汽車電子PCB技術(shù)研究

麻新兵，馮甲利，姚長(zhǎng)青，蔡花

（西安蘭德新能源汽車技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，陜西 西安 710043）

汽車電子PCB技術(shù)研究

麻新兵，馮甲利，姚長(zhǎng)青，蔡花

（西安蘭德新能源汽車技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，陜西 西安 710043）

隨著全球汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)模近年持續(xù)攀升，中國(guó)已成為世界第二大汽車保有量國(guó)家。涉及整車控制、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、汽車電子配件的中國(guó)本土汽車電子企業(yè)在順勢(shì)崛起，并且發(fā)展極為迅速。對(duì)應(yīng)這些控制單元的硬件載體的PCB設(shè)計(jì)技術(shù)，自然越來(lái)越受行業(yè)重視。文章針對(duì)車載PCB板的工作條件，主要討論電感的放置方向、線路耦合、接地孔以及引線長(zhǎng)度、引線電感等問(wèn)題。

汽車電子；PCB

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)10-11-03

引言

在現(xiàn)代生活中，汽車已經(jīng)成為人們生活必不可少的交通工具。同時(shí)，汽車工業(yè)的發(fā)展對(duì)整個(gè)世界經(jīng)濟(jì)的推動(dòng)作用也十分巨大，甚至可以說(shuō)從某種程度上正在改變著世界的經(jīng)濟(jì)格局。

近年來(lái)，隨著集成電路的不斷發(fā)展，汽車電子產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為繼計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)、通訊產(chǎn)業(yè)之后PCB的第三大應(yīng)用領(lǐng)域。而PCB板作為組成各種汽車電子、電氣設(shè)備的基本部件。它的市場(chǎng)需求也在快速增長(zhǎng)，技術(shù)要求也更高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2006年全球PCB產(chǎn)值為120億美元，其中汽車電子領(lǐng)域占6.6億美元。目前，國(guó)產(chǎn)汽車成本中，電子產(chǎn)品的比例約為30%，而在國(guó)際先進(jìn)汽車企業(yè)的成本中，汽車電子產(chǎn)品比例已達(dá)到60%～80%。但是，中國(guó)汽車的電子設(shè)備產(chǎn)值較低，主要原因是研發(fā)能力和可靠性仍需提升。如研發(fā)人員時(shí)常發(fā)現(xiàn)相同CPU安裝到兩塊設(shè)計(jì)功能相同、器件布局不同的電路板上，其性能指標(biāo)會(huì)有顯著差異。此外，工作條件、諧波輻射、抗干擾能力，以及啟動(dòng)時(shí)間等諸多因素的變化，都能說(shuō)明電路板布局在一款成功設(shè)計(jì)中的重要性。

電路板布局中大多數(shù)問(wèn)題源于以下幾個(gè)常見(jiàn)原因，我們將對(duì)此一一討論。

1、電感方向

當(dāng)兩個(gè)電感（甚至是兩條PCB走線）彼此靠近時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生互感。第一個(gè)電路中的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)對(duì)第二個(gè)電路中的電流產(chǎn)生激勵(lì)（圖1）。這一過(guò)程與變壓器初級(jí)、次級(jí)線圈之間的相互影響類似。當(dāng)兩個(gè)電流通過(guò)磁場(chǎng)相互作用時(shí)，所產(chǎn)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，LA是在電路A中的電流。LM對(duì)電路間距、電感環(huán)路面積（即磁通量）以及環(huán)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。

由磁力線可以看出互感的分布與電感排列方向有關(guān)。對(duì)電路B的方向進(jìn)行調(diào)整，使其電流環(huán)路平行于電路A的磁力線。為達(dá)到這一目的，盡量使電感互相垂直，參考圖2的兩種器件布局方式。該電路板上的三個(gè)電感（L3、L1和L2）距離非常近，將其方向排列為0°、45°和90°，會(huì)有助于降低彼此之間的互感干擾。

