中心議題：

• 電感方向
  、引線耦合等常見PCB設計疏忽及解決建議

工業、科學和醫療射頻（ISM-RF）產品的無數應用案例表明，這些產品的印製板（PCB）布局很容易出現各種缺陷。人們時常發現相同IC安裝到兩塊不同電路板上，所表現的性能指標會有顯著差異。工作條件、諧波輻射、抗幹擾能力，以及啟動時間等等諸多因素的變化，都能說明電路板布局在一款成功設計中的重要性。

本(ben)文(wen)羅(luo)列(lie)了(le)各(ge)種(zhong)不(bu)同(tong)的(de)設(she)計(ji)疏(shu)忽(hu)，探(tan)討(tao)了(le)每(mei)種(zhong)失(shi)誤(wu)導(dao)致(zhi)電(dian)路(lu)故(gu)障(zhang)的(de)原(yuan)因(yin)
，其(qi)中(zhong)大(da)多(duo)數(shu)問(wen)題(ti)源(yuan)於(yu)少(shao)數(shu)幾(ji)個(ge)常(chang)見(jian)原(yuan)因(yin)

，我(wo)們(men)將(jiang)對(dui)此(ci)逐(zhu)一(yi)討(tao)論(lun)，並(bing)給(gei)出(chu)如(ru)何(he)避(bi)免(mian)這(zhe)些(xie)設(she)計(ji)缺(que)陷(xian)的(de)建(jian)議(yi)。本(ben)文(wen)以(yi)FR-4電介質
、厚度0.0625in的雙層PCB為例，電路板底層接地。工作頻率介於315MHz到915MHz之間的不同頻段，Tx和Rx功率介於-120dBm至+13dBm之間。

電感方向

當兩個電感（甚至是兩條PCB走線）彼此靠近時，將會產生互感。第一個電路中的電流所產生的磁場會對第二個電路中的電流產生激勵（圖1）。這一過程與變壓器初級、次級線圈之間的相互影響類似。當兩個電流通過磁場相互作用時
，所產生的電壓由互感LM決定：

式中，YB是向電路B注入的誤差電壓
，IA是在電路A作用的電流1。LM對電路間距、電感環路麵積（即磁通量）以及環路方向非常敏感。因此，緊湊的電路布局和降低耦合之間的最佳平衡是正確排列所有電感的方向。

圖1. 由磁力線可以看出互感與電感排列方向有關

對電路B的方向進行調整

，使其電流環路平行於電路A的磁力線。為達到這一目的，盡量使電感互相垂直，請參考低功率FSK超外差接收機評估（EV）板（MAX7042EVKIT）的電路布局（圖2）。該電路板上的三個電感（L3、L1和L2）距離非常近，將其方向排列為0°、45°和90°，有助於降低彼此之間的互感。

圖2. 圖中所示為兩種不同的PCB布局，其中一種布局的元件排列方向不合理（L1和L3），另一種的方向排列則更為合適。

綜上所述

，應遵循以下原則：

• 電感間距應盡可能遠。
• 電感排列方向成直角
  ，使電感之間的串擾降至最小。 [page]

引線耦合

如同電感排列方向會影響磁場耦合一樣

，如果引線彼此過於靠近，也會影響耦合。這種布局問題也會產生所謂的互感。RF電路最關心問題之一即為係統敏感部件的走線
，例如輸入匹配網絡
、接收器的諧振槽路、發送器的天線匹配網絡等。

fanhuidianliutongluxujinkenengkaojinzhudianliutongdao

，jiangfushecichangjiangzhizuixiao。zhezhongbujuyouzhuyujianxiaodianliuhuanlumianji。fanhuidianliudelixiangdizutonglutongchangshiyinxianxiafangdejiediquyu—將環路麵積有效限製在電介質厚度乘以引線長度的區域。但是
，如果接地區域被分割開，則會增大環路麵積（圖3）。對dui於yu穿chuan過guo分fen割ge區qu域yu的de引yin線xian
，返fan回hui電dian流liu將jiang被bei強qiang製zhi通tong過guo高gao阻zu通tong路lu
，大da大da提ti高gao了le電dian流liu環huan路lu麵mian積ji。這zhe種zhong布bu局ju還hai使shi電dian路lu引yin線xian更geng容rong易yi受shou互hu感gan的de影ying響xiang。

