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[導(dǎo)讀]1.PCB的布局及布線原則 PCB提供了功放電路元器件之間的電氣連接,要使功放電路獲得最佳性能,元器件的布局及印制導(dǎo)線的布設(shè)是關(guān)鍵。 1.1 布局原則 (1)數(shù)字功放的功率管工作在開關(guān)狀態(tài),頻率高、電流大,且與電

1.PCB的布局及布線原則
    PCB提供了功放電路元器件之間的電氣連接,要使功放電路獲得最佳性能,元器件的布局及印制導(dǎo)線的布設(shè)是關(guān)鍵。
1.1 布局原則
(1)數(shù)字功放的功率管工作在開關(guān)狀態(tài),頻率高、電流大,且與電源部分靠得近, 而該功放(如圖1—1)由于采用開關(guān)電源(圖中未畫出)供電,干擾和紋波系數(shù)較大,因此,元器件在PCB上排列的位置要考慮抗電磁干擾,各部件之間的引線要盡量短。在布局上,要把模擬信號、數(shù)字信號和噪聲源這三部分合理地分開,使相互間的耦合為最小。即要求與LM4651⑩ 腳相連的模擬輸入部分與其它數(shù)字部分要分開, 電源輸入、去耦濾波元件,也要與數(shù)字處理部分分開, 此外,還要考慮電源變壓器的方向性, 使之對電路的輻射最小。
 

(2)元件在排列時應(yīng)按輸出濾波器、H-橋電路、比較器、振蕩發(fā)生器、電壓放大器的次序, 如果各級交叉排列, 很容易相互影響,出現(xiàn)自激或吸收。
(3)對電磁場輻射較強(qiáng)的元件(如L3,L2)、和對電磁感應(yīng)較敏感的元件(R1、C1,R5、C3), 應(yīng)加以屏蔽,或遠(yuǎn)離電磁場輻射源,以減少干擾。
(4)盡可能縮短高頻元件(如R5、C3)之間的連線, 設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近, 輸入和輸出元件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。
(5)有些元器件或?qū)Ь€之間有較高的電位差, 應(yīng)加大它們之間的距離, 以免放電出現(xiàn)意外短路。如TDA8902J的⑤ 、⑦ 腳:LH4652的① 、
③ 腳走線不宜相距太近。帶高電壓的元器件(如電源開關(guān))應(yīng)盡量布置在調(diào)試時手不易觸及的地方。

1.2 布線原則
(1)輸入輸出端(如R8、L1)用的導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行,最好加線間地線,以免發(fā)生反饋耦合。
(2)各級走線應(yīng)盡可能短,元件應(yīng)盡量靠攏,大信號、高阻抗走線更要注意。如R11、C18的走線應(yīng)盡可能短,音頻的輸入(C1 、R1)輸出(L1、L2)線也不宜長,否則易感應(yīng)交流信號。
(3)導(dǎo)線的最小寬度主要由導(dǎo)線與絕緣基板間的粘附強(qiáng)度和流過它們的電流值決定。當(dāng)銅箔厚度為0.05mm、寬度為1—15mm時,通過2A 的電流,溫度不會高于3℃ 。該功放可選0.5~5mm導(dǎo)線寬度。導(dǎo)線的最小間距主要由最壞情況下的線間絕緣電阻和擊穿電壓決定,可使間距小至5~8mm。
(4)印制導(dǎo)線拐彎處一般取圓弧形,而直角或夾角在高頻電路中會影響電氣性能。圖1—2(a)(b)(c)為三種拐角線的形式, 圖(C)采用45°外斜切面拐角線的傳輸性能和反射性能要優(yōu)于其它兩種拐角線。圓弧的拐角線的性能要比這三種走線形式要好, 但是弧度的刻劃對制板的工藝要求比較高,會增加生產(chǎn)成本,該功放采用45°外斜切面拐角走線能滿足設(shè)計(jì)要求。

