高速PCB設(shè)計(jì)六

1、第一篇    PCB基本概念1、“層(Layer) ”的概念     與字處理或其它許多軟件中為實(shí)現(xiàn)圖、文、色彩等的嵌套與合成而引入的“層”的概念有所同，Protel的“層”不是虛擬的，而是印刷板材料本身實(shí)實(shí)在在的各銅箔層?，F(xiàn)今，由于電子線路的元件密集安裝。防干擾和布線等特殊要求，一些較新的電子產(chǎn)品中所用的印刷板不僅有上下兩面供走線，在板的中間還設(shè)有能被特殊加工的夾層銅箔，例如，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)主板所用的印板材料多在4層以上。這些層因加工相對較難而大多用于設(shè)置走線較為簡單的電源布線層（如軟件中的Ground Dever和Power Dever），并常用大面積

2、填充的辦法來布線（如軟件中的ExternaI P1a11e和Fill）。上下位置的表面層與中間各層需要連通的地方用軟件中提到的所謂“過孔（Via）”來溝通。有了以上解釋，就不難理解“多層焊盤”和“布線層設(shè)置”的有關(guān)概念了。舉個(gè)簡單的例子，不少人布線完成，到打印出來時(shí)方才發(fā)現(xiàn)很多連線的終端都沒有焊盤，其實(shí)這是自己添加器件庫時(shí)忽略了“層”的概念，沒把自己繪制封裝的焊盤特性定義為”多層（Mulii一Layer）的緣故。要提醒的是，一旦選定了所用印板的層數(shù)，務(wù)必關(guān)閉那些未被使用的層，免得惹事生非走彎路。2、過孔(Via) 為連通各層之間的線路，在各層需要連通的導(dǎo)線的文匯處鉆上一個(gè)公共孔，這就是過孔。工

3、藝上在過孔的孔壁圓柱面上用化學(xué)沉積的方法鍍上一層金屬，用以連通中間各層需要連通的銅箔，而過孔的上下兩面做成普通的焊盤形狀，可直接與上下兩面的線路相通，也可不連。一般而言，設(shè)計(jì)線路時(shí)對過孔的處理有以下原則：（1）    盡量少用過孔，一旦選用了過孔，務(wù)必處理好它與周邊各實(shí)體的間隙，特別是容易被忽視的中間各層與過孔不相連的線與過孔的間隙，如果是自動(dòng)布線，可在“過孔數(shù)量最小化” （ Via Minimiz8tion）子菜單里選擇“on”項(xiàng)來自動(dòng)解決。（2）    需要的載流量越大，所需的過孔尺寸越大，如電源層和地層與其它層聯(lián)接所用的過孔就要大一些。 3、絲印層

4、（Overlay） 為方便電路的安裝和維修等，在印刷板的上下兩表面印刷上所需要的標(biāo)志圖案和文字代號等，例如元件標(biāo)號和標(biāo)稱值、元件外廓形狀和廠家標(biāo)志、生產(chǎn)日期等等。不少初學(xué)者設(shè)計(jì)絲印層的有關(guān)內(nèi)容時(shí)，只注意文字符號放置得整齊美觀，忽略了實(shí)際制出的PCB效果。他們設(shè)計(jì)的印板上，字符不是被元件擋住就是侵入了助焊區(qū)域被抹賒，還有的把元件標(biāo)號打在相鄰元件上，如此種種的設(shè)計(jì)都將會(huì)給裝配和維修帶來很大不便。正確的絲印層字符布置原則是：”不出歧義，見縫插針，美觀大方”。 4、SMD的特殊性 Protel封裝庫內(nèi)有大量SMD封裝，即表面焊裝器件。這類器件除體積小巧之外的最大特點(diǎn)是單面分布元引腳孔。因此，選用這類器

5、件要定義好器件所在面，以免“丟失引腳（Missing Plns）”。另外，這類元件的有關(guān)文字標(biāo)注只能隨元件所在面放置。 5、網(wǎng)格狀填充區(qū)（External Plane ）和填充區(qū)(Fill) 正如兩者的名字那樣，網(wǎng)絡(luò)狀填充區(qū)是把大面積的銅箔處理成網(wǎng)狀的，填充區(qū)僅是完整保留銅箔。初學(xué)者設(shè)計(jì)過程中在計(jì)算機(jī)上往往看不到二者的區(qū)別，實(shí)質(zhì)上，只要你把圖面放大后就一目了然了。正是由于平常不容易看出二者的區(qū)別，所以使用時(shí)更不注意對二者的區(qū)分，要強(qiáng)調(diào)的是，前者在電路特性上有較強(qiáng)的抑制高頻干擾的作用，適用于需做大面積填充的地方，特別是把某些區(qū)域當(dāng)做屏蔽區(qū)、分割區(qū)或大電流的電源線時(shí)尤為合適。后者多用于一般的線端部

6、或轉(zhuǎn)折區(qū)等需要小面積填充的地方。6、焊盤( Pad)焊盤是PCB設(shè)計(jì)中最常接觸也是最重要的概念，但初學(xué)者卻容易忽視它的選擇和修正，在設(shè)計(jì)中千篇一律地使用圓形焊盤。選擇元件的焊盤類型要綜合考慮該元件的形狀、大小、布置形式、振動(dòng)和受熱情況、受力方向等因素。Protel在封裝庫中給出了一系列不同大小和形狀的焊盤，如圓、方、八角、圓方和定位用焊盤等，但有時(shí)這還不夠用，需要自己編輯。例如，對發(fā)熱且受力較大、電流較大的焊盤，可自行設(shè)計(jì)成“淚滴狀”，在大家熟悉的彩電PCB的行輸出變壓器引腳焊盤的設(shè)計(jì)中，不少廠家正是采用的這種形式。一般而言，自行編輯焊盤時(shí)除了以上所講的以外，還要考慮以下原則：（1）形狀上長短