圖中所示同一功能電路，A,B兩種不同的布局方法，可以看出A圖元件布局方向不合理（L1、L2、L3），B圖的電感布局方向更有利于降低器件的互感影響。

綜上所述，電感布局應(yīng)遵循以下原則：① 電感間距應(yīng)盡可能遠(yuǎn)；② 電感排列方向成直角，使電感之間的串?dāng)_降至最小。

2、引線耦合

如同電感排列方向會(huì)影響磁場(chǎng)耦合一樣，如果引線彼此過(guò)于靠近，也會(huì)影響耦合。這種布局問(wèn)題也會(huì)產(chǎn)生所謂的互感。RF電路最關(guān)心問(wèn)題之一即為系統(tǒng)敏感部件的走線，例如輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、接收器的諧振槽路、發(fā)送器的天線匹配網(wǎng)絡(luò)等。

返回電流通路須盡可能靠近主電流通道，將輻射磁場(chǎng)降至最小。這種布局有助于減小電流環(huán)路面積。返回電流的理想低阻通路通常是引線下方的接地區(qū)域—將環(huán)路面積有效限制在電介質(zhì)厚度乘以引線長(zhǎng)度的區(qū)域。但是，如果接地區(qū)域被分割開(kāi)，則會(huì)增大環(huán)路面積（圖3）。對(duì)于穿過(guò)分割區(qū)域的引線，返回電流將被強(qiáng)制通過(guò)高阻通路，大大提高了電流環(huán)路面積。這種布局還使電路引線更容易受互感的影響。

由圖看以看出，引線下方應(yīng)盡可能保證完整接地，完整的大面積接地有助改善電路性能。

3、接地過(guò)孔

RF電路布局的主要問(wèn)題通常是電路的特征阻抗不理想，包括電路元件及其互聯(lián)。引線覆銅層較薄，則等效于電感線，并與鄰近的其它引線形成分布電容。引線穿過(guò)過(guò)孔時(shí)，也會(huì)表現(xiàn)出電感和電容特性。

過(guò)孔電容主要源于過(guò)孔焊盤(pán)側(cè)的覆銅與底層覆銅之間構(gòu)成的電容，它們之間由一個(gè)相當(dāng)小的圓環(huán)隔開(kāi)。另外一個(gè)影響源于金屬過(guò)孔本身的圓柱。寄生電容的影響一般較小，通常只會(huì)造成高速數(shù)字信號(hào)的邊沿變差（本文對(duì)此不討論）。

過(guò)孔的最大影響是相應(yīng)的互聯(lián)方式所引起的寄生電感。因?yàn)镽F PCB設(shè)計(jì)中，大多數(shù)金屬過(guò)孔尺寸與集總元件的尺寸相同，可利用簡(jiǎn)單的公式估算電路過(guò)孔的影響（圖5）：

其中，LVIA為過(guò)孔的集總電感；h為過(guò)孔高度，單位為英寸；d為過(guò)孔直徑，單位為英寸。

該圖為PCB橫截面示意圖，用于估算寄生影響的過(guò)孔結(jié)構(gòu)。寄生電感往往對(duì)旁路電容的連接影響很大。理想的旁路電容在電源層與地層之間提供高頻短路，但是，非理想過(guò)孔則會(huì)影響地層和電源層之間的低感通路。典型的 PCB過(guò)孔（d = 10 mil、h = 62.5 mil）大約等效于一個(gè)1.34nH電感。給定ISM-RF產(chǎn)品的特定工作頻率，過(guò)孔會(huì)對(duì)敏感電路（例如，諧振槽路、濾波器以及匹配網(wǎng)絡(luò)等）造成不良影響。

如果敏感電路共用過(guò)孔，例如π型網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)臂，則會(huì)產(chǎn)生其它問(wèn)題。例如，放置一個(gè)等效于集總電感的理想過(guò)孔，等效原理圖則與原電路設(shè)計(jì)有很大區(qū)別（圖5）。與共用電流通路的串?dāng)_一樣，導(dǎo)致互感增大，加大串?dāng)_風(fēng)險(xiǎn)。

由此可以看出，電路布局需要遵循以下原則：① 確保對(duì)敏感區(qū)域的過(guò)孔電感建模；② 濾波器或匹配網(wǎng)絡(luò)采用獨(dú)立過(guò)孔；③ 較薄的PCB覆銅會(huì)降低過(guò)孔寄生電感的影響。

