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如何在高频开关电源PCB板上同时安置RF电路和数字电路?

  1. 数字电路与模仿电路的潜在对立
    如果模仿电路(射频) 和数字电路(微控制器) 独自作业可能各自作业杰出,可是一旦将两者放在同一块电路板上,使用同一个电源供电一同作业,整个体系很可能就会不稳定。这首要是因为数字信号频频的在地和正电源(大小3 V) 之间摇摆,并且周期特别短,常常是ns 级的。因为较大的振幅和较小的切换时刻,使得这些数字信号包括很多的且独立于切换频率的高频成分。

    而在模仿部分,从天线调谐回路传到无线设备接纳部分的信号一般小于1μV。因而数字信号与射频信号之间的差别将抵达10-6(120 dB) 。明显,如果数字信号与射频信号不能很好的别离,弱小的射频信号可能遭到损坏,这样一来,无线设备作业性能就会恶化,乃至彻底不能作业。
      
    2.RF电路和数字电路做在同块高频开关电源PCB上的常见问题
    不能充沛的阻隔灵敏线路和噪声信号线是常常呈现的问题。如上所述,数字信号具有高的摆幅并包括很多高频谐波。如果高频开关电源PCB板上的数字信号布线邻近灵敏的模仿信号,高频谐波可能会耦合曩昔。RF器材的最灵敏节点一般为锁相环( PLL) 的环路滤波电路,外接的压控振荡器(VCO) 电感,晶振基准信号和天线端子,电路的这些部分应该特别细心处理。
    (1) 供电电源噪声
    因为输入/ 输出信号有几V 的摆幅,数字电路关于电源噪声(小于50 mV) 一般能够接受。而模仿电路关于电源噪声却适当灵敏,尤其是对毛刺电压和其他高频谐波。因而,在包括RF(或其他模仿) 电路的高频开关电源PCB 板上的电源线布线有必要比在一般数字电路板上布线愈加细心,应防止选用自动布线。一起也应留意到,微控制器(或其他数字电路) 会在每个内部时钟周期内短时刻俄然吸入大部分电流,这是因为现代微控制器都选用CMOS 工艺规划。因而,假定一个微控制器以1 MHz 的内部时钟频率运转,它将以此频率从电源提取(脉冲) 电流,如果不采纳合适的电源去耦,必将引起电源线上的电压毛刺。如果这些电压毛刺抵达电路RF 部分的电源引脚,严峻的可能导致作业失效,因而有必要确保将模仿电源线与数字电路区域离隔。
      
    (2) 不合理的地线
    RF 电路板应该总是布有与电源负极相连的地线层,如果处理不妥,可能发生一些古怪的现象。关于一个数字电路规划者来说这也许难于了解,因为即便没有地线层,大多数数字电路功用也体现杰出。而在RF 频段,即便一根很短的线也会如电感一样作用。大略核算,每mm 长度的电感量约为1 nH , 434 MHz 时10 mm高频开关电源PCB 线路的感抗约为27 Ω。如果不选用地线层,大多数地线将会较长,电路将无法确保规划特性
      
    (3) 天线对其他模仿部分的辐射
    在包括射频和其他部分的电路中,这一点经常被疏忽。除了RF部分,板上一般还有其他模仿电路。例如,许多微控制器内置模数转换器(ADC) 用于测量模仿输入以及电池电压或其他参数。如果射频发送器的天线位于此高频开关电源PCB邻近(或就在此高频开关电源PCB上) ,宣布的高频信号可能会抵达ADC的模仿输入端。不要忘掉任何电路线路都可能如天线一样宣布或接纳RF信号。如果ADC输入端处理不合理,RF信号可能在ADC输入的ESD二极管内自激,从而引起ADC的误差。
      
    3.RF电路和数字电路做在同块高频开关电源PCB上的处理方案
    以下给出在大多数RF 使用中的一些通用规划和布线战略。但是,遵从实践使用中RF 器材的布线主张更为重要。
    (1) 一个牢靠的地线层面
    当规划有RF 元件的高频开关电源PCB 时,应该总是选用一个牢靠的地线层。其意图是在电路中树立一个有用的0 V 电位点,使一切的器材简单去耦。供电电源的0 V 端子应直接衔接在此地线层。因为地线层的低阻抗,已被去耦的两个节点间将不会发生信号耦合。

    关于板上多个信号幅值可能相差120dB,这一点十分重要。在外表贴装的高频开关电源PCB上,一切信号布线在元件安装面的同一面,地线层则在其反面。抱负的地线层应掩盖整个高频开关电源PCB ( 除了天线高频开关电源PCB下方) 。如果选用两层以上的高频开关电源PCB,地线层应放置在邻近信号层的层上(如元件面的下一层) 。另一个好办法是将信号布线层的空余部分也用地线平面填充,这些地线平面有必要经过多个过孔与主地线层面衔接。需要留意的是:因为接地点的存在会引起周围的电感特性改动,因而挑选电感值和安置电感是有必要细心考虑的。
      