7、不一致時(shí)要考慮連線寬度與焊盤特定邊長的大小差異不能過大；（2）需要在元件引角之間走線時(shí)選用長短不對稱的焊盤往往事半功倍；（3）各元件焊盤孔的大小要按元件引腳粗細(xì)分別編輯確定，原則是孔的尺寸比引腳直徑大02- 04毫米。 7、各類膜（Mask） 這些膜不僅是PcB制作工藝過程中必不可少的，而且更是元件焊裝的必要條件。按“膜”所處的位置及其作用，“膜”可分為元件面（或焊接面）助焊膜（TOp or Bottom 和元件面（或焊接面）阻焊膜（TOp or BottomPaste Mask）兩類。 顧名思義，助焊膜是涂于焊盤上，提高可焊性能的一層膜，也就是在綠色板子上比焊盤略大的各淺色圓斑。阻焊膜的情況

8、正好相反，為了使制成的板子適應(yīng)波峰焊等焊接形式，要求板子上非焊盤處的銅箔不能粘錫，因此在焊盤以外的各部位都要涂覆一層涂料，用于阻止這些部位上錫?？梢?，這兩種膜是一種互補(bǔ)關(guān)系。由此討論，就不難確定菜單中類似“solder Mask En1argement”等項(xiàng)目的設(shè)置了。8、飛線，飛線有兩重含義： （1）自動(dòng)布線時(shí)供觀察用的類似橡皮筋的網(wǎng)絡(luò)連線，在通過網(wǎng)絡(luò)表調(diào)入元件并做了初步布局后，用“Show 命令就可以看到該布局下的網(wǎng)絡(luò)連線的交叉狀況，不斷調(diào)整元件的位置使這種交叉最少，以獲得最大的自動(dòng)布線的布通率。這一步很重要，可以說是磨刀不誤砍柴功，多花些時(shí)間，值！另外，自動(dòng)布線結(jié)束，還有哪些網(wǎng)絡(luò)尚未布通

9、，也可通過該功能來查找。找出未布通網(wǎng)絡(luò)之后，可用手工補(bǔ)償，實(shí)在補(bǔ)償不了就要用到“飛線”的第二層含義，就是在將來的印板上用導(dǎo)線連通這些網(wǎng)絡(luò)。要交待的是，如果該電路板是大批量自動(dòng)線生產(chǎn)，可將這種飛線視為0歐阻值、具有統(tǒng)一焊盤間距的電阻元件來進(jìn)行設(shè)計(jì).第二篇    避免混合訊號系統(tǒng)的設(shè)計(jì)陷阱內(nèi)容:要想成功的運(yùn)用現(xiàn)在的SOC，板級和系統(tǒng)級設(shè)計(jì)師必須了解如何最好地放置元件，布置走線，以及利用保護(hù)元件。      它們被稱為數(shù)碼式蜂窩電話，但其中所包含的模擬功能，比較起所謂的模擬蜂窩電話之前度品種還要多。事實(shí)上，需要處理連續(xù)狀態(tài)值（例如語音，影像，溫度，壓

10、力等）的任何系統(tǒng)，都會(huì)有它的模擬功能，那怕是在其名字里出現(xiàn)數(shù)碼式這個(gè)詞語。今天的多媒體PC也毫無例外，它們有著語音和影像的輸入和輸出，對發(fā)熱的中央處理機(jī)進(jìn)行迫切的溫度監(jiān)示，以及高性能調(diào)制解調(diào)器，這些系統(tǒng)同樣地，其混合訊號功能清單上的項(xiàng)目也愈來愈多。      兩種系統(tǒng)的趨勢對於進(jìn)行混合設(shè)計(jì)的人們來說，又帶來了新的挑戰(zhàn)。便攜式通訊和運(yùn)算器件的體積重量不斷減少，但又不斷地推高功能。而桌面系統(tǒng)又不斷提高中央處理機(jī)能力和通訊周邊的速度?？隙ǖ氖?，在設(shè)計(jì)現(xiàn)代的數(shù)碼電路板同時(shí)又要避免振鈴、噪聲引致的差錯(cuò)，和地電位跳動(dòng)等問題，實(shí)在相當(dāng)困難的。但是，當(dāng)你添加那些易受噪聲影響的模擬

11、訊號線路逼近於方波激勵(lì)的數(shù)碼式數(shù)據(jù)線路，問題更為嚴(yán)重。      在芯片級，現(xiàn)時(shí)的SOC（芯片上的系統(tǒng)）需要有邏輯電路、模擬電路，以及熱動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)方面的專才。要成功地使用這些IC，板級和系統(tǒng)級設(shè)計(jì)師需要了解如何最好地放置元件，布置走線，以及利用保護(hù)元件。      本文講述的是現(xiàn)時(shí)混合訊號系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的常見陷阱，并提供一些指引以清除或移開它們。不過，在探討特定問題和作出提議之前，先詳細(xì)看看系統(tǒng)設(shè)計(jì)的兩種潮流小型化和高速化如何影響這些問題，會(huì)有很大的幫助。  1、 “小型化”的趨勢      拿19

12、99年的蜂窩電話與五年前的產(chǎn)品作個(gè)比較，芯片數(shù)目少得很多，重量和體積大幅減少，電池壽命大幅延長。在這個(gè)進(jìn)程中，主要因素是混合訊號IC解決方案中有很大進(jìn)展。不過，隨著芯片幾何尺寸的縮減，電路板上布線的間距趨近，物理學(xué)的規(guī)律開始呈現(xiàn)出來。      并行的走線愈來愈接近產(chǎn)生了愈來愈大寄生電容耦合，而這簡直是和距離平方成反比關(guān)系的結(jié)果，以前只有少數(shù)幾根走線的空間，現(xiàn)在納入了許多走線，結(jié)果，甚至是不相鄰的走線之間的電容性耦合也會(huì)構(gòu)成問題。      蜂窩電話，由其性質(zhì)所決定，是被人拿著使用的設(shè)備。在低溫度的日子里，你正在地毯上走來走去，然後拿