圖3. 完整的大麵積接地有助於改善係統性能

對於一個實際電感
，引線方向對磁場耦合的影響也很大。如果敏感電路的引線必須彼此靠近，最好將引線方向垂直排列
，以降低耦合（圖4）。如果無法做到垂直排列

，則可考慮使用保護線。關於保護線的設計，請參考以下接地與填充處理部分。

圖4. 類似於圖1，表示可能存在的磁力線耦合。

綜上所述，布板時應遵循以下原則：

• 引線下方應保證完整接地。
• 敏感引線應垂直排列。
• 如果引線必須平行排列，須確保足夠的間距或采用保護線。

接地過孔

RFdianlubujudezhuyaowentitongchangshidianludetezhengzukangbulixiang，baokuodianluyuanjianjiqihulian。yinxianfutongcengjiaobo，zedengxiaoyudianganxian，bingyulinjindeqitayinxianxingchengfenbudianrong。yinxianchuanguoguokongshi，yehuibiaoxianchudianganhedianrongtexing。

guokongdianrongzhuyaoyuanyuguokonghanpancedefutongyudicengfutongzhijiangouchengdedianrong，tamenzhijianyouyigexiangdangxiaodeyuanhuangekai。lingwaiyigeyingxiangyuanyujinshuguokongbenshendeyuanzhu。jishengdianrongdeyingxiangyibanjiaoxiao
，tongchangzhihuizaochenggaosushuzixinhaodebianyanbiancha（本文不對此加以討論）。
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過孔的最大影響是相應的互聯方式所引起的寄生電感。因為RF PCB設計中，大多數金屬過孔尺寸與集總元件的尺寸相同，可利用簡單的公式估算電路過孔的影響（圖5）：

式中，LVIA為過孔的集總電感；h為過孔高度，單位為英寸；d為過孔直徑，單位為英寸。

圖5. PCB橫截麵用於估算寄生影響的過孔結構

jishengdianganwangwangduipangludianrongdelianjieyingxianghenda。lixiangdepangludianrongzaidianyuancengyudicengzhijiantigonggaopinduanlu
，danshi，feilixiangguokongzehuiyingxiangdicenghedianyuancengzhijiandedigantonglu。dianxingdePCB過孔（d = 10 mil
、h = 62.5 mil）大約等效於一個1.34nH電感。給定ISM-RF產品的特定工作頻率，過孔會對敏感電路（例如，諧振槽路、濾波器以及匹配網絡等）造成不良影響。

如果敏感電路共用過孔，例如π型網絡的兩個臂
，則會產生其它問題。例如
，放置一個等效於集總電感的理想過孔
，等效原理圖則與原電路設計有很大區別（圖6）。與共用電流通路的串擾一樣3，導致互感增大，加大串擾和饋通。

圖6. 理想架構與非理想架構比較，電路中存在潛在的“信號通路”。

綜上所述，電路布局需要遵循以下原則：

• 確保對敏感區域的過孔電感建模。
• 濾波器或匹配網絡采用獨立過孔。

注意，較薄的PCB覆銅會降低過孔寄生電感的影響。

引線長度

Maxim ISM-RF產品的數據資料往往建議使用盡可能短的高頻輸入、輸shu出chu引yin線xian，從cong而er將jiang損sun耗hao和he輻fu射she降jiang至zhi最zui小xiao。另ling一yi方fang麵mian，這zhe種zhong損sun耗hao通tong常chang是shi由you於yu非fei理li想xiang寄ji生sheng參can數shu引yin起qi的de
，所suo以yi寄ji生sheng電dian感gan和he電dian容rong都dou會hui影ying響xiang電dian路lu布bu局ju，使shi用yong盡jin可ke能neng短duan的de引yin線xian有you助zhu於yu降jiang低di寄ji生sheng參can數shu。通tong常chang情qing況kuang下xia，10 mil寬
、距離地層0.0625in的PCB引線，如果采用的是FR4電路板，則產生大約19nH/in的電感和大約1pF/in的分布電容。對於具有20nH電感、3pF電容的LAN/混頻器電路，電路
、元器件布局非常緊湊時，會對有效元件值造成很大影響。

“Institute for Printed Circuits”中的IPC-D-317A4提供了一個行業標準方程，用於估算微帶線PCB的各種阻抗參數。該文件在2003年被IPC-2251取代5
，後者為各種PCB引線提供更準確的計算方法。可以通過各種渠道獲得在線計算器
，其中大多數都基於IPC-2251提供的方程式。密蘇裏理工大學的電磁兼容性實驗室提供了一個非常實用的PCB引線阻抗計算方法。

公認的計算微帶線阻抗的標準是：

式中，εr為電介質的介電常數，h為引線距離地層的高度，w為引線寬度
，t為引線厚度（圖7）。w/h介於0.1至2.0
、εr介於1至15之間時
，該公式的計算結果相當準確。