4、接地與填充處理

接地或電源層定義了一個(gè)公共參考電壓，通過(guò)低阻通路為系統(tǒng)的所有部件供電。按照這種方式均衡所有電場(chǎng)，產(chǎn)生良好的屏蔽機(jī)制。

直流電流總是傾向于沿著低阻通路流通。同理，高頻電流也是優(yōu)先流過(guò)最低電阻的通路。所以，對(duì)于地層上方的標(biāo)準(zhǔn)PCB引線，返回電流試圖流入引線正下方的接地區(qū)域。按照上述引線耦合部分所述，割斷的接地區(qū)域會(huì)引入各種噪聲，進(jìn)而通過(guò)磁場(chǎng)耦合或匯聚電流而增大串?dāng)_（圖6）。盡可能保持地層完整，否則返回電流會(huì)引起串?dāng)_。

另外，填充地也稱為保護(hù)線，通常將用于電路中很難鋪設(shè)連續(xù)接地區(qū)域或需要屏蔽敏感電路的設(shè)計(jì)（圖7）。通過(guò)在引線兩端，或者是沿線放置接地過(guò)孔（即過(guò)孔陣列），增大屏蔽效應(yīng)。不要將保護(hù)線與設(shè)計(jì)用來(lái)提供返回電流通路的引線相混合，這樣的布局會(huì)引入串?dāng)_。

覆銅區(qū)域不接地（浮空）或僅在一端接地時(shí)，會(huì)制約其有效性。有些情況下，它會(huì)形成寄生電容，改變周圍布線的阻抗或在電路之間產(chǎn)生“潛在”通路，從而造成不利影響。簡(jiǎn)而言之，如果在電路板上鋪設(shè)了一塊覆銅（非電路信號(hào)走線），應(yīng)盡量確保一致的電鍍厚度。覆銅區(qū)域應(yīng)避免浮空，因?yàn)樗鼤?huì)影響電路的EMC性能。

最后，確?？紤]天線附近任何接地區(qū)域的影響。任何單極天線都將接地區(qū)域、走線和過(guò)孔作為系統(tǒng)均衡的一部分，非理想均衡布線會(huì)影響天線的輻射效率和方向（輻射模板）。因此，不應(yīng)將接地區(qū)域直接放置在單極PCB引線天線的下方。

綜上所述，接地與填充應(yīng)該遵循以下原則：①盡量提供連續(xù)、低阻的接地區(qū)域；②填充線的兩端接地，并盡量采用過(guò)孔陣列。③電路附近不要將覆銅線浮空，電路周圍不要鋪設(shè)銅皮。如果電路板包括多個(gè)地層，信號(hào)線從一側(cè)過(guò)度另一側(cè)時(shí)，最好鋪設(shè)一個(gè)接地過(guò)孔。

5、總結(jié)

綜上所述，遵守以上的指導(dǎo)原則，對(duì)幾種常見(jiàn)的PCB布局陷阱造成EMC設(shè)計(jì)問(wèn)題，只要注意電路的非理想特性，完全可避免這些缺陷。通過(guò)對(duì)一些不希望的影響做出適當(dāng)?shù)奶幚?，例如元件方向、走線長(zhǎng)度、過(guò)孔布置，以及接地區(qū)域的用法，可明顯節(jié)省浪費(fèi)在修正錯(cuò)誤方面的時(shí)間和金錢(qián)。

Electronic PCB Technology for Automotive Research

Ma Xinbing, Feng Jiali, Yao Changqing, Cai Hua
（Xi'an Land new energy vehicle technology Development Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710043）

As the global auto industry's scale expanding, China has become the world's second largest auto possession country, in recent year .Accordingly, Chinese local auto electronics companies which devote to vehicle control, power drive, and automotive electronic accessories are emerged and the development is very fast. So PCB design technology base on the hardware in the control unit that is getting more and more industry's attention. This article mainly discusses the placement of inductor, Line coupling, Grounding hole, Lead length, Lead inductance etc.

Automotive electronics；PCB

U463.6

A

1671-7988(2014)10-11-03

麻新兵，就職于西安蘭德新能源汽車技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司。