13、起蜂窩電話，接著“啪”這就會(huì)把一個(gè)高電壓，靜電放電（ESD）脈沖傳到這個(gè)設(shè)備那里。如果沒有適當(dāng)?shù)腅SD保護(hù)，一個(gè)或多個(gè)IC有可能受到損壞。不過，增添外部元件來保護(hù)ESD的破壞又會(huì)與小型化趨勢相違背。      另一個(gè)問題是能源管理，蜂窩電話用戶希望電池的兩次充電之間隔愈長愈好。這意味著DC-至-DC轉(zhuǎn)換器必須是很高效率的。開關(guān)技術(shù)是它的答案，但在此情況下，轉(zhuǎn)換器也成了它自己的潛在噪聲源。所以必須小心選擇、放置轉(zhuǎn)換器，也要小心進(jìn)行互連。還有，由於體積是不可忽視的因素，應(yīng)該選擇可以采用物理尺寸最小的無源元件的那種部件。如果采用線性穩(wěn)壓器的話，應(yīng)該挑選超低壓差式的，可讓

14、輸出維持於最小電池電壓。這就能讓電池不再提供足夠電能之前盡行地放電。  2、 “高速化”趨勢      將1999年中檔PC的規(guī)格與五年前的相比較，它的中央處理機(jī)速度提高了大約一個(gè)數(shù)量級，而由CPU消耗的電流也提高了約一個(gè)數(shù)量級。當(dāng)你將高速度和大電流結(jié)合一起，V=L（di/dt）關(guān)系式中的“di/dt”部份大幅地提高。事實(shí)上，電路板中半寸長的地線可能會(huì)感應(yīng)起超過1伏特的電壓於其上。對於轉(zhuǎn)換器來說，地電位參考線會(huì)感應(yīng)電壓的話，可能導(dǎo)致運(yùn)作停止。     為要達(dá)致這些更高的速度，IC在設(shè)計(jì)和制造上都采用深度次微米尺寸（例如0.35m）。這

15、雖然縮減了幾何尺寸而得到快得多的性能，但也會(huì)令這些器件更容易招致鎖上（latch-up）及由瞬變引起的損害。而且，這些器件也要求更緊逼的能源管理以符合愈來愈嚴(yán)格的允許電壓范圍。      現(xiàn)時(shí)的10100Ethernet網(wǎng)絡(luò)介面卡（NIC）就是良好的例子，原來的10BaseT芯片是大尺寸的CMOS器件，對於過電壓損壞相對地是不那麼敏感的。然而，新型的芯片采用了0.35m的線寬，對於鎖上以及因瞬變而失效非常敏感因電能引致和雷電引致的瞬變。      現(xiàn)代的服務(wù)器，具有SMP（對稱多處理能力）的體系結(jié)構(gòu)，以及CPU以500MHz或以上的頻

16、率來運(yùn)作，就是能源分布挑戰(zhàn)方面的好例子。你不可以簡單地建造一個(gè)5V電源并把布線引到相應(yīng)的總線。以500MHz上限達(dá)20A或30A的電流開關(guān)，它要求於每個(gè)使用點(diǎn)（point-of-use）實(shí)際上有獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器，還加上一個(gè)更大的一級電壓源對這些轉(zhuǎn)換器的全部進(jìn)行供電。    趨勢要求具有熱交換（hotswap）的能力，意味著你要能做到在現(xiàn)用系統(tǒng)里插入或除下電路板。這樣做也是預(yù)告會(huì)有瞬變產(chǎn)生的。如此一來，無論插入的板抑或主板都必須有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)作用。      無論小型化或高速化的趨勢都有其獨(dú)特的問題。例如，大電流能源分布對於小型、便攜、手持式設(shè)備來說，

17、就不是個(gè)大問題。而對於桌面電腦和服務(wù)器來說，延長的電池壽命也不會(huì)成為問題。不過，鎖上和瞬變引致的損壞，在上述兩方面都成為問題。    3、鎖上和瞬變      對深度次微米IC從線寬的瞬變惡化了關(guān)於過電壓狀態(tài)的敏感性，意味著你要聰明一點(diǎn)，對這些器件進(jìn)行保護(hù)，但同時(shí)又不要影響它們的性能。      在一個(gè)保護(hù)輸入里，任何保護(hù)元件於正常運(yùn)作下都必須呈現(xiàn)為一個(gè)高阻抗電路。它必須加載盡可能小的電容負(fù)荷，例如，假定它是對正常輸入訊號加入小小效應(yīng)的話。不過，在過電壓的一瞬間，那同一個(gè)器件必須成為該瞬變電能的主要通路，將它從受保

18、護(hù)器件的輸入中引開。還有，保護(hù)器件的承受電壓應(yīng)該高於它保護(hù)的引腳上的最大允許電壓。同理，它的箝位電壓要足夠低，以防止受保護(hù)器件的損壞，這是由於在瞬變情況下，輸入上的電壓會(huì)是保護(hù)器件的箝位電壓。     以前，瞬變電壓抑制（TVS）二極管在印刷電路板上有效地將瞬變箝位。傳統(tǒng)的（TVS）二極管是固態(tài)PN結(jié)器件，低至5V的電壓也工作得很好。它們有快速的響應(yīng)時(shí)間，低的箝位電壓，高的電流浪涌能力全都是所希望的特性。不過，傳統(tǒng)TVS二極管的問題是低於5V以下會(huì)抬起它的頭。在這里，它們所采用的雪崩技術(shù)是個(gè)障礙。要在5V以下達(dá)致Stand-off電壓，要采用高度的摻雜（在1018/cm-3

19、或以上）。這反過來，又會(huì)引致更高的電容和漏電電流，兩者都會(huì)損害高性能的。傳統(tǒng)的TVS二極管具有電壓相關(guān)的電容，隨電壓減少而增加。例如，在5V下，典型的ESD保護(hù)二極管會(huì)有400pF的結(jié)電容。我們可以想像一下，這樣的電容性負(fù)載加於100BaseTEthernet發(fā)射器或接收器的輸入節(jié)點(diǎn)，或加於通用串行總線（USB）輸入，會(huì)有甚麼問題。而且，這些正正是最需要進(jìn)行瞬變保護(hù)的那些電路類型。      低於5V電壓的情況下，傳統(tǒng)的TVS二極管并非真正的選項(xiàng)。但這也不是說你再無可選擇的了。由加州伯克萊大學(xué)和Semtech公司（加州NewburyPark市）共同開發(fā)的一種新技術(shù)

