汽车电子PCB技术研究

麻新兵，冯甲利，姚长青，蔡花

（西安兰德新能源汽车技术开发有限公司，陕西 西安 710043）

汽车电子PCB技术研究

麻新兵，冯甲利，姚长青，蔡花

（西安兰德新能源汽车技术开发有限公司，陕西 西安 710043）

随着全球汽车产业规模近年持续攀升，中国已成为世界第二大汽车保有量国家。涉及整车控制、动力驱动、汽车电子配件的中国本土汽车电子企业在顺势崛起，并且发展极为迅速。对应这些控制单元的硬件载体的PCB设计技术，自然越来越受行业重视。文章针对车载PCB板的工作条件，主要讨论电感的放置方向、线路耦合、接地孔以及引线长度、引线电感等问题。

汽车电子；PCB

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

引言

在现代生活中，汽车已经成为人们生活必不可少的交通工具。同时，汽车工业的发展对整个世界经济的推动作用也十分巨大，甚至可以说从某种程度上正在改变着世界的经济格局。

近年来，随着集成电路的不断发展，汽车电子产业已经成为继计算机产业、通讯产业之后PCB的第三大应用领域。而PCB板作为组成各种汽车电子、电气设备的基本部件。它的市场需求也在快速增长，技术要求也更高。据统计，2006年全球PCB产值为120亿美元，其中汽车电子领域占6.6亿美元。目前，国产汽车成本中，电子产品的比例约为30%，而在国际先进汽车企业的成本中，汽车电子产品比例已达到60%～80%。但是，中国汽车的电子设备产值较低，主要原因是研发能力和可靠性仍需提升。如研发人员时常发现相同CPU安装到两块设计功能相同、器件布局不同的电路板上，其性能指标会有显著差异。此外，工作条件、谐波辐射、抗干扰能力，以及启动时间等诸多因素的变化，都能说明电路板布局在一款成功设计中的重要性。

电路板布局中大多数问题源于以下几个常见原因，我们将对此一一讨论。

1、电感方向

当两个电感（甚至是两条PCB走线）彼此靠近时，将会产生互感。第一个电路中的电流所产生的磁场会对第二个电路中的电流产生激励（图1）。这一过程与变压器初级、次级线圈之间的相互影响类似。当两个电流通过磁场相互作用时，所产生的电压由互感LM决定：

式中，YB是向电路B注入的误差电压，LA是在电路A中的电流。LM对电路间距、电感环路面积（即磁通量）以及环路方向非常敏感。

因此，紧凑的电路布局和降低耦合之间的最佳平衡是正确排列所有电感的方向。

由磁力线可以看出互感的分布与电感排列方向有关。对电路B的方向进行调整，使其电流环路平行于电路A的磁力线。为达到这一目的，尽量使电感互相垂直，参考图2的两种器件布局方式。该电路板上的三个电感（L3、L1和L2）距离非常近，将其方向排列为0°、45°和90°，会有助于降低彼此之间的互感干扰。

图中所示同一功能电路，A,B两种不同的布局方法，可以看出A图元件布局方向不合理（L1、L2、L3），B图的电感布局方向更有利于降低器件的互感影响。

综上所述，电感布局应遵循以下原则：① 电感间距应尽可能远；② 电感排列方向成直角，使电感之间的串扰降至最小。

2、引线耦合

如同电感排列方向会影响磁场耦合一样，如果引线彼此过于靠近，也会影响耦合。这种布局问题也会产生所谓的互感。RF电路最关心问题之一即为系统敏感部件的走线，例如输入匹配网络、接收器的谐振槽路、发送器的天线匹配网络等。

返回电流通路须尽可能靠近主电流通道，将辐射磁场降至最小。这种布局有助于减小电流环路面积。返回电流的理想低阻通路通常是引线下方的接地区域—将环路面积有效限制在电介质厚度乘以引线长度的区域。但是，如果接地区域被分割开，则会增大环路面积（图3）。对于穿过分割区域的引线，返回电流将被强制通过高阻通路，大大提高了电流环路面积。这种布局还使电路引线更容易受互感的影响。