圖7. 該圖為PCB橫截麵（與圖5類似），表示用於計算微帶線阻抗的結構。[page]

為wei評ping估gu引yin線xian長chang度du的de影ying響xiang
，確que定ding引yin線xian寄ji生sheng參can數shu對dui理li想xiang電dian路lu的de去qu諧xie效xiao應ying更geng實shi用yong。本ben例li中zhong，我wo們men討tao論lun雜za散san電dian容rong和he電dian感gan。用yong於yu微wei帶dai線xian的de特te征zheng電dian容rong標biao準zhun方fang程cheng為wei：

同理，可利用上述方程從方程式中計算得到特征電感：

舉例說明

，假設PCB厚度為0.0625in （h = 62.5 mil），1盎司覆銅引線（t = 1.35 mil）
，寬度為0.01in （w = 10 mil）

，采用FR-4電路板。注意，FR-4的εr典型值為4.35法拉/米（F/m），但範圍可從4.0F/m至4.7F/m。本例計算得到的特征值為Z0 = 134Ω，C0 = 1.04pF/in，L0 = 18.7nH/in。

對於ISM-RF設計中，電路板上布局長度為12.7mm （0.5in）的引線，可產生大約0.5pF和9.3nH的寄生參數（圖8）。這一等級的寄生參數對於接收器諧振槽路的影響（LC乘積的變化），可能產生315MHz ±2%或433.92MHz ±3.5%的變化。由於引線寄生效應所產生的附加電容和電感，使得315MHz振蕩頻率的峰值達到312.17MHz
，433.92MHz振蕩頻率的峰值達到426.61MHz。

圖8. 一個緊湊的PCB布局，寄生效應會對電路產生影響。

另外一個例子是Maxim的超外差接收機（MAX7042）的諧振槽路，推薦使用的元件在315MHz時為1.2pF和30nH；433.92MHz時為0pF和16nH。利用方程計算諧振電路振蕩頻率：

評估板諧振電路應包括封裝和布局的寄生效應，計算315MHz諧振頻率時
，寄生參數分別為7.3pF和7.5pF。注意，LC乘積表現為集總電容。

綜上所述，布板須遵循以下原則：

• 保持引線長度盡可能短。
• 關鍵電路盡量靠近器件放置。
• 根據實際布局寄生效應對關鍵元件進行補償。

接地與填充處理

接地或電源層定義了一個公共參考電壓，通過低阻通路為係統的所有部件供電。按照這種方式均衡所有電場，產生良好的屏蔽機製。

直流電流總是傾向於沿著低阻通路流通。同理
，高頻電流也是優先流過最低電阻的通路。所以，對於地層上方的標準PCB微wei帶dai線xian，返fan回hui電dian流liu試shi圖tu流liu入ru引yin線xian正zheng下xia方fang的de接jie地di區qu域yu。按an照zhao上shang述shu引yin線xian耦ou合he部bu分fen所suo述shu
，割ge斷duan的de接jie地di區qu域yu會hui引yin入ru各ge種zhong噪zao聲sheng，進jin而er通tong過guo磁ci場chang耦ou合he或huo彙hui聚ju電dian流liu而er增zeng大da串chuan擾rao（圖9）。

圖9. 盡可能保持地層完整，否則返回電流會引起串擾。[page]

填充地也稱為保護線
，通常將其用於電路中很難鋪設連續接地區域或需要屏蔽敏感電路的設計（圖10）。通過在引線兩端，或者是沿線放置接地過孔（即過孔陣列）
，增大屏蔽效應。請不要將保護線與設計用來提供返回電流通路的引線相混合，這樣的布局會引入串擾。

圖10. RF係統設計中須避免覆銅線浮空，特別是需要鋪設銅皮的情況下。

覆銅區域不接地（浮空）或僅在一端接地時，會製約其有效性。有些情況下，它會形成寄生電容，改變周圍布線的阻抗或在電路之間產生“潛在”通路
，從而造成不利影響。簡而言之，如果在電路板上鋪設了一塊覆銅（非電路信號走線），來確保一致的電鍍厚度。覆銅區域應避免浮空，因為它們會影響電路設計。

最後，確保考慮天線附近任何接地區域的影響。任何單極天線都將接地區域、走線和過孔作為係統均衡的一部分，非理想均衡布線會影響天線的輻射效率和方向（輻射模板）。因此
，不應將接地區域直接放置在單極PCB引線天線的下方。

