功率电感:PCB布局中电感的排列方向(上)

发布时间:2017/3/6 9:00:06

工业、科学和医疗射频(ISM-RF)产品的无数应用表明,这些产品的印制板(PCB)布局很容易出现各种缺陷。人们时常发现相同IC安装到两块不同电路板上,所表现的性能指标会有显著差异。工作条件、谐波辐射、抗干扰能力,以及启动时间等等诸多因素的变化,都能说明电路板布局在一款成功设计中的重要性。

本文罗列了各种不同的设计疏忽,探讨了每种失误导致电路故障的原因,并给出了如何避免这些设计缺陷的建议。本文以FR-4电介质、厚度0.0625in的双层PCB为例,电路板底层接地。工作频率介于315MHz到915MHz之间的不同频段,Tx和Rx功率介于-120dBm至+13dBm之间。

其中大多数问题源于少数几个常见原因,我们将对此逐一讨论。

电感方向

当两个功率电感(甚至是两条PCB走线)彼此靠近时,将会产生互感。个电路中的电流所产生的磁场会对第二个电路中的电流产生激励。这一过程与变压器初级、次级线圈之间的相互影响类似。当两个电流通过磁场相互作用时,所产生的电压由互感LM决定:

式中,YB是向电路B注入的误差电压,IA是在电路A作用的电流1。LM对电路间距、电感环路面积(即磁通量)以及环路方向非常敏感。因此,紧凑的电路布局和降低耦合之间的平衡是正确排列所有电感的方向。

 

由磁力线可以看出互感与电感排列方向有关

 

对电路B的方向进行调整,使其电流环路平行于电路A的磁力线。为达到这一目的,尽量使电感互相垂直,请参考低功率FSK超外差接收机评估(EV)板(MAX7042EVKIT)的电路布局。该电路板上的三个电感(L3、L1和L2)距离非常近,将其方向排列为0°、45°和90°,有助于降低彼此之间的互感。

 

图中所示为两种不同的PCB布局

 

综上所述,应遵循以下原则:

电感间距应尽可能远。

电感排列方向成直角,使电感之间的串扰降至。

引线耦合

如同电感排列方向会影响磁场耦合一样,如果引线彼此过于靠近,也会影响耦合。这种布局问题也会产生所谓的互感。RF电路最关心问题之一即为系统敏感部件的走线,例如输入匹配网络、接收器的谐振槽路、发送器的天线匹配网络等。

返回电流通路须尽可能靠近主电流通道,将辐射磁场降至。这种布局有助于减小电流环路面积。返回电流的理想低阻通路通常是引线下方的接地区域—将环路面积有效限制在电介质厚度乘以引线长度的区域。但是,如果接地区域被分割开,则会增大环路面积。对于穿过分割区域的引线,返回电流将被强制通过高阻通路,大大提高了电流环路面积。这种布局还使电路引线更容易受互感的影响。

 

完整的大面积接地有助于改善系统性能

 

对于一个实际电感,引线方向对磁场耦合的影响也很大。如果敏感电路的引线必须彼此靠近,将引线方向垂直排列,以降低耦合。如果无法做到垂直排列,则可考虑使用保护线。关于保护线的设计,请参考以下接地与填充处理部分。

 

表示可能存在的磁力线耦合

 

综上所述,布板时应遵循以下原则:

引线下方应保证完整接地。

敏感引线应垂直排列。

如果引线必须平行排列,须确保足够的间距或采用保护线。

接地过孔

上一篇:功率电感:PCB布局中电感的排列方向(下)
下一篇:功率电感:单片肖特基二极管在电源管理环境中的产品优势