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直流开关电源射频电路设计重点知识点解析

(1)直流开关电源线是EMI 出入电路的重要途径。通过直流开关电源线,外界的干扰可以传入内部电路,影响RF电路指标。为了减少电磁辐射和耦合,要求DC-DC模块的一次侧、二次侧、负载侧环路面积最小。直流开关电源电路不管形式有多复杂,其大电流环路都要尽可能小。直流开关电源线和地线总是要很近放置。


(2)如果电路中使用了开关直流开关电源,开关直流开关电源的外围器件布局要符合各功率回流路径最短的原则。滤波电容要靠近开关直流开关电源相关引脚。 使用共模电感,靠近开关直流开关电源模块。


(3)单板上长距离的直流开关电源线不能同时接近或穿过级联放大器(增益大于45dB)的输出和输入端附近。避免直流开关电源线成为RF信号传输途径,可能引起自激或降低扇区隔离度。长距离直流开关电源线的两端都需要加上高频滤波电容,甚至中间也加高频滤波电容。


(4)RF PCB的直流开关电源入口处组合并联三个滤波电容,利用这三种电容的各自优点分别滤除直流开关电源线上的低、中、高频。例如:10uf,0.1uf,100pf。并且按照从大到小的顺序依次靠近直流开关电源的输入管脚。


(5)用同一组直流开关电源给小信号级联放大器馈电,应当先从末级开始,依次向前级供电,使末级电路产生的EMI 对前级的影响较小。且每一级的直流开关电源滤波至少有两个电容:0.1uf,100pf。 当信号频率高于1GHz时,要增加10pf滤波电容。


(6)常用到小功率电子滤波器,滤波电容要靠近三极管管脚,高频滤波电容更靠近管脚。三极管选用截止频率较低的。如果电子滤波器中的三极管是高频管,工作在放大区,外围器件布局又不合理,在直流开关电源输出端很容易产生高频振荡。线性稳压模块也可能存在同样的问题,原因是芯片内存在反馈回路,且内部三极管工作在放大区。在布局时要求高频滤波电容靠近管脚,减小分布电感,破坏振荡条件。


(7)PCB的POWER部分的铜箔尺寸符合其流过的最大电流,并考虑余量(一般参考为1A/mm线宽)。


(8)直流开关电源线的输入输出不能交叉。


(9)注意直流开关电源退耦、滤波,防止不同单元通过直流开关电源线产生干扰,直流开关电源布线时直流开关电源线之间应相互隔离。直流开关电源线与其它强干扰线(如CLK)用地线隔离。


(10)小信号放大器的直流开关电源布线需要地铜皮及接地过孔隔离,避免其它EMI干扰窜入,进而恶化本级信号质量。


(11)不同直流开关电源层在空间上要避免重叠。主要是为了减少不同直流开关电源之间的干扰,特别是一些电压相差很大的直流开关电源之间,直流开关电源平面的重叠问题一定要设法避免,难以避免时可考虑中间隔地层。


(12)PCB板层分配便于简化后续的布线处理,对于一个四层PCB板(WLAN中常用的电路板),在大多数应用中用电路板的顶层放置元器件和RF引线,第二层作为系统地,直流开关电源部分放置在第三层,任何信号线都可以分布在第四层。


第二层采用连续的地平面布局对于建立阻抗受控的RF信号通路非常必要,它还便于获得尽可能短的地环路,为第一层和第三层提供高度的电气隔离,使得两层之间的耦合最小。当然,也可以采用其它板层定义的方式(特别是在电路板具有不同的层数时),但上述结构是经过验证的一个成功范例。

直流开关电源射频电路设计重点知识点解析

(13)大面积的直流开关电源层能够使Vcc布线变得轻松,但是,这种结构常常是引发系统性能恶化的导火索,在一个较大平面上把所有直流开关电源引线接在一起将无法避免引脚之间的噪声传输。反之,如果使用星型拓扑则会减轻不同直流开关电源引脚之间的耦合。

直流开关电源射频电路设计重点知识点解析

上图给出了星型连接的Vcc布线方案,该图取自MAX2826 IEEE 802.11a/g收发器的评估板。图中建立了一个主Vcc节点,从该点引出不同分支的直流开关电源线,为RF IC的直流开关电源引脚供电。每个直流开关电源引脚使用独立的引线在引脚之间提供了空间上的隔离,有利于减小它们之间的耦合。另外,每条引线还具有一定的寄生电感,这恰好是我们所希望的,它有助于滤除直流开关电源线上的高频噪声。


使用星型拓扑Vcc引线时,还有必要采取适当的直流开关电源去耦,而去耦电容存在一定的寄生电感。事实上,电容等效为一个串联的RLC电路,电容在低频段起主导作用,但在自激振荡频率(SRF):

 直流开关电源射频电路设计重点知识点解析

之后,电容的阻抗将呈现出电感性。由此可见,电容器只是在频率接近或低于其SRF时才具有去耦作用,在这些频点电容表现为低阻。

 直流开关电源射频电路设计重点知识点解析

给出了不同容值下的典型S11参数,从这些曲线可以清楚地看到SRF,还可以看出电容越大,在较低频率处所提供的去耦性能越好(所呈现的阻抗越低)。


在Vcc星型拓扑的主节点处最好放置一个大容量的电容器,如2.2μF。该电容具有较低的SRF,对于消除低频噪声、建立稳定的直流电压很有效。IC的每个直流开关电源引脚需要一个低容量的电容器(如10nF),用来滤除可能耦合到直流开关电源线上的高频噪声。对于那些为噪声敏感电路供电的直流开关电源引脚,可能需要外接两个旁路电容。例如:用一个10pF电容与一个10nF电容并联提供旁路,可以提供更宽频率范围的去耦,尽量消除噪声对直流开关电源电压的影响。每个直流开关电源引脚都需要认真检验,以确定需要多大的去耦电容以及实际电路在哪些频点容易受到噪声的干扰。


良好的直流开关电源去耦技术与严谨的PCB布局、Vcc引线(星型拓扑)相结合,能够为任何RF系统设计奠定稳固的基础。尽管实际设计中还会存在降低系统性能指标的其它因素,但是,拥有一个“无噪声”的直流开关电源是优化系统性能的基本要素。 

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