20、，提供了一直低至2.8V工作電壓的瞬變和ESD保護(hù)。你可以在一系列的TVS器件中去選定一種，具有合適的電容，stand-off電壓，和箝位電壓來符合自己系統(tǒng)的要求。之後，還要考慮應(yīng)把該器件放在板上的甚麼地方，如何給電路板布線等問題。      在保護(hù)通路中的寄生電感會(huì)引起高電壓的過沖及令I(lǐng)C損壞。在快速上升時(shí)間瞬變的情況尤甚，例如ESD。由ESD感應(yīng)起的瞬變，據(jù)IEC1000-4-2的定義，會(huì)在不到1納秒（ns）內(nèi)到達(dá)它的峰值。以走線電感20nH寸來計(jì)算，4份1寸走線自10A脈沖會(huì)引起50V的過沖。      你必須考慮所有可能的感應(yīng)

21、通路，包括地線返回通路，在TVS和保護(hù)線路之間的通路，以及由連接器至TVS器件的通路。而且，TVS器件應(yīng)該盡可能地靠近連接器放置，以便將瞬變耦合到靠近的其他走線。      一塊10100Ethernet板是需要進(jìn)行瞬變保護(hù)的子系統(tǒng)。在Ethernet交換器和路由器中所用的器件是暴露在高能量，雷電感應(yīng)瞬變之下的。而所用的深度次微米IC在設(shè)計(jì)上對過電壓鎖上又是極度敏感的。在典型系統(tǒng)里，每個(gè)端口所用的雙絞線對介面由兩個(gè)不同的訊號對所組成一對用於發(fā)射器，另一對用於接收器。發(fā)射器輸入通常是最容易受到損壞的，在一個(gè)線路對中會(huì)出現(xiàn)有差異的致命性放電，并且透過變壓器以電容性地耦

22、合到EthernetIC。      有一種情況是，訊號頻率很高（100Mbit/s）而供電電壓又低（典型是3.3V），保護(hù)器件必須有很低的容性負(fù)載，而其stand-off電壓遠(yuǎn)低於5V。還有另一種情況，其中在保護(hù)通路中的寄生電感可以導(dǎo)致很大的電壓過沖。為使效率提到最高，電路板的布線應(yīng)該是，保護(hù)器和受保護(hù)線路之間的通路必須減至最低，而在RJ45連接器和保護(hù)器之間的通路長度也減至最低。4、熱交換即插即用      愈來愈多的系統(tǒng)其設(shè)計(jì)是，在系統(tǒng)仍然加電期間，允許插板或插頭隨時(shí)插入和拔除。那些插板或插頭會(huì)插入到或拔除自帶有訊號，電源線和地

23、線的插座，而且有很高機(jī)會(huì)產(chǎn)生瞬變。此外，該系統(tǒng)還能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)整其電源，以適應(yīng)突然增加或減少的電流負(fù)載。      蜂窩電話或其他可攜電子設(shè)備會(huì)無心地帶電期間插入到或拔除自充電的系統(tǒng)。這同樣也會(huì)產(chǎn)生瞬變。在這里，除了瞬變保護(hù)之外，還需要有能源管理以適應(yīng)突然增加或減少的電流負(fù)載。      USB介面的設(shè)計(jì)，是給桌面系統(tǒng)與周邊設(shè)備之間，提高一種高速的串行介接能力。還有，UB介面有一根電壓供電線，可用來給連接著的周邊設(shè)備供電。如果沒有負(fù)載插入到USB插座里，它就是個(gè)開路的插座。由人體靜電對該插座感應(yīng)的ESD脈沖放電，會(huì)導(dǎo)通至電路板上，并會(huì)輕

24、易地?fù)p壞USB控制器。      你必須確保這種高速總線里，無論數(shù)據(jù)線抑或電源線都采取了保護(hù)。并且，盡管能源管理已被寫入到USB的規(guī)格中，但ESD的保護(hù)卻還沒有。      TVS器件可以用來提供適當(dāng)?shù)腅SD保護(hù)。元件的放置和通路的長度仍然是重要的設(shè)計(jì)問題。同樣的排布指南應(yīng)該仔細(xì)參詳。務(wù)令TVS和受保護(hù)線之間的通路變短，并且務(wù)令TVS器件盡可能靠近端口連接器。      按照USB規(guī)格的需要，應(yīng)該采用固體電路能源分發(fā)開關(guān)器進(jìn)行能源管理。在PC主機(jī)中，它們提供短路電流保護(hù)和差錯(cuò)報(bào)告給控制器IC。在USB周邊

25、設(shè)備中，它們用來進(jìn)行端口切換，差錯(cuò)報(bào)告和供電電壓斜降控制。  5、 能源分配      如果將PC的電流量變化與10年前的相比，增幅之大實(shí)在令人驚詫。再加上時(shí)鐘頻率的大幅增加，使得PC和服務(wù)器處於極高的di/dt環(huán)境之下。例如，若L為2.5H及C等於4×1500F，在負(fù)載上的瞬變其數(shù)量級為200mV峰對峰值，恢復(fù)時(shí)間50微秒。使問題更復(fù)雜的還有令CPU進(jìn)入睡眠之類的模式，然後迅速地喚醒起來，所產(chǎn)生的瞬變是每微秒20至30A的范圍，因而變成為能源管理上的頭痛問題。      從轉(zhuǎn)換器觀點(diǎn)來看，di/dt的值左右了對輸

26、出電容的選擇，更特定地是電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL）。低頻運(yùn)作的轉(zhuǎn)換器需要用大的電容量來存儲兩個(gè)工作周期之間的電荷，這就要采用電解電容。這些電解電容雖然有很大的電容量，但隨之而來也有大的ESR和ESL，兩者都有違設(shè)計(jì)者心意的。此外，電解電容體積很大，不適合於表面安裝技術(shù)和緊湊的封裝。      有一種代替的辦法可以降低ESR和ESL的值，簡化生產(chǎn)過程，減少實(shí)際體積。方法是采用稍高頻率的轉(zhuǎn)換器，你就可以選擇陶瓷電容來代替電解電容，并且得到上述的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，藉著采用多相轉(zhuǎn)換器的方案，你更可將負(fù)載需求分擔(dān)開來，每個(gè)轉(zhuǎn)換器只需較少的輸入電容，同時(shí)又

