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应用笔记
引言
PCB设计在整个硬件设计流程中是十分重要的一环。在PCB设计流程中，合理的走线与布局可以提高系统的电磁兼容水平和稳定性。本文将结合某电子烟项目，对PCB设计流程中几个关键环节进行介绍。
电路概况
本设计基于嵌入式平台，主要包含高频MOS开关电路、采样-放大电路、充电电路和显示屏电路等。其中采样-放大电路由采样电阻和运放芯片及其外围电路组成，放大倍率为16倍，因此对干扰信号较为敏感。高频MOS管开关电路作为主要的输出电路，其电流较大且快速变化，必须保证其产生的干扰不会影响到采样电路，同时可以正常实现输出功能。
由于产品的外壳是确定的，在设计中应该注意避开开孔位置、匹配外壳形状。本设计重点在于高频MOS开关电路与采样-放大电路之间的兼容以及对电源和地的处理问题。
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采样-放大电路的设计
本部分的信号源来自输出电路上的采样电阻两端，由于采样电阻的端电压为105mV左右，信号电压较小，需要将信号经运算放大电路放大处理后再进入MCU。在进行放大电路设计时，首先应确定放大倍数。在计算放大倍数时，应尽量接近参考电压（3.3V）的一半（1.65V）以提高AD采样的精度。
1. 本设计采用运算放大电路，对信号进行16倍放大，放大后输出电压约为1680mV。在选择放大电路的电阻时，应选用精度较高的电阻，减小元器件本身造成的误差。
2. 采样电路在布局时，应当远离干扰源，因此在放置运放部分电路时应远离MOS管开关电路。
3. 在对采样电阻进行连接时，采样电阻至运放输入端的线路应当尽量短且宽，且从采样电阻下方引出，从而降低由于距离引起的电势差。
4. 放大电路的输出端连接至MCU的ADC管脚，这条连线应尽量避免与高频信号平行，背部有高频信号电路时应尽量垂直交叉跨过。
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MOS管开关电路的设计
作为本系统最大的高频干扰源，此部分电路应当远离对干扰敏感的电路。MOS管开关电路的开关控制信号由MCU输出，MOS管控制输出电路的通断。使用PWM波控制MOS管栅极即可实现变功率输出。
1. 本项目选用的MOS管开关时间为纳秒级，为了使控制效果较好，PWM波往往采用较高频率的控制信号。当控制信号从线上通过时，导线就可以等效为一根天线，向外发射高频信号，所以应当将高频通路放置在PCB边缘、减少对其他元件的影响。
2. 开关电路在短时间内通过的电流很大，应当尽量增加导线的宽度，合理使用铺铜和实心填充增大过电流能力。
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电源与地的处理
电源与地的处理直接影响系统的运行质量。在设计电源走线时应当计算电路上的电流大小，以便设计具有相应载流能力的走线。接地与地线的处理对减少PCB噪声、防止干扰是十分重要的，地线走线应当宽于电源线，在处理地线时应该遵循回路最短原则。
1. 为了增大过电流能力，减少线路阻抗带来的影响，电源线应当适当加宽。
2. 本系统可分为两部分电路，功率电路和控制电路。功率电路由于常常夹杂有大电流信号，可能对控制电路的地造成干扰，为了避免干扰，应将功率地与控制地分离开，单点接地。
3. 在大功率器件背面和下面应当大面积铺地并在阻焊层放置开窗，将内部的铜皮裸露出来，增加散热能力。
4. MCU和运放芯片都以GND作为电压的参考点，因此二者的GND应具有良好的连接性。使用大片铺铜或较宽的电路连接以减小二者之间的电势差，提高放大-采样电路的精确度。
5. 大面积铺地应注意通孔与走线是否将地分割从而延长了电流流向地的路径，应当合理安排走线和通孔位置，增强地的整体性。
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走线与通孔的处理
1. 通孔不应打在焊盘上，否则在焊接时焊锡容易通过通孔流至PCB背面。
2. 防止长时间的大电流发热导致铜皮变形，应在导线上多加通孔，固定铜皮。
3. 电源走线应参照线宽-过电流能力对照表，使用尽量宽的线，增大过电流能力。
4. 部分走线如果由于模具限制，线宽有限，应在阻焊层开窗，手工在开窗处覆盖焊锡，增大过电流能力。
5. 可以在锐角连接和直角连接处使用填充，消除锐角与直角，减少寄生电容和电感的产生。
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参考文献
[1] 珠海极海半导体有限公司,
APM32F003x4x6用户手册[EB/OL].(2022-6-23).
APM32F003x4x6用户手册 V1.3.pdf (geehy.com)
[2] 珠海极海半导体有限公司,
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[4]Gainsil Semiconductor Co.,Ltd,GS8333 350KHZ Zero-Drift CMOS Rail-to-Rail IO Opamp with RF Filter[EB/OL].
(March 2020).REV_V0 11
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纳思达股份有限公司
纳思达股份有限公司（股票代码：002180）是一家专注打印显像的高新技术企业，为客户提供成像和输出技术方案，是中国上市企业500强，也是全球前五大激光打印机厂商，拥有利盟和奔图两大打印机品牌。
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极海微电子股份有限公司是纳思达集团的集成电路设计子公司，其前身为珠海艾派克微电子有限公司。极海微电子拥有CPU/DSP设计技术、多核SoC设计技术及安全芯片设计技术，是国家01重大专项的牵头承担单位，拥有艾派克和极海两大品牌。
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发表于 2024-7-21 10:44:26
