[技术文章]PCB设计中的思想和方法系列之一—将理论知识串联起来(回流路径的重要性) [复制链接]

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提示：会员销售的附件,下载积分 = 版块积分 + 销售积分只看楼主倒序阅读使用道具 0楼发表于: 2012-05-07

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前一段时间花了大量精力录制pads系列教程，重心放在提速方面，同时也介绍了padshelper软件，也旨在提速，那么提高效率，节省时间是来干嘛呢？是用来学习和总结，将时间用在将已有的知识系统化，并且找到自己知识结构的不足之处，尽快学习思考起来，以防有一天用到时，措手不及！
那么这段时间就分享一些设计PCB的思想和方法。
为什么不想说分享一些PCB方面的理论，PCB设计方面的理论很多很多，我的电脑里有几G的资料，可是真正能系统的应用到实际设计中需要很多“理论”以外的思想和方法来支持，为什么？因为设计一个PCB，一是有时间要求，在时间这个大前提下，很多工作紧锣密鼓的进行，如果有适当的方法和清晰的思路，那么能面面俱到，否则，就有杂乱无章、毫无头绪的感觉，那么设计出来的东西当然是容易有瑕疵。二是PCB本身涉及的知识很多，很杂，如果没有系统化的知识架构和清晰的工作流程，很难调动你的知识库，往往给你在一个“点”上的思考和设计时间很少很少。在如此短的时间内，如果你的知识不系统，就相当于你的知识没有被贴上标签，那么是无法“搜索出”适当的知识并加以应用。
今天，我就来谈谈怎样将理论知识贴上标签，或者将各种各样的素材分门别类。今天就以“回流路径”举例。
我们先来看网上的两篇文章，姑且不说他们分析的是否全面，我们着重分析的是怎样利用这些文章来帮助我们“串”起来我们对于回流路径的理解和帮助我们在实践中应用。

高速电路PCB的地弹

如图所示为一完整信号回路，U1为驱动器；U2为接收器；L1、L3分别为元件UI信号输出引脚和地引脚的封装电感；L2、L4分别为元件U2信号输出引脚和地引脚的封装电感。考虑一种简单的情况，信号路径的参考平面为器件UI、U2的“地”，而且元件的信号引脚和地引脚距离不紧邻。
图片:2010-08-11-13-03-38.png

地弹产生机理
根据基本电磁定律，当回路中有电流通过时，信号路径和返回路径周围都会产生磁力线圈，其中一条路径周围的磁力线｀总匝数是由该路径中电流所产生的磁力线圈（自磁力线圈）和其周围其他电流路径所产生的磁力线圈（互磁力线圈）两部分组成。也就是说信号电流流经的导体存在电感，而且其总电感由两部分组成：自感和互感。两个路径的电流方向相反，磁力线圈的方向也相反，所以，一条路径的总电感是自感和互感之差。如果信号路径的自感为LA；返回路径的自感为LB；两者之间的互感为LAB；则信号路径和返回路径的总电感分别为

如果回路的电流发生变化，所有的电感两端都会产生一个感应电压。在回路径上所产生的电压为地弹（Ground Bounce），地弹电压取决于电流变化的快慢，大小为

地弹是返回路径上两点之间的电压，它是因回路中快速变化的电流而产生的。地弹对驱动端影响不大，主要影响接收，相当于叠加在接收信号上的噪声。若有多个输出门同时转换状态，则地弹噪声将增加若干倍，也就是同步开关噪声。
减小地弹电压只有两个途径：
· 尽量减小回路电流的变化。这就意味着降低边沿变化率和限制共用返回路径的信号路径数目；
· 其次，尽可能减小返回路径电感。减小返回路径电感包括两个方面：减小返回路径的自感和增大信号路径与返回路径之间的互感。减小自感，意味着使返回路径尽可能宽松：而增大互感就意味着使返回路径和信号路径尽可能地靠近。
下面是一些具体措施：
· 使用多层板布局电源和地参考平面，将元件的电源引脚和地引脚直接焊在平面上，确保最低的电源或地引脚电感和阻抗；
· 尽量使用低开关速度的元件；
· 对于元件，封装时可增加地引脚，为功率级另外分配电源引脚，为输入电路分配一个地参考引脚；
· 采用查分输入方式；
· 避免使用插座和绕线板；
· 去耦电容尽量靠近元件的地引脚。
地弹是逻辑元件产生的噪声源，由于信号的边沿速率和电压开关的速度越来越快，地弹有时候会成为一个严重的问题，在设计时应多加注意。
信息来源维库电子市场网（www.dzsc.com）