27、能提供相同總量的電流能力。它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是降低了輸入紋波電流。在單相轉(zhuǎn)換方案中，輸入紋波電流等於輸出的紋波電流之半。由此，對20A系統(tǒng)而言，其輸入紋波電流是10A。但是，對於四相轉(zhuǎn)換器方案，例如說，就會(huì)在這四個(gè)轉(zhuǎn)換器中平分這種輸出電流?，F(xiàn)在每個(gè)供電為5A，而它們的輸入紋波電流為2A。這就可以采用更小型，更便宜的輸入電容器。      DellComputers公司（德州RoundRock市）替它的高速電腦和服務(wù)器系列開發(fā)了一種分立式，多相脈寬調(diào)制（PWM）控制器和反向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器。其設(shè)計(jì)是要符合Intel公司的高級PentiumCPU之緊迫電能能源管理的

28、要求。該電路自此已由Semtech公司應(yīng)Dell的要求加以集成起來。采取了多相控制器和轉(zhuǎn)換器的方案之後，你就要特別注意電路板的布線問題。高頻下的大電流開關(guān)會(huì)影響地平面有電壓的差異。      電路的大電流部份應(yīng)該先行布線，你應(yīng)該采用地平面（groundplate），或應(yīng)該引入隔離或半隔離地平面區(qū)域，限制地電流進(jìn)入特定區(qū)域。由輸入電容器和高端及低端驅(qū)動(dòng)器輸出FET形成的回路包含了全部大電流，快速瞬變開關(guān)。連接上應(yīng)寬即寬及應(yīng)短則短，以減少回路電感。這樣做就會(huì)降低電磁干擾（EMI），降低地注入的電流，并將源振鈴減至最小以得到更可靠的門電路開關(guān)訊號。  

29、0;   在上述兩個(gè)FET接合點(diǎn)與輸出電感器之間的連接，應(yīng)該是寬的徑跡，同時(shí)盡可能地短。輸出電容器應(yīng)該盡可能靠近負(fù)載放置?？焖偎沧冐?fù)載電流是由這個(gè)電容器提供的，所以，連接線應(yīng)該既寬且短，以便把電感和電阻減至最小。    控制器最好置於寧靜地平面區(qū)域內(nèi)，避免輸入電容器和FET回路中的脈沖電流流入這個(gè)區(qū)域。高低端地電位參考引腳應(yīng)該返回到極接近控制放大器封裝的地那里。小訊號模擬地和數(shù)碼地應(yīng)該連接到其中一個(gè)輸出電容器的地端。決不可以返回到在輸入電容FET回路內(nèi)部的地。電流感測電阻回路應(yīng)該保持盡可能的短。  6、 聰明地工作     

30、 雖然上面的例子說明了一些方法，可預(yù)知和避免混合訊號系統(tǒng)的某些陷阱，但這決不是巨細(xì)無遺的。每個(gè)系統(tǒng)都有其自己的挑戰(zhàn)事項(xiàng)，而每個(gè)設(shè)計(jì)師都有其獨(dú)特的障礙要跳越。無論對付的是更困難的保護(hù)，或更嚴(yán)格的能源管理，選擇恰當(dāng)?shù)脑鞘紫冗M(jìn)行的事情。在挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器控制器和TVS保護(hù)器件方面，有很廣泛的選擇范圍。把它們放置於電路板上的正確地方就會(huì)顯出能源管理和保護(hù)方面有效與否的差別。深思熟慮的布線和地平面的配置則是第叁方面的關(guān)鍵問題。 用於低壓電路的TVS      電壓低於5V時(shí)，傳統(tǒng)的PN結(jié)型TVS實(shí)際上完全不起作用。不過，有一種增強(qiáng)式穿通二極管（EPD），由加州柏克萊大

31、學(xué)和Semtech公司研制出來。      和雪崩式TVS二極管傳統(tǒng)的PN結(jié)構(gòu)不同，這種EPD器件采用了更復(fù)雜的n+p+p-n+四層結(jié)構(gòu)。它在p+和P-層采用輕摻雜，防止反向偏置的n+p+結(jié)會(huì)進(jìn)入雪崩狀態(tài)。      選擇npn結(jié)構(gòu)而不是pnp結(jié)構(gòu)，是因?yàn)樗懈叩碾娮舆w移率和改進(jìn)的箝位特性。藉著小心架構(gòu)制造P-基區(qū)，結(jié)果得到的器件於2.8V至3.3V電壓范圍內(nèi)，取得了出色的漏電，箝位和電容特性。    7、飽胃口極大的Pentium      Intel的Pentium規(guī)格里，要求在

32、500ns內(nèi)電流由5A增高至20A，轉(zhuǎn)換率為每微秒30A。而SemteckSC1144多相PWM控制器的能力還勝於任務(wù)所要求的。它提供了對多達(dá)四個(gè)反向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器的控制，得到所需的速度和精度。內(nèi)建的5位元DAC可讓輸出電壓作編程輸出，由1.8至2.05V按50mV增量進(jìn)行，由20至3.5V按100mV增量進(jìn)行。      這種多相技術(shù)產(chǎn)生了由90度相移分開的四個(gè)精確輸出電壓。然後，這四個(gè)經(jīng)數(shù)碼式相移的輸出一起求和，以得到所需的輸出電壓和電流容量。      以每個(gè)轉(zhuǎn)換器工作於2MHz來看，設(shè)計(jì)師可以采用陶瓷電容而非電解電容，

33、并且得到體積小，可表面安裝，以及更低的ESR和ESL的好處。 第三篇    信號隔離技術(shù)信號隔離使數(shù)字或模擬信號在發(fā)送時(shí)不存在穿越發(fā)送和接收端之間屏障的電流連接。這允許發(fā)送和接收端外的地或基準(zhǔn)電平之差值可以高達(dá)幾千伏，并且防止了可能損害信號的不同地電位之間的環(huán)路電流。信號地的噪聲可使信號受損。隔離可將信號分離到一個(gè)干凈的信號子系統(tǒng)地。在另一種應(yīng)用中，基準(zhǔn)電平之間的電連接可產(chǎn)生一個(gè)對于操作人員或病人不安全的電流通路。信號的性質(zhì)可以為電路設(shè)計(jì)人員指明系統(tǒng)可考慮的那些正確的IC。      第一類隔離器件依賴于無發(fā)送器和接收器來跨越隔離屏障。這種器件

