一种数字功放的PCB设计经验总结
引言
功放进入了数字时代。数字功放的关键部分集成电路已经达到了较高水半，如TDA8902J数字功放有效地降低了信号间的干扰、可实现高保真。虽然核心技术解决了，但印制线路板(PCB)布线不当，也很难达到理想的效果。笔者在TDA8902J数字功放的PCB设计过程中总结了一点经验，现就PCB设计应遵守的布线原则及抗干扰设计要求与电磁兼容性要求作简要分析介绍。
1 PCB的布局及布线原则
PCB提供了功放电路元器件之间的电气连接，要使功放电路获得最佳性能，元器件的布局及印制导线的布设是关键。
1.1 布局原则
(1)数字功放的功率管工作在开关状态，频率高、电流大，且与电源部分靠得近，而该功放(如图1—1)由于采用开关电源(图中未画出)供电，干扰和纹波系数较大，因此，元器件在PCB上排列的位置要考虑抗电磁干扰，各部件之间的引线要尽量短。在布局上，要把模拟信号、数字信号和噪声源这三部分合理地分开，使相互间的耦合为最小。即要求与LM4651⑩脚相连的模拟输入部分与其它数字部分要分开，电源输入、去耦滤波元件，也要与数字处理部分分开，此外，还要考虑电源变压器的方向性，使之对电路的辐射最小。
(2)元件在排列时应按输出滤波器、H-桥电路、比较器、振荡发生器、电压放大器的次序，如果各级交叉排列，很容易相互影响，出现自激或吸收。
(3)对电磁场辐射较强的元件(如L3，L2)、和对电磁感应较敏感的元件(R1、C1，R5、C3)，应加以屏蔽，或远离电磁场辐射源，以减少干扰。
(4)尽可能缩短高频元件(如R5、C3)之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。
(5)有些元器件或导线之间有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电出现意外短路。如TDA8902J的⑤、⑦脚：LH4652的①、③脚走线不宜相距太近。带高电压的元器件(如电源开关)应尽量布置在调试时手不易触及的地方。
1.2 布线原则
(1)输入输出端(如R8、L1)用的导线应尽量避免相邻平行，最好加线间地线，以免发生反馈耦合。
(2)各级走线应尽可能短，元件应尽量靠拢，大信号、高阻抗走线更要注意。如R11、C18的走线应尽可能短，音频的输入(C1 、R1)输出(L1、L2)线也不宜长，否则易感应交流信号。
(3)导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。当铜箔厚度为0.05mm、宽度为1—15mm时，通过2A的电流，温度不会高于3℃。该功放可选0.5～5mm导线宽度。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定，可使间距小至5～8mm。
(4)印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。图1—2(a)(b)(c)为三种拐角线的形式，图(C)采用45°外斜切面拐角线的传输性能和反射性能要优于其它两种拐角线。圆弧的拐角线的性能要比这三种走线形式要好，但是弧度的刻划对制板的工艺要求比较高，会增加生产成本，该功放采用45°外斜切面拐角走线能满足设计要求。
2 抗干扰设计措施
PCB的抗干扰设计针对不同电路有不同的要求，以下从三个方面讨论该功放的PCB抗干扰设计措施。
2.1 电源线设计
在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。根据PCB电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。该功放电路LM4651L部分电源的走线，导线宽度为1.5mm便可满足要求，而在LM4652部分则要求3～5mm。同时使电源线和地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。
2.2 地线设计
地线比电源线更重要。克服电磁干扰，最主要的手段是地线的设计。地线的布线特别讲究，通常采用单点接地法。模拟地、数字地和大功率器件地分开，最后都汇集到电源地。该功放地线结构有系统地、机壳地、数字地和模拟地等。地线的设计原则是：
(1)数字地与模拟地分开。该功放既有逻辑电路又有线性电路，应使它们尽量分开，分别与电源端地线相连，并尽可能加大线性电路的接地面积。模拟音频的地应尽量采用单点并联接地。
(2)接地线应尽量加粗。若接地线很细。接地电位则随电流的变化而变化，致使功放电路信号电平不稳，抗噪声性能变坏。通常使地线能通过三倍的电流。该功放接地线应在3～6mm以上。
(3)正确选择单点接地与多点接地。该功放的模拟部分，工作频率低，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用单点接地。而在数字部分工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，就近多点接地。当工作频率在1—10MHz时，如果采用单点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。该功放数字部分虽然开关频率为125kHz，但由于谐波的影响，采用多点接地更好。
(4)将接地线构成闭环路。数字功放的PCB，将接地线设计成闭环路可以明显地提高抗噪声能力。其原因在于：电路中耗电元件多，因受接地线粗细的限制，会在地线上产生较大的电位差，引起抗噪声能力下降，若将接地构成环路，则会缩小电位差值，提高功放电路的抗噪声能力。
2.3 信号线的设计
与PCB以外的弱信号相连时，通常采用屏蔽电缆。对于高频和数字信号，屏蔽电缆两端都接地。该功放模拟音频信号用的屏蔽电缆，采用一端接地为好。而PCB中的信号走线应尽量短并避开干扰源。
3 电磁兼容性(EMC)设计
一个简单的电磁干扰模型由三部分组成，如图3—1所示。该功放含有开关电源和大功率、大电流驱动电路以及含有微弱模拟信号电路与高精度A/D变换电路的系统，电磁干扰不可避免。EMC设计的目的是使功放既能抑制各种外来的干扰，同时又能减少本身对其它电子设备的电磁干扰。
3.1 PCB设计中的EMC措施
该功放注意了不同的布局区域，使专用零伏线、电源线的走线宽度≥1mm，电源与地呈“井”字形分布，分布线电流达到了均衡，并为模拟电路专门提供一根零伏线。为减少线间串扰，增加了印刷线条间距，并安插了几根零伏线作为线间隔离。PCB的插头也多安排二根零伏线作为线间隔离。特别注意了电流流通中的导线环路尺寸。
3.2 配套于PCB的开关电源的EMC
电源在向功放供电的同时，也将噪声加到了电路中。该功放电路的信号输入、振荡及控制部分最容易受外界噪声的干扰。电网上的强干扰通过电源进入电路，电路中的模拟信号最容易受到来自电源的干扰。该电源对电网的传导骚扰及辐射骚扰是非线性流和初级电路中功率晶体管外壳与散热器之间的耦合在电源输入端产生的共模噪声。
该电源对开关电压波形进行了修整，在晶体管与散热器之间加装了带屏蔽层的绝缘垫片，在市电输入端加接了互感滤波器，并减小了环路面积，在次级整流回路中使用的软恢复二极管上并联了聚酯薄膜电容，因而使开关电压波形得到了很大的改善。
3.3 传输线的EMC
同轴电缆有较好的抗电磁干扰能力。该功放信号线所用同轴电缆为美国的AUDIOOUEST(线圣)，采用单端接地，为磁感应减小了环路电流，使磁场屏蔽性能增强。
4 结束语
基于TDA8902J的数字功放，功率大、热损耗小、音质好、体积小，通过对其PCB进行电磁兼容设计后，音质更好、信噪比更高、抗干扰能力也明显增强，可应用于很多音频设备中，如声卡、有源音箱、汽车音响等，具有广阔的前景。