綜上所述，應該遵循以下原則：

• 盡量提供連續
  、低阻的接地區域。
• 填充線的兩端接地，並盡量采用過孔陣列。
• RF電路附近不要將覆銅線浮空
  
  
  ，RF電路周圍不要鋪設銅皮。
• 如果電路板包括多個地層，信號線從一側過度另一側時
  ，最好鋪設一個接地過孔。

晶體電容過大

寄生電容會使晶振的工作頻率偏離目標值9。因此，須遵循一些常規準則，降低晶體引腳、焊盤
、走線或與RF器件連接的雜散電容。

應遵循以下原則：

• 晶體與RF器件之間的連線盡可能短。
• 相互之間的走線盡可能保持隔離。
• 如果並聯寄生電容太大
  
  ，則去除晶體下方的接地區域。

平麵走線電感

不建議使用平麵走線或PCB螺旋電感，典型PCB製造工藝具有一定的不精確性，例如寬度、空間容差
，從而對元件值精度影響非常大。因此
，大多數受控和高Q值(zhi)電(dian)感(gan)均(jun)為(wei)繞(rao)線(xian)式(shi)。其(qi)次(ci)，可(ke)以(yi)選(xuan)擇(ze)多(duo)層(ceng)陶(tao)瓷(ci)電(dian)感(gan)，多(duo)層(ceng)片(pian)式(shi)電(dian)容(rong)廠(chang)商(shang)也(ye)提(ti)供(gong)這(zhe)種(zhong)產(chan)品(pin)。盡(jin)管(guan)如(ru)此(ci)，有(you)些(xie)設(she)計(ji)者(zhe)還(hai)是(shi)在(zai)不(bu)得(de)已(yi)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)選(xuan)擇(ze)了(le)螺(luo)線(xian)電(dian)感(gan)。計(ji)算(suan)平(ping)麵(mian)螺(luo)旋(xuan)電(dian)感(gan)的(de)標(biao)準(zhun)公(gong)式(shi)通(tong)常(chang)采(cai)用(yong)惠(hui)勒(le)公(gong)式(shi)：

式中，a為線圈的平均半徑，單位為英寸

；n為匝數
；c為線圈磁芯的寬度（rOUTER - rINNER），單位為英寸。當線圈的c  > 0.2a時11，該計算方法的精度在5%之內。

可以使用方形、liujiaoxinghuoqitaxingzhuangdedancengluoxuandiangan。keyizhaodaofeichanghaodejinsifangfa，duijichengdianlujingyuanshangdepingmiandianganjinxingjianmo。weiledadaozheyimude
，duibiaozhunhuilegongshijinxingxiugai，dedaofeichangshihexiaochicunjifangxingguigedepingmiandiangangusuanfangfa。

式中，ρ為充填比：
；n為匝數
，dAVG為平均直徑：。對於方形螺旋
，K1 = 2.36
，K2 = 2.75。

避bi免mian使shi用yong這zhe種zhong電dian感gan的de原yuan因yin有you很hen多duo，它ta們men通tong常chang受shou空kong間jian限xian製zhi而er導dao致zhi電dian感gan值zhi減jian小xiao。避bi免mian使shi用yong平ping麵mian電dian感gan的de主zhu要yao原yuan因yin是shi受shou限xian製zhi的de幾ji何he尺chi寸cun
，以yi及ji對dui臨lin界jie尺chi寸cun的de控kong製zhi較jiao差cha，從cong而er無wu法fa預yu測ce電dian感gan值zhi。此ci外wai
，PCB生產過程中很難控製實際電感值

，電感還會將噪聲耦合到電路的其它部分的趨向（參見上文中的引線耦合部分）。

總而言之，應該：

• 避免使用平麵走線電感。
• 盡量使用繞線片式電感。

總結

如上所述，幾種常見的PCB布局陷阱會造成ISM-RF設(she)計(ji)問(wen)題(ti)。然(ran)而(er)
，注(zhu)意(yi)電(dian)路(lu)的(de)非(fei)理(li)想(xiang)特(te)性(xing)
，您(nin)完(wan)全(quan)可(ke)避(bi)免(mian)這(zhe)些(xie)缺(que)陷(xian)。補(bu)償(chang)這(zhe)些(xie)不(bu)希(xi)望(wang)的(de)影(ying)響(xiang)需(xu)要(yao)適(shi)當(dang)處(chu)理(li)表(biao)麵(mian)上(shang)無(wu)關(guan)緊(jin)要(yao)的(de)事(shi)項(xiang)，例(li)如(ru)元(yuan)件(jian)方(fang)向(xiang)、走線長度、過孔布置
，以及接地區域的用法。遵守以上的指導原則
，您可明顯節省浪費在修正錯誤方麵的時間和金錢。