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引言

功放進(jìn)入了數(shù)字時(shí)代。數(shù)字功放的關(guān)鍵部分集成電路已經(jīng)達(dá)到了較高水半，如TDA8902J數(shù)字功放有效地降低了信號(hào)間的干擾、可實(shí)現(xiàn)高保真。雖然核心技術(shù)解決了，但印制線路板(PCB)布線不當(dāng)，也很難達(dá)到理想的效果。筆者在TDA8902J數(shù)字功放的PCB設(shè)計(jì)過程中總結(jié)了一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)就PCB設(shè)計(jì)應(yīng)遵守的布線原則及抗干擾設(shè)計(jì)要求與電磁兼容性要求作簡要分析介紹。

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(hào)、數(shù)字信號(hào)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(shí)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(jí)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(shí)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(jí)走線應(yīng)盡可能短，元件應(yīng)盡量靠攏，大信號(hào)、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(hào)。

(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(shí)，通過2A的電流，溫度不會(huì)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(huì)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(huì)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(gè)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(huì)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1.5mm便可滿足要求，而在LM4652部分則要求3～5mm。同時(shí)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?？朔姶鸥蓴_，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(hào)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(shí)，地線阻抗變得很大，此時(shí)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(shí)，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(huì)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(huì)縮小電位差值，提高功放電路的抗噪聲能力。

2.3 信號(hào)線的設(shè)計(jì)

與PCB以外的弱信號(hào)相連時(shí)，通常采用屏蔽電纜。對于高頻和數(shù)字信號(hào)，屏蔽電纜兩端都接地。該功放模擬音頻信號(hào)用的屏蔽電纜，采用一端接地為好。而PCB中的信號(hào)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(gè)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(dòng)電路以及含有微弱模擬信號(hào)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(shí)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(shí)，也將噪聲加到了電路中。該功放電路的信號(hào)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(hào)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(jí)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(jí)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(hào)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)。

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。