2.抗干擾設(shè)計(jì)措施
    PCB的抗干擾設(shè)計(jì)針對不同電路有不同的要求,以下從三個方面討論該功放的PCB抗干擾設(shè)計(jì)措施。
2.1電源線設(shè)計(jì)
    在直流電源回路中,負(fù)載的變化會引起電源噪聲。根據(jù)PCB 電流的大小,盡量加粗電源線寬度,減少環(huán)路電阻。該功放電路LM4651L部
分電源的走線,導(dǎo)線寬度為1.5 mm便可滿足要求, 而在LM4652部分則要求3~5mm。同時使電源線和地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致,
這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。
2.2地線設(shè)計(jì)
    地線比電源線更重要。克服電磁干擾,最主要的手段是地線的設(shè)計(jì)。地線的布線特別講究,通常采用單點(diǎn)接地法。模擬地、數(shù)字地和大功率器件地分開, 最后都匯集到電源地。該功放地線結(jié)構(gòu)有系統(tǒng)地、機(jī)殼地、數(shù)字地和模擬地等。地線的設(shè)計(jì)原則是:
(1)數(shù)字地與模擬地分開。該功放既有邏輯電路又有線性電路,應(yīng)使它們盡量分開,分別與電源端地線相連,并盡可能加大線性電路的接地面積。模擬音頻的地應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地。
(2)接地線應(yīng)盡量加粗。若接地線很細(xì)。接地電位則隨電流的變化而變化,致使功放電路信號電平不穩(wěn),抗噪聲性能變壞。通常使地線能通過三倍的電流。該功放接地線應(yīng)在3 ~6mm 以上。
(3)正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地。該功放的模擬部分, 工作頻率低,它的布線和器件間的電感影響較小,而接地電路形成的環(huán)流對干擾影響較大,因而應(yīng)采用單點(diǎn)接地。而在數(shù)字部分工作頻率大于10MHz時,地線阻抗變得很大,此時應(yīng)盡量降低地線阻抗, 就近多點(diǎn)接地。當(dāng)工作頻率在1—10MHz時,如果采用單點(diǎn)接地,其地線長度不應(yīng)超過波長的1/20,否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地法。該功放數(shù)字部分雖然開關(guān)頻率為125kHz,但由于諧波的影響,采用多點(diǎn)接地更好。
(4)將接地線構(gòu)成閉環(huán)路。數(shù)字功放的PCB,將接地線設(shè)計(jì)成閉環(huán)路可以明顯地提高抗噪聲能力。其原因在于:電路中耗電元件多,因受接地線粗細(xì)的限制,會在地線上產(chǎn)生較大的電位差,引起抗噪聲能力下降,若將接地構(gòu)成環(huán)路,則會縮小電位差值,提高功放電路的抗噪聲能力。

2.3 信號線的設(shè)計(jì)
    與PCB以外的弱信號相連時,通常采用屏蔽電纜。對于高頻和數(shù)字信號,屏蔽電纜兩端都接地。該功放模擬音頻信號用的屏蔽電纜,采用一端接地為好。而PCB 中的信號走線應(yīng)盡量短并避開干擾源。

 

3.電磁兼容性(EMC)設(shè)計(jì) 

一個簡單的電磁干擾模型由三部分組成, 如圖3—1所示。該功放含有開關(guān)電源和大功率、大電流驅(qū)動電路以及含有微弱模擬信號電路與高精度A/D 變換電路的系統(tǒng),電磁干擾不可避免。EMC設(shè)計(jì)的目的是使功放既能抑制各種外來的干擾,同時又能減少本身對其它電子設(shè)備的電磁干擾。

3.1 PCB設(shè)計(jì)中的EMC措施
    該功放注意了不同的布局區(qū)域,使專用零伏線、電源線的走線寬度≥ 1mm, 電源與地呈“井” 字形分布,分布線電流達(dá)到了均衡,并為模擬電路專門提供一根零伏線。為減少線間串?dāng)_,增加了印刷線條間距,并安插了幾根零伏線作為線間隔離。PCB的插頭也多安排二根零伏線作為線間隔離。特別注意了電流流通中的導(dǎo)線環(huán)路尺寸。

3.2配套于PCB的開關(guān)電源的EMC
    電源在向功放供電的同時,也將噪聲加到了電路中。該功放電路的信號輸入、振蕩及控制部分最容易受外界噪聲的干擾。電網(wǎng)上的強(qiáng)干擾通過電源進(jìn)入電路,電路中的模擬信號最容易受到來自電源的干擾。該電源對電網(wǎng)的傳導(dǎo)騷擾及輻射騷擾是非線性流和初級電路中功率晶體管外殼與散熱器之間的耦合在電源輸入端產(chǎn)生的共模噪聲。
    該電源對開關(guān)電壓波形進(jìn)行了修整,在晶體管與散熱器之間加裝了帶屏蔽層的絕緣墊片,在市電輸入端加接了互感濾波器,并減小了環(huán)
路面積,在次級整流回路中使用的軟恢復(fù)二極管上并聯(lián)了聚酯薄膜電容,因而使開關(guān)電壓波形得到了很大的改善。

3.3傳輸線的EMC
    同軸電纜有較好的抗電磁干擾能力。該功放信號線所用同軸電纜為美國的AUDIOOUEST(線圣), 采用單端接地,為磁感應(yīng)減小了環(huán)路
電流,使磁場屏蔽性能增強(qiáng)。<--++ plugin_code qcomic begin-->

基于TDA8902J的數(shù)字功放, 功率大、熱損耗小、音質(zhì)好、體積小,通過對其PCB 進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)后,音質(zhì)更好、信噪比更高、抗干擾能力也明顯增強(qiáng), 可應(yīng)用于很多音頻設(shè)備中,如聲卡、有源音箱、汽車音響等,具有廣闊的前景。

4.結(jié)束語
基于TDA8902J的數(shù)字功放, 功率大、熱損耗小、音質(zhì)好、體積小,通過對其PCB 進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)后,音質(zhì)更好、信噪比更高、抗干擾能力也明顯增強(qiáng), 可應(yīng)用于很多音頻設(shè)備中,如聲卡、有源音箱、汽車音響等,具有廣闊的前景。

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