高频电路在PCB设计中的特殊对策

  引言
  随着现代电子工业的高速发展,数字、高频电路正向高速、低耗、小体积、高抗干扰性方向发展,这样就给PCB (印制电路板、印刷线路板)设计提出了更高的要求。而Protel 99SE 设计系统完全利用了Windows XP和Windows2000 平台的优势,其核心PCB 模块的超强设计环境使得设计工作能更有效地实现其设计要求。对于从事高频电路设计人员来说,已不再是简单的要求PCB 的布通率,而是要求设计人员在有扎实的理论知识及丰富的PCB 设计经验基础上,从电路的工作特点和实际工作环境等方面去考虑其设计,只有这样我们才能制作出理想的PCB 来。
  本文针对高频电路在PCB设计过程中的布局、布线两个方面,以Protel 99SE软件为例,来探讨一下高频电路在PCB 设计过程中的对策及设计技巧。
  一、高频PCB 布局
  布局操作在整个PCB设计中是很重要的,布局是布线操作的基础,要达到完美的元器件布局,设计人员就需要从电路工作特点和走线的角度来思考元件的布局。
  Protel 99SE 有自动布局的功能,具有集群式和统计式布局二种功能,但它并不能完全满足高频电路的工作要求,设计人员还需从PCB 的可制造性、机械结构、散热、EMI(电磁干扰)、可靠性、信号的完整性等方面综合考虑布局,只有这样才能有效地提高PCB的寿命、稳定性、EMC(电磁兼容),才能使得布局更加完美。
  对于高频电路的布局,设计人员应首先考虑对那些与结构紧密配合并且位置固定的元器件(例如电源插座、指示灯、连接件和开关等)进行布局,之后对线路上的特殊元件进行布局(例如发热元件、变压器、芯片等),最后对一些小器件进行布局。同时,要兼顾布线方面的要求,高频元器件的放置要尽量紧凑,信号线的布线才能尽可能短,从而尽可能降低信号线的交叉干扰。
  1 、机械结构方面
  电源插座、指示灯、连接件和开关等都属于此类元器件,都是与机械尺寸有关的定位插件。通常,电源与PCB 之间的接口放到 PCB的边缘处 ,与 PCB 边缘要的距离一般不小于2mm;指示发光二极管应根据需要准确地放置;开关和一些微调元器件,如可调电感、可调电阻等应放置在靠近 PCB 边缘的位置,以便于调整和连接;需要经常更换的元器件必须放置在器件比较少的位置,以易于更换。质量超过15g 的元器件应当用支架固定,又大又重的元件不宜直接安放到PCB 上。
  2 、散热方面
  大功率管、变压器、整流管等发热器件,在高频状态下工作时产生的热量较多,在布局时应充分考虑通风和散热,将这类元器件放置在 PCB 边缘或通风处,竖放的板子,发热元件应放到板子上部,双面板的底层不得放置发热元件。大功率整流管和调整管等应装有散热器,并要远离变压器。电解电容器之类怕热的元件也应远离发热器件,否则电解液会被烤干,造成其电阻增大,性能变差,影响电路的稳定性。
  3、特殊元件的布局
  由于电源设备内部会产生50Hz泄漏磁场,当它与低频放大器的某些部分交连时,会对低频放大器产生干扰。因此,必须将它们隔离开或者进行屏蔽处理。
  放大器各级最好能按原理图排成直线形式,如此排法的优点是各级的接地电流就在本级闭合流动,不影响其他电路的工作。输入级与输出级应尽可能地远离,减小它们之间的寄生耦合干扰。考虑各个单元功能电路之间的信号传递关系,还应将低频电路和高频电路分开,模拟电路和数字电路分开。集成电路应放置在 PCB 的中央,这样方便各引脚与其他器件的布线连接。
  电感器、变压器等器件具有磁耦合,彼此之间应采用正交放置,以减小磁耦合。另外,它们都有较强的磁场,在其周围应有适当大的空间或进行磁屏蔽,以减小对其他电路的影响。
  4 、电磁干扰
  我们常用的消除电磁干扰的方法有减小环路、滤波、屏蔽、尽量降低高频器件的速度、增加PCB 的介电常数等方法。
  如集成电路的去耦电容要尽量就近放置,一般工作频率在10MHz 以下的用0.1uF 的电容,10MHz 以上的用0.01uF 的电容。