34、曾用于數(shù)字信號，但線性化問題迫使模擬信號隔離采用變壓器，用調(diào)制載波使模擬信號跨越這個(gè)屏障。變壓器怎么說總是難弄的，而且通常不可能制成IC，所以想出了用電容器電路來耦合調(diào)制信號以跨越屏障。作用在隔離屏障上的高轉(zhuǎn)換率瞬態(tài)電壓可做為單電容屏障器件的信號，所以已開發(fā)出雙電容差分電路以使誤差最小?，F(xiàn)在電容屏障技術(shù)已應(yīng)用在數(shù)字和模擬隔離器件中。    1、隔離串行數(shù)據(jù)流      隔離數(shù)字信號有很大選擇范圍。假若數(shù)據(jù)流是位串行的，則選擇方案范圍從簡單光耦合器到隔離收發(fā)器IC。主要設(shè)計(jì)考慮包括：·所需的數(shù)據(jù)速率·系統(tǒng)隔離端的電源要求

35、83;數(shù)據(jù)通道是否必須為雙向      基于LED的光耦合器是用于隔離設(shè)計(jì)問題的第一種技術(shù)?，F(xiàn)在有幾件基于LED IC可用，其數(shù)據(jù)速率為10Mbps及以上。一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮是LED光輸出隨時(shí)間減小。所以在早期必須為LED提供過量電流，以使隨時(shí)間推移仍能提供足夠的輸出光強(qiáng)。因?yàn)樵诟綦x端可能提供電很有限，所以需要提供過量電流是一個(gè)嚴(yán)重的問題。因?yàn)長ED需要的驅(qū)動(dòng)電流可以大于從簡單邏輯輸出級可獲得的電流，所以往往需要特殊的驅(qū)動(dòng)電路。      對于高速應(yīng)用和在邏輯信號控制下使數(shù)據(jù)流反向轉(zhuǎn)送的情況，可用Burr-Brown公司的ISO 15

36、0數(shù)字耦合器。圖1示出ISO150的雙向應(yīng)用電路。通道1控制通道2的傳送方向，并配置為從A端傳送到B端。加到DIA引腳的信號確定信號的流向。送到B端的高電平把通道2的那一端置為接收模式。而加到通道2A端Mode引腳的低電平則把通道置成發(fā)送模式。方向信號的狀態(tài)在隔離屏障的兩邊都有。此電路可工作在80MHz的數(shù)據(jù)率下。      位串行通信的第二種變形是正在發(fā)展中的差分總線系統(tǒng)裝置。這些系統(tǒng)由RS-422、RS-485和CANbus標(biāo)準(zhǔn)描述。某些系統(tǒng)很幸運(yùn)地具有公共地，而很多系統(tǒng)具有不同電位的結(jié)點(diǎn)。當(dāng)兩結(jié)點(diǎn)相隔一定距離時(shí)，情況就更是如此。Burr-Brown公司的IS

37、O 422是設(shè)計(jì)成用于可有這些應(yīng)用的集成全雙工隔離收發(fā)器。此收發(fā)器可配制為半雙工和全雙工（見圖2）。傳輸率可達(dá)2.5Mbps。此器件甚至還包含了環(huán)路（Loop-back）測試功能，所以每個(gè)結(jié)點(diǎn)都可執(zhí)行自測試功能。在此模式期間，總線上的數(shù)據(jù)被忽略。  2、 隔離并行數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)      并行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)總線的隔離將增加三個(gè)更主要的設(shè)計(jì)參量：·總線的位寬度·容許的偏移度·時(shí)鐘速度要求      用一排光耦合器可完成這種任務(wù)，但支持電路可能很龐雜。光耦合器之間的傳播時(shí)間失配將導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏移，從而引起在接收

38、端的數(shù)據(jù)誤差。為使這種問題減至最小，ISO508隔離數(shù)字耦合器（圖3）支持在輸入和輸出端的雙緩沖數(shù)據(jù)緩存。這種配置將以2MBps的速率傳輸數(shù)據(jù)。      ISO508有兩種工作模式。當(dāng)CONT引腳被置成低態(tài)時(shí)，在LE1信號的控制下，數(shù)據(jù)以同步模式被傳送穿越屏障。在LE1高態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)從輸入引腳傳送到輸入鎖存。當(dāng)LE1變低態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)字節(jié)開始傳輸穿越屏障。在此時(shí)間，輸入引腳可用于下一代數(shù)據(jù)字節(jié)。在此模式下，可傳送的數(shù)據(jù)率可達(dá)2MBps。      當(dāng)CONT引腳被置成高態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)在器件內(nèi)部20MHz時(shí)鐘的控制下被跨越屏障發(fā)送。數(shù)據(jù)傳輸對外

39、部鎖存使能信號是異步的。數(shù)據(jù)以串行形式從輸入鎖存被選通到輸出鎖存。在一個(gè)字節(jié)傳輸完成后，整個(gè)字節(jié)移入輸出鎖存，輸出鎖存將對已傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字節(jié)去偏移。對于完整的8位字節(jié)，傳播延遲將小于1ms。    3、模擬信號隔離      在很多系統(tǒng)中，模擬信號必須隔離。模擬信號所考慮的電路參量完全不同于數(shù)字信號。模擬信號通常先要考慮：·精度或線性度·頻率響應(yīng)·噪聲考慮      電源要求，特別是對輸入級，也應(yīng)該關(guān)注隔離放大器的基本精度或線性度不能依靠相應(yīng)的應(yīng)用電路來改善，但這些電路可降低噪聲和降低輸