由图看以看出，引线下方应尽可能保证完整接地，完整的大面积接地有助改善电路性能。

3、接地过孔

RF电路布局的主要问题通常是电路的特征阻抗不理想，包括电路元件及其互联。引线覆铜层较薄，则等效于电感线，并与邻近的其它引线形成分布电容。引线穿过过孔时，也会表现出电感和电容特性。

过孔电容主要源于过孔焊盘侧的覆铜与底层覆铜之间构成的电容，它们之间由一个相当小的圆环隔开。另外一个影响源于金属过孔本身的圆柱。寄生电容的影响一般较小，通常只会造成高速数字信号的边沿变差（本文对此不讨论）。

过孔的最大影响是相应的互联方式所引起的寄生电感。因为RF PCB设计中，大多数金属过孔尺寸与集总元件的尺寸相同，可利用简单的公式估算电路过孔的影响（图5）：

其中，LVIA为过孔的集总电感；h为过孔高度，单位为英寸；d为过孔直径，单位为英寸。

该图为PCB横截面示意图，用于估算寄生影响的过孔结构。寄生电感往往对旁路电容的连接影响很大。理想的旁路电容在电源层与地层之间提供高频短路，但是，非理想过孔则会影响地层和电源层之间的低感通路。典型的 PCB过孔（d = 10 mil、h = 62.5 mil）大约等效于一个1.34nH电感。给定ISM-RF产品的特定工作频率，过孔会对敏感电路（例如，谐振槽路、滤波器以及匹配网络等）造成不良影响。

如果敏感电路共用过孔，例如π型网络的两个臂，则会产生其它问题。例如，放置一个等效于集总电感的理想过孔，等效原理图则与原电路设计有很大区别（图5）。与共用电流通路的串扰一样，导致互感增大，加大串扰风险。

由此可以看出，电路布局需要遵循以下原则：① 确保对敏感区域的过孔电感建模；② 滤波器或匹配网络采用独立过孔；③ 较薄的PCB覆铜会降低过孔寄生电感的影响。

4、接地与填充处理

接地或电源层定义了一个公共参考电压，通过低阻通路为系统的所有部件供电。按照这种方式均衡所有电场，产生良好的屏蔽机制。

直流电流总是倾向于沿着低阻通路流通。同理，高频电流也是优先流过最低电阻的通路。所以，对于地层上方的标准PCB引线，返回电流试图流入引线正下方的接地区域。按照上述引线耦合部分所述，割断的接地区域会引入各种噪声，进而通过磁场耦合或汇聚电流而增大串扰（图6）。尽可能保持地层完整，否则返回电流会引起串扰。

另外，填充地也称为保护线，通常将用于电路中很难铺设连续接地区域或需要屏蔽敏感电路的设计（图7）。通过在引线两端，或者是沿线放置接地过孔（即过孔阵列），增大屏蔽效应。不要将保护线与设计用来提供返回电流通路的引线相混合，这样的布局会引入串扰。

覆铜区域不接地（浮空）或仅在一端接地时，会制约其有效性。有些情况下，它会形成寄生电容，改变周围布线的阻抗或在电路之间产生“潜在”通路，从而造成不利影响。简而言之，如果在电路板上铺设了一块覆铜（非电路信号走线），应尽量确保一致的电镀厚度。覆铜区域应避免浮空，因为它会影响电路的EMC性能。

最后，确保考虑天线附近任何接地区域的影响。任何单极天线都将接地区域、走线和过孔作为系统均衡的一部分，非理想均衡布线会影响天线的辐射效率和方向（辐射模板）。因此，不应将接地区域直接放置在单极PCB引线天线的下方。

综上所述，接地与填充应该遵循以下原则：①尽量提供连续、低阻的接地区域；②填充线的两端接地，并尽量采用过孔阵列。③电路附近不要将覆铜线浮空，电路周围不要铺设铜皮。如果电路板包括多个地层，信号线从一侧过度另一侧时，最好铺设一个接地过孔。

5、总结

综上所述，遵守以上的指导原则，对几种常见的PCB布局陷阱造成EMC设计问题，只要注意电路的非理想特性，完全可避免这些缺陷。通过对一些不希望的影响做出适当的处理，例如元件方向、走线长度、过孔布置，以及接地区域的用法，可明显节省浪费在修正错误方面的时间和金钱。

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，就职于西安兰德新能源汽车技术开发有限公司。