谈谈手机PCB的电磁兼容

现在做电路研发，实现一项功能也许不是难事，但是要有让有这项功能的电路在任何恶劣的环境下都能正常并安全的运行却并不容易，因为通了电的产品，就会有电和磁的干扰。
手机，是现今人人都不能缺少的东西，他给人带来沟通的方便…虽然现在的手机都是具有多项的附加娱乐功能，但是作为一台手机最主要的还是它的通话功能，如果通话功能都保证不了，那我想它可能只是一台mp3,mp4,照相机，或者是一台很炫的跑马灯…每个人都不希望自己用的手机信号差，通话噪音，频繁死机等等问题…
手机是射频，模拟电路，数字电路集合于一身的电子产品，因此电磁兼容问题是它的一大难题，在用的电路和芯片都一样的情况下，怎样能保证电磁兼容呢？这无疑是来自于你的内部结构和PCB的设计…
作为一名手机PCB设计者，你所做的事情并不是来自于单纯的走线和元件布局，元件布的整整齐齐，线路走的整整齐齐，并不能代表电磁兼容性就越好；你需要考虑结构因素和电路原理因素可能造成的电磁干扰来设计你的PCB,也许一些产品的限制导致你不能选择最好的设计方法，但是你可以根据你的经验来做折衷的设计，把干扰降到最少，这也是属于成功的设计…
首先，我们来谈谈干扰是如何产生的，它来自于三个要点：
1.干扰源  2.被干扰源 3.干扰信号所传输的路径
这三个要点只要去除了一个就可以完全的消灭干扰，但是只要去除了一个就会让电路无法实现功能，你想想，干扰源有可能是手机的射频pa,被干扰源有可能是基带，干扰源有可能也是被干扰源，而干扰传输的路径有可能是走线，也有可能是空气，这些东西一个都不能少，所以，只能采取尽量避免的方式…
知道了这三个要点，我们就可以明确达到电磁兼容的方向，光知道方向还不够，还需知道具体避免的方法，什么样的情况采取什么样的方法来避免，这需要你对结构和电路都具有一定的了解和一些失败成功经验的积累…在这里，我就来说说我设计一块手机PCB的过程细节…籍此来作为讨论的重点，欢迎大家交流以互相提高。
当拿到原理图和结构图的同时，并不要急于布局和画线，哪怕老板死盯着你催，也要先理清自己的思路…只有保证自己不被干扰才能设计出不被干扰的PCB；    首先，看结构；手机PCB的布局分为大体布局和细节布局，而结构的堆叠就是属于大体的布局指引，大体布局往往很重要，不仅决定了每个电路模块的位置和可布空间，更决定了电源和回路的完整性，在结构图中对于PCB设计者最重要的就是电池连接器的位置，电池连接器是电源和回路的起点和终点，要知道手机的地平面层并不是绝对的地平面，如果大功率环路占用的面积过大势必会影响到其他的电路；
手机电路模块里，功率最大的就是射频PA,它不仅功率最大，而且是高频模拟电路部分，干扰的可能性也最大，所以,最优化的大体布局是：最靠近电池连接器的应该是射频PA,电池连接器和射频PA之间不能有任何电路模块，其他电路模块应该是在电池连接器的另一端；     当然，这只是最优化的大体布局，现实中由于产品结构的限制，并不能把射频PA靠电池连接器最近已达到大功率高频环路的最短化，有的甚至还要在它们之间放很多其他的电路模块！这个时候我们不得不再次考虑大体布局了，需要思考的是：什么电路模块容易被干扰？什么不容易被干扰？模拟电路的被干扰可能性往往大于数字电路，第一个想到的无疑是音频PA，音频PA不能放置于电池连接器和射频PA之间，否则射频PA的高频回路会串到音频PA的回路中从而产生免提噪音，第二就是BB主芯片，BB主芯片内部也包含了音频处理部分，如果它的回路也被串入高频回路也会产生通话噪音，有条件的情况下我们应该尽量保证射频PA回路的纯净，当然，大部分情况下都是没有条件的，这个时候我们可以放一些不容易被干扰的电路在这条高频回路上，比如TP和双卡模块等等…但是有的时候，大的空间往往是在这条高频回路上，那怎么办呢？
这个时候你需要和结构沟通能不能改进，如果实在不能改进，那只有采取更折衷的设计了，电流的回路往往是选择阻抗最低的那条的，虽然，手机板的主回路是一个地平面层，但是在这个平面上还是会有高低不同的电位，射频PA和电池连接器离得再远，电流回路还是会选择PA主接地管脚到电池连接器负极这两点之间的直线，功率越大这条直线回路的宽度也就越大，GSM PA的电源线一般是大于2个毫米，所以我们考虑这条回路直线也应该大于2个毫米，所以在这个直线范围之内尽量不要串入其他容易被干扰电路的回路，音频PA和BB主芯片的回路应该尽量远离这条直线；
从以上的段落分析，我们可以得出次于最优化大体布局的另外两个大体布局方案：1.射频PA远离电池连接器的情况下，把音频PA靠和基带主芯片近于电池连接器的另一端或者一侧；2.无法将音频PA靠和基带主芯片近于电池连接器的另一端或者一侧的情况下，请将这部分电路的回路尽量远离射频回路到电池连接器的那条直线。
大体布局另外一个需要注意的是需要留出尽量不放任何器件和足够大的天线位置，当然这方面结构和硬件都已有所考虑，所以这里就不再累赘了…
第一篇文章主要讲述了地弹得产生，但是其中很好的分析了回流路径的概念，大家注意到其中有一个图片，这里说下图片的重要性，科学分析人脑对图片的记忆力远远大于文字，也就是当你要用到某个理论时，往往能通过图片唤醒他，进而慢慢想起所有的信息。那么在这篇文章中一个很简单的图片，可能能帮助你很好的记忆所有这篇文章中的文字。
那么第二篇文章是讲述了在手机设计中电磁兼容设计要考虑的一些问题，其中也着重阐述了回流路径对于音频模块和基带模块干扰的重要性。
最后我们再结合自己的实践来看看是否真的如此。
前两个设计有TDD，后面一个设计无TDD，读者自行结合前两篇文章自己分析，不再赘述。
图片:12.jpg

图片:2.jpg

图片:3.jpg

（很多读者问我关于pads设计提速的视频教程是否做完了，细心的读者可以发现只是做了些很初步的提速，后续肯定是要继续做的，只是我想再总结一段时间，做出更实用一些的提速技巧视频，方便给同行业使用pads的朋友一个质的飞跃。具体推出时间可能是10月份以后了。）