40、入級電源要求。      Burr-Brown的ISO124使模擬隔離簡化。輸入信號被占空度調(diào)制并以數(shù)字方式發(fā)送跨過屏障。輸出部分接收被調(diào)制的信號，把它變換回模擬電壓并去掉調(diào)制/解調(diào)過程中固有的紋波成分。由于對輸入信號的調(diào)制與解調(diào)，所以應(yīng)遵循采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)的一些限制。調(diào)制器工作在500kHz的基頻上，所以高于250kHz Ngquist頻率的輸入信號在輸出中呈現(xiàn)較低的頻率分量。      盡管輸出級去掉了輸出信號中載波頻率的大多數(shù)，但仍然有一定量的載波信號存在。圖4示出了降低系統(tǒng)其余部分中高頻噪聲污染的組合濾波方法。電源濾波器能顯著地降

41、低從電源引腳竄入的噪聲。輸出濾波器是一個(gè)Q為I、3dB頻率為50kHz的二極Sallen-key級。這使輸出紋波降低5倍。      對隔離電壓的另一問題是輸入級所需的功率。輸出級通常以機(jī)殼或地為基準(zhǔn)，而輸入通常浮動(dòng)在另一個(gè)電位上。因此，輸入級的電源也必須隔離。通常用一個(gè)單電源，而不是理想中使用的+15V和-15V電源。      圖5示出在ISO124輸入級的一個(gè)單電壓電源結(jié)合使用1NA2132雙差分放大器，可將擺幅提升到輸入信號電平的全范圍。唯一的要求是輸入端電源電壓保持大于9V，這是ISO124輸入電壓所需要的。  &

42、#160;   INA2132的下半部產(chǎn)生一個(gè)VS+電源的一半的輸出電壓。此電壓用作INA2132另一半的REF引腳和ISO124的GND輸入是偽地。INA2132的差分輸入信號的擺幅可以高于或低于新參考電平。ISO124的輸出與輸入一樣，將是完全雙極性的。    4、隔離用的多功能IC      新的多功能數(shù)據(jù)采集IC使設(shè)計(jì)人員有機(jī)會(huì)在跨越隔離屏?xí)r完成多個(gè)任務(wù)。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集器件可包含多路模擬開關(guān)，可編程增益儀表放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)或多個(gè)數(shù)字I/O通道。所有這些功能都是通過一個(gè)串行數(shù)據(jù)口進(jìn)行控制的。Burr-Brown公司

43、的ADS7870就是這樣的一種器件。ADS7870與ISO150一起工作得很好，并示于圖6。      在此應(yīng)用中，ADS7870的每個(gè)可編程功能都置于主微處理器的控制之下，而該微處理器本身的控制是通過串行通信口寫命令到寄存器來實(shí)現(xiàn)的?？刂铺匦园ǎ?#183;多路器的選擇·4個(gè)差分通道或8個(gè)單端通道·可編程儀表放大器的增益設(shè)置，120·12位A/D轉(zhuǎn)換的初始化      此器件的4條數(shù)字I/O線也是有用的，可被個(gè)別地規(guī)定為報(bào)告數(shù)字信號的狀態(tài)或輸出數(shù)字信號。這允許隔離某些支持功能，如通過同一ISO150擴(kuò)

44、展信號多路器的電平或錯(cuò)誤標(biāo)志讀出。    結(jié)語    有很多器件可供設(shè)計(jì)人員選用，并使用在系統(tǒng)中地電位有很大差別的設(shè)計(jì)中。每一種器件都是針對獨(dú)特系統(tǒng)要求而設(shè)計(jì)的。新器件性能集成的高水平使得跨越隔離屏障能實(shí)現(xiàn)從前做不到的更復(fù)雜的操作。 第三篇    信號隔離技術(shù)信號隔離使數(shù)字或模擬信號在發(fā)送時(shí)不存在穿越發(fā)送和接收端之間屏障的電流連接。這允許發(fā)送和接收端外的地或基準(zhǔn)電平之差值可以高達(dá)幾千伏，并且防止了可能損害信號的不同地電位之間的環(huán)路電流。信號地的噪聲可使信號受損。隔離可將信號分離到一個(gè)干凈的信號子系統(tǒng)地。在另一種應(yīng)用中，基準(zhǔn)電平之間的電

45、連接可產(chǎn)生一個(gè)對于操作人員或病人不安全的電流通路。信號的性質(zhì)可以為電路設(shè)計(jì)人員指明系統(tǒng)可考慮的那些正確的IC。      第一類隔離器件依賴于無發(fā)送器和接收器來跨越隔離屏障。這種器件曾用于數(shù)字信號，但線性化問題迫使模擬信號隔離采用變壓器，用調(diào)制載波使模擬信號跨越這個(gè)屏障。變壓器怎么說總是難弄的，而且通常不可能制成IC，所以想出了用電容器電路來耦合調(diào)制信號以跨越屏障。作用在隔離屏障上的高轉(zhuǎn)換率瞬態(tài)電壓可做為單電容屏障器件的信號，所以已開發(fā)出雙電容差分電路以使誤差最小。現(xiàn)在電容屏障技術(shù)已應(yīng)用在數(shù)字和模擬隔離器件中。    1、隔離串行數(shù)據(jù)流

46、0;     隔離數(shù)字信號有很大選擇范圍。假若數(shù)據(jù)流是位串行的，則選擇方案范圍從簡單光耦合器到隔離收發(fā)器IC。主要設(shè)計(jì)考慮包括：·所需的數(shù)據(jù)速率·系統(tǒng)隔離端的電源要求·數(shù)據(jù)通道是否必須為雙向      基于LED的光耦合器是用于隔離設(shè)計(jì)問題的第一種技術(shù)?，F(xiàn)在有幾件基于LED IC可用，其數(shù)據(jù)速率為10Mbps及以上。一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮是LED光輸出隨時(shí)間減小。所以在早期必須為LED提供過量電流，以使隨時(shí)間推移仍能提供足夠的輸出光強(qiáng)。因?yàn)樵诟綦x端可能提供電很有限，所以需要提供過量電流是一個(gè)嚴(yán)重的問題。因?yàn)長ED需要的