    (2) 缩短与地线层的衔接间隔
    一切对地线层的衔接有必要尽量短,接地过孔应放置在(或十分接近) 元件的焊盘处。决不要让两个地信号共用一个接地过孔,这可能导致因为过孔衔接阻抗在两个焊盘之间发生串扰。
      
    (3) RF 去耦
    去耦电容应该放置在尽可能接近引脚的位置,每个需要去耦的引脚处都应选用电容去耦。选用高品质的陶瓷电容,介电类型最好是“ NPO” , “ X7R” 在大多数使用中也能较好作业。抱负的挑选电容值应使其串联谐振等于信号频率。

    例如434MHz时,SMD贴装的100pF电容将杰出作业,此频率时,电容的容抗约为4Ω,过孔的感抗也在相同规模。串联的电容和过孔关于信号频率构成一个陷波滤波器,使之能有用的去耦。868MHz时,33pF电容是一个抱负的挑选。除了RF去耦的小值电容,一个大值电容也应放置在电源线路上去耦低频,可挑选一个2. 2 μF陶瓷或10μF的钽电容。
      
    (4) 电源的星形布线
    星形布线是模仿电路规划中众所周知的技巧(如图1所示) 。星形布线———电路板上各模块具有各自的来自公共供电电源点的电源线路。在这种情况下,星形布线意味着电路的数字部分和RF 部分应有各自的电源线路,这些电源线应在接近IC 处置别去耦。这是一个离隔来自数字
    如何在高频开关电源PCB板上同时安置RF电路和数字电路?

  2. 部分和来自RF 部分电源噪声的有用办法。如果将有严峻噪声的模块置于同一电路板上,能够将电感(磁珠) 或小阻值电阻(10 Ω) 串联在电源线和模块之间,并且有必要选用至少10 μF 的钽电容作这些模块的电源去耦。这样的模块如RS 232 驱动器或开关电源稳压器。

    (5) 合理安排高频开关电源PCB 布局
    为减小来自噪声模块及周边模仿部分的搅扰,各电路模块在板上的布局是重要的。应总是将灵敏的模块( RF部分和天线) 远离噪声模块(微控制器和RS 232 驱动器)以防止搅扰。
      
    (6) 屏蔽RF 信号对其他模仿部分的影响
    如上所述,RF 信号在发送时会对其他灵敏模仿电路模块如ADC 造成搅扰。大多数问题发生在较低的作业频段(如27 MHz) 以及高的功率输出水平。用RF 去耦电容(100p F) 衔接到地往来不断耦灵敏点是一个好的规划习气。
      
    (7) 在板环形天线的特别考虑
    天线能够全体做在高频开关电源PCB 上。对比传统的鞭状天线,不仅节约空间和生产成本,组织上也更安定牢靠。常规中,环形天线(loop antenna) 规划使用于相对较窄的带宽,这有助于抑制不需要的强信号以免搅扰接纳器。应留意到环形天线(正如一切其他天线) 可能收到由邻近噪声信号线路容性耦合的噪声。它会搅扰接纳器,也可能影响发送器的调制。

    因而在天线邻近必定不要布数字信号线路,并主张在天线周围保持自由空间。接近天线的任何物体都将构成调谐网络的一部分,而导致天线调谐违背料想的频点,使收发辐射规模(间隔) 减小。关于一切的各类天线有必要留意这一现实,电路板的外壳(外围包装) 也可能影响天线调谐。一起应留意去除天线面积处的地线层面,不然天线不能有用作业。
      
    (8) 电路板的衔接
    如果用电缆将RF电路板衔接到外部数字电路,应使用双绞线缆。每一根信号线有必要和GND线双绞在一同(DIN/ GND,DOUT/ GND,CS/ GND,PWR _ UP/GND) 。切记将RF电路板和数字使用电路板用双绞线缆的GND线衔接起来,线缆长度应尽量短。给RF电路板供电的线路也有必要与GND 双绞(VDD/GND) 。
      
    4.结论
    迅速发展的射频集成电路为从事无线数字音频、视频数据传输体系,无线遥控、遥测体系,无线数据收集体系,无线网络以及无线安全防备体系等规划的工程技术人员处理无线使用的瓶颈供给了最大的可能。

    一起,射频电路的规划又要求规划者具有必定的实践经历和工程规划能力。本文是在实践开发中总结的经历,期望能够协助很多射频集成电路开发者缩短开发周期,防止走不必要的弯路,节约人力和财力。

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