具有單個(gè)低數字電流 ADC 或 DAC 的混合信號系統使用單個(gè)實(shí)心接地層。
為了理解單個(gè)接地層的重要性,這里需要分析返回電流。術(shù)語(yǔ)“返回電流”描述了完成電路環(huán)路并流回地的電流。整個(gè) PCB 布局中必須遵循每個(gè)返回路徑,以避免混合信號干擾。
使用實(shí)心接地層的系統的返回電流
上圖的簡(jiǎn)單電路說(shuō)明了單個(gè)實(shí)心接地層相對于多個(gè)接地層的優(yōu)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(shí),該返回電流將采用電阻最小的路徑。
電阻最小的路線(xiàn)(通常是設備接地參考之間的直線(xiàn))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(zhù)信號通道返回以進(jìn)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(chǎn)生的阻抗較低且環(huán)路較小。
2、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(guò)星形接地結流回,是為具有單獨接地層的系統實(shí)現整體接地的最簡(jiǎn)單方法。在混合信號布局中,模擬和數字接地層的交叉點(diǎn)稱(chēng)為星形接地。
星形接地可以連接到常見(jiàn)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(guò)將跳線(xiàn)分流到接地連接來(lái)執行星形接地。
由于星形接地沒(méi)有電流,因此不需要高載流接頭和跳線(xiàn)分流器。星形接地的主要功能是保證兩個(gè)接地的參考電平相同。
另一方面,由于星形接地還在一個(gè)位置連接兩個(gè)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(kāi),這些電流通過(guò)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(shí)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(huì )導致各種問(wèn)題,例如:
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(yōu)選地,屏蔽應形成法拉第籠,從所有六個(gè)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(wèn)題,并允許信號輸入和輸出。
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