47、驅(qū)動(dòng)電流可以大于從簡單邏輯輸出級可獲得的電流，所以往往需要特殊的驅(qū)動(dòng)電路。      對于高速應(yīng)用和在邏輯信號控制下使數(shù)據(jù)流反向轉(zhuǎn)送的情況，可用Burr-Brown公司的ISO 150數(shù)字耦合器。圖1示出ISO150的雙向應(yīng)用電路。通道1控制通道2的傳送方向，并配置為從A端傳送到B端。加到DIA引腳的信號確定信號的流向。送到B端的高電平把通道2的那一端置為接收模式。而加到通道2A端Mode引腳的低電平則把通道置成發(fā)送模式。方向信號的狀態(tài)在隔離屏障的兩邊都有。此電路可工作在80MHz的數(shù)據(jù)率下。      位串行通信的第二種變形是正在發(fā)

48、展中的差分總線系統(tǒng)裝置。這些系統(tǒng)由RS-422、RS-485和CANbus標(biāo)準(zhǔn)描述。某些系統(tǒng)很幸運(yùn)地具有公共地，而很多系統(tǒng)具有不同電位的結(jié)點(diǎn)。當(dāng)兩結(jié)點(diǎn)相隔一定距離時(shí)，情況就更是如此。Burr-Brown公司的ISO 422是設(shè)計(jì)成用于可有這些應(yīng)用的集成全雙工隔離收發(fā)器。此收發(fā)器可配制為半雙工和全雙工（見圖2）。傳輸率可達(dá)2.5Mbps。此器件甚至還包含了環(huán)路（Loop-back）測試功能，所以每個(gè)結(jié)點(diǎn)都可執(zhí)行自測試功能。在此模式期間，總線上的數(shù)據(jù)被忽略。  2、 隔離并行數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)      并行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)總線的隔離將增加三個(gè)更主要的設(shè)計(jì)參量：·

49、;總線的位寬度·容許的偏移度·時(shí)鐘速度要求      用一排光耦合器可完成這種任務(wù)，但支持電路可能很龐雜。光耦合器之間的傳播時(shí)間失配將導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏移，從而引起在接收端的數(shù)據(jù)誤差。為使這種問題減至最小，ISO508隔離數(shù)字耦合器（圖3）支持在輸入和輸出端的雙緩沖數(shù)據(jù)緩存。這種配置將以2MBps的速率傳輸數(shù)據(jù)。      ISO508有兩種工作模式。當(dāng)CONT引腳被置成低態(tài)時(shí)，在LE1信號的控制下，數(shù)據(jù)以同步模式被傳送穿越屏障。在LE1高態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)從輸入引腳傳送到輸入鎖存。當(dāng)LE1變低態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)字節(jié)開始傳輸穿越屏障。在此

50、時(shí)間，輸入引腳可用于下一代數(shù)據(jù)字節(jié)。在此模式下，可傳送的數(shù)據(jù)率可達(dá)2MBps。      當(dāng)CONT引腳被置成高態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)在器件內(nèi)部20MHz時(shí)鐘的控制下被跨越屏障發(fā)送。數(shù)據(jù)傳輸對外部鎖存使能信號是異步的。數(shù)據(jù)以串行形式從輸入鎖存被選通到輸出鎖存。在一個(gè)字節(jié)傳輸完成后，整個(gè)字節(jié)移入輸出鎖存，輸出鎖存將對已傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字節(jié)去偏移。對于完整的8位字節(jié)，傳播延遲將小于1ms。    3、模擬信號隔離      在很多系統(tǒng)中，模擬信號必須隔離。模擬信號所考慮的電路參量完全不同于數(shù)字信號。模擬信號通常先要考慮：·精度

51、或線性度·頻率響應(yīng)·噪聲考慮      電源要求，特別是對輸入級，也應(yīng)該關(guān)注隔離放大器的基本精度或線性度不能依靠相應(yīng)的應(yīng)用電路來改善，但這些電路可降低噪聲和降低輸入級電源要求。      Burr-Brown的ISO124使模擬隔離簡化。輸入信號被占空度調(diào)制并以數(shù)字方式發(fā)送跨過屏障。輸出部分接收被調(diào)制的信號，把它變換回模擬電壓并去掉調(diào)制/解調(diào)過程中固有的紋波成分。由于對輸入信號的調(diào)制與解調(diào)，所以應(yīng)遵循采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)的一些限制。調(diào)制器工作在500kHz的基頻上，所以高于250kHz Ngquist頻率的輸入信號在輸出中

52、呈現(xiàn)較低的頻率分量。      盡管輸出級去掉了輸出信號中載波頻率的大多數(shù)，但仍然有一定量的載波信號存在。圖4示出了降低系統(tǒng)其余部分中高頻噪聲污染的組合濾波方法。電源濾波器能顯著地降低從電源引腳竄入的噪聲。輸出濾波器是一個(gè)Q為I、3dB頻率為50kHz的二極Sallen-key級。這使輸出紋波降低5倍。      對隔離電壓的另一問題是輸入級所需的功率。輸出級通常以機(jī)殼或地為基準(zhǔn)，而輸入通常浮動(dòng)在另一個(gè)電位上。因此，輸入級的電源也必須隔離。通常用一個(gè)單電源，而不是理想中使用的+15V和-15V電源。    

53、0; 圖5示出在ISO124輸入級的一個(gè)單電壓電源結(jié)合使用1NA2132雙差分放大器，可將擺幅提升到輸入信號電平的全范圍。唯一的要求是輸入端電源電壓保持大于9V，這是ISO124輸入電壓所需要的。      INA2132的下半部產(chǎn)生一個(gè)VS+電源的一半的輸出電壓。此電壓用作INA2132另一半的REF引腳和ISO124的GND輸入是偽地。INA2132的差分輸入信號的擺幅可以高于或低于新參考電平。ISO124的輸出與輸入一樣，將是完全雙極性的。    4、隔離用的多功能IC      新的多功能數(shù)據(jù)采集IC使設(shè)計(jì)人員有機(jī)會(huì)在跨越隔離屏?xí)r完成多個(gè)任務(wù)。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集器件可包含多路模擬開關(guān)，可編程增益儀表放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)或多個(gè)數(shù)字I/O通道。所有這些功能都是通過一個(gè)串行數(shù)據(jù)口進(jìn)行控制的。Burr-Brown公司的ADS7870就是這樣的一種器件。ADS7870與ISO150一起工作得很好，并示于圖6。