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功率電感:模擬電路和數(shù)字電路PCB設(shè)計的區(qū)別詳解(下)

2016/11/3

  模擬和數(shù)字領(lǐng)域布線策略的不同之處

   地平面是個難題

  電路板布線的基本知識既適用于模擬電路,也適用于數(shù)字電路。一個基本的經(jīng)驗準則是使用不間斷的地平面,這一常識降低了數(shù)字電路中的dI/dt(電流隨時間的變化)效應(yīng),這一效應(yīng)會改變地的電勢并會使噪聲進入模擬電路。數(shù)字和模擬電路的布線技巧基本相同,但有一點除外。對于模擬電路,還有另外一點需要注意,就是要將數(shù)字信號線和地平面中的回路盡量遠離模擬電路。這一點可以通過如下做法來實現(xiàn):將模擬地平面單獨連接到系統(tǒng)地連接端,或者將模擬電路放置在電路板的遠端,也就是線路的末端。這樣做是為了保持信號路徑所受到的外部干擾小。對于數(shù)字電路就不需要這樣做,數(shù)字電路可容忍地平面上的大量噪聲,而不會出現(xiàn)問題。

  圖4 (左)將數(shù)字開關(guān)動作和模擬電路隔離,將電路的數(shù)字和模擬部分分開。 (右) 要盡可能將高頻和低頻分開,高頻元件要靠近電路板的接插件。

  圖5 在PCB上布兩條靠近的走線,很容易形成寄生電容。由于這種電容的存在,在一條走線上的快速電壓變化,可在另一條走線上產(chǎn)生電流信號。

  圖6 如果不注意走線的放置,PCB中的走線可能產(chǎn)生線路感抗和互感。這種寄生電感對于包含數(shù)字開關(guān)電路的電路運行是非常有害的。

   元件的位置

  如上所述,在每個PCB設(shè)計中,電路的噪聲部分和“安靜”部分(非噪聲部分)要分隔開。一般來說,數(shù)字電路“富含”噪聲,而且對噪聲不敏感(因為數(shù)字電路有較大的電壓噪聲容限);相反,模擬電路的電壓噪聲容限就小得多。兩者之中,模擬電路對開關(guān)噪聲為敏感。在混合信號系統(tǒng)的布線中,這兩種電路要分隔開,如圖4所示。

   PCB設(shè)計產(chǎn)生的寄生元件

  PCB設(shè)計中很容易形成可能產(chǎn)生問題的兩種基本寄生元件:寄生電容和寄生電感。設(shè)計電路板時,放置兩條彼此靠近的走線就會產(chǎn)生寄生電容?梢赃@樣做:在不同的兩層,將一條走線放置在另一條走線的上方;或者在同一層,將一條走線放置在另一條走線的旁邊,如圖5所示。在這兩種走線配置中,一條走線上電壓隨時間的變化(dV/dt)可能在另一條走線上產(chǎn)生電流。如果另一條走線是高阻抗的,電場產(chǎn)生的電流將轉(zhuǎn)化為電壓。

  快速電壓瞬變常發(fā)生在模擬信號設(shè)計的數(shù)字側(cè)。如果發(fā)生快速電壓瞬變的走線靠近高阻抗模擬走線,這種誤差將嚴重影響模擬電路的精度。在這種環(huán)境中,模擬電路有兩個不利的方面:其噪聲容限比數(shù)字電路低得多;高阻抗走線比較常見。

  采用下述兩種技術(shù)之一可以減少這種現(xiàn)象。常用的技術(shù)是根據(jù)電容的方程,改變走線之間的尺寸。要改變的有效尺寸是兩條走線之間的距離。應(yīng)該注意,變量d在電容方程的分母中,d增加,容抗會降低?筛淖兊牧硪粋變量是兩條走線的長度。在這種情況下,長度L降低,兩條走線之間的容抗也會降低。

  另一種技術(shù)是在這兩條走線之間布地線。地線是低阻抗的,而且添加這樣的另外一條走線將削弱產(chǎn)生干擾的電場,如圖5所示。

  電路板中寄生電感產(chǎn)生的原理與寄生電容形成的原理類似。也是布兩條走線,在不同的兩層,將一條走線放置在另一條走線的上方;或者在同一層,將一條走線放置在另一條的旁邊,如圖6所示。在這兩種走線配置中,一條走線上電流隨時間的變化(dI/dt),由于這條走線的感抗,會在同一條走線上產(chǎn)生電壓;并由于互感的存在,會在另一條走線上產(chǎn)生成比例的電流。如果在條走線上的電壓變化足夠大,干擾可能會降低數(shù)字電路的電壓容限而產(chǎn)生誤差。并不只是在數(shù)字電路中才會發(fā)生這種現(xiàn)象,但這種現(xiàn)象在數(shù)字電路中比較常見,因為數(shù)字電路中存在較大的瞬時開關(guān)電流。

  為消除電磁干擾源的潛在噪聲,好將“安靜”的模擬線路和噪聲I/O端口分開。要設(shè)法實現(xiàn)低阻抗的電源和地網(wǎng)絡(luò),應(yīng)盡量減小數(shù)字電路導(dǎo)線的感抗,盡量降低模擬電路的電容耦合。

   小結(jié)

  數(shù)字和模擬范圍確定后,謹慎地布線對獲得成功的PCB至關(guān)重要。布線策略通常作為經(jīng)驗準則向大家介紹,因為很難在實驗室環(huán)境中測試出產(chǎn)品的終成功與否。因此,盡管數(shù)字和模擬電路的布線策略存在相似之處,還是要認識到并認真對待其布線策略的差別。

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