  某些元件或导线间有较高的电位差,应加大距离,以免放电。带高压元件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。易互相干扰的元器件不能靠得太近,输入、输出元器件应尽可能远离,避免反馈干扰。高频元器件为减小分布参数,一般就近安放(不规则排列)一般电路(低频电路)应按规则排列,便于装焊。
  二、高频PCB 布线
  高频电路往往集成度较高、布线密度大,采用多层板既是布线所必须的也是降低干扰的有效手段,Protel 99SE 的PCB系统能提供32 个信号层、16 个机械层以及防焊层、锡膏层等70 多个工作层供用户选择。合理选择层数能大幅度降低PCB 尺寸,能充分利用中间层来设置屏蔽能更好地实现就近接地,能有效地降低寄生电感,能有效缩短信号的传输长度能大幅度地降低信号间的交叉干扰等等。 所有这些都对高频电路工作的可靠性有利,有资料显示,同种材料时,四层板要比双面板的噪声低 20dB,但是板层数越高,制造工艺越复杂,成本越高。
  1 、布线一般原则
  高频电路器件管脚间的导线越短越好,弯折越少越好,导线最好采用全直线,应尽量避免急剧的弯曲和尖角出现,需要转折,应用圆弧或折线过渡。这种要求在低频电路中仅仅用于提高钢箔的固着强度,而在高频电路中满足这一要求却可以减少高频信号对外的发射和相互间的耦合。高频电路布线中最好在相邻层分别取水平和竖直布线交替进行,同一层内的平行走线无法避免,但可以在PCB 反面大面积敷设地线来降低干扰,针对常用的双面板,多层板可利用中间的电源层来实现这一功能。
  2 、电源线与地线布线
  多级电路为防止局部电流产生地阻干扰,各级电路应分别一点接地(或尽量集中接地),高频电路在3 0 M H z 以上时,则采用大面积接地,这时各级的内部元件也应集中一小块区域接地。易受干扰器件和线中可用地线包围,各类信号走线不能形成环路,地线也不能形成电流环路,电源线和地线应靠近,尽量减小围出的面积,以降低电磁干扰。一般在布线时,导线宽度在12-80mil 之间,电源线一般取20mil-40mil,地线一般取40mil 以上,在可能的情况下,导线尽量宽些。
  模拟地线、数字地线等接往公共地线时要用高频扼流环节,在实际装配高频扼流环节时用的往往是中心孔穿有导线的高频铁氧体磁珠,在电路原理图上对它一般不予表达,由此形成的网络表就不包含这类元件,布线时就会因此而忽略它的存在,针对此现实,可在原理图中把它当作电感,在PCB 元件库中单独为它定义一个元件封装,布线前把它手工移动到靠近公共地线汇合点的合适位置上。
  3 、集成芯片的布线
  每个集成电路块的附近应设置一个高频退耦电容,由于Protel 99SE 软件在自动放置元件时并不考虑退耦电容与被退耦的集成电路间的位置关系,任由软件放置,使两者相距太远,退耦效果不好,这时必须用手工移动元件的办法事先干预两者位置,使之靠近。
  4 、敷铜
  敷铜的主要目的是提高电路的抗干扰能力,同时对于PCB 散热和 PCB 的强度有很大好处,敷铜接地又能起到屏蔽的作用。但是不能使用大面积条状铜箔,因为在 PCB的使用中时间太长时会产生较大热量,此时条状铜箔容易发生膨胀和脱落现象,因此,在敷铜时最好采用栅格状铜箔,并将此栅格与电路的接地网络连通,这样栅格将会有较好的屏蔽效果,栅格网的尺寸由所要重点屏蔽的干扰频率而定。
  三、结束语
  高频电路PCB的设计过程一个复杂的过程,除了以上探讨的设计对策,还包括信号串扰在内的信号完整性、如何抑制噪声等问题,因此需要设计者在设计的时候要有全面的规划与考虑,在设计周期的各个阶段采用不同的方法技术来确保设计的精准,从而设计出合理的,性能优良的高频PCB来。

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