电机控制器电路板布局布线参考指导（一）
- 1.概述
- 2.接地优化
- 2.1 常用的连接方式
- 2.2 使用接地平面
- 2.3 常见问题
- 2.3.1 电容耦合和电感耦合
- 2.3.2 共模噪声和差模噪声
- 2.4 EMC注意事项
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1.概述
电机驱动系统的 PCB 设计非常重要，需要通过特殊考量并采用特殊技术才能实现出色性能。电源效率、高速开关频率、低噪声抖动和紧凑的电路板设计，是设计人员在确定电机驱动系统的布局时必须考虑的几个主要因素。
2.接地优化
任何良好接地方案的目标都是为 IC 及其周围电路提供稳定的基准，没有噪声和其他振荡。本部分介绍了不同的接地技术、接地的常见挑战、使用接地平面的最佳方式以及双层板的接地注意事项。
2.1 常用的连接方式
单点接地：
在单点分布中，所有参考点都来自源，该源确保每个资源都自带不间断接地路径（请参阅图 1-1）。建议将这种连接用于配电布线。
星形接地：
在星形地分布中，所有参考点都位于中央；但是，源可能不是集中的。该方法会平衡所有资源之间的公共阻抗（图 1-1）。建议将这种连接用于信号布线。
分区：
在分区接地方案中，印刷电路板 (PCB) 的布局使得数字信号、模拟信号和高功率信号具有各自独立的区域（请参阅图 1-2）。这种分隔不是对数字接地和模拟接地进行物理分区。
网格:
网格化使整个电路板上的接地路径连续，确保每个信号都具有一个回到源的返回路径（请参阅图 1-3）。这种做法涉及对元件放置、地线填充、过孔放置和布线路径进行细微更改，以尽量缩短接地返回路径。网格化实际上旨在创建一个互连性更强的接地平面，这可降低噪声以及电源和负载之间的阻抗。
所示为一个使用接地网格实现有效接地平面的示例。在布局中实现网格化不需大幅改动，这表明通过很小的工作量就可产生很大的影响。
在 图 1-3 的示例中，布局 A 和布局 B 是顶层和底层，仅保留了地线填充、接地布线和前后面之间的过孔。图 1-3 中的布局 C 是电路板接地布线的简单符号图。每个符号或管脚代表接地导体的路径。大多数布线仅在一端连接。
去除大部分单端布线后，图 1-3 中的布局 D 展示了整个电路板上的接地布线情况；布线的任意两点之间只有一条路径。
图 1-3 中的布局 E、布局 F、布局 G 和布局 H 展示了经过修改可实现网格化接地的设计。图 1-3 的布局 E 和布局 F 中添加了一些布线（以实心黑色显示）并移动了几何形状（由箭头指示）。图 1-3 中的布局 G 展示了修改后的接地符号图。在两端连接的完整布线将形成更完整的导体。请比较图 1-3 中的布局 H 和布局 D。网格化接地创建了所需的网格，形成了一个广泛的互连网络。结果几乎与实际接地平面一样有效。
2.2 使用接地平面
在四层板或更大的两层板设计中，建议使用接地平面。通过将 PCB 的一层作为连续的接地平面，可让每个信号具有最短的返回路径并减少耦合和干扰。建议通过仔细进行信号布线来尽可能降低接地平面的不连续性，并使过孔彼此远离以防止接地平面断裂。
大多数驱动器件都有一个用作接地功能的散热焊盘，并使用接地覆铜来散热。图 1-4 所示为公共和分离接地平面的良好布局示例。
如果设计采用了空间受限的两层结构板，接地平面并不总是可行。在这种情况下，PCB 布局变得更加重要。必须小心确保大电流路径远离敏感信号。PCB 中有噪声的器件（例如功率级 FET、自举电路和电荷泵）通常包含大噪声和纹波，因此应与此类信号分隔开。
2.3 常见问题
2.3.1 电容耦合和电感耦合
当两条布线平行走线时，即使距离很短，也会发生电容耦合或电感耦合。当一条布线的上升沿引起另一条布线的上升沿时，即发生电容耦合。当一条布线具有上升沿或下降沿而第二条布线具有耦合的下降沿或上升沿时，即发生电感耦合。电容耦合比电感耦合更易于发生。
耦合的严重程度取决于布线长度、开关频率、电压变化和布线之间的距离。为了减少电容耦合，有噪声的信号布线应远离重要的数字信号和模拟信号。可尝试在接地平面上布线。
在涉及前置驱动器的开关应用中，必须特别注意，确保前置驱动器中承载大电流的接地平面与 IC 其余部分的接地平面之间进行了物理隔离。这两个接地面会在星点或单点接地位置连接。
2.3.2 共模噪声和差模噪声
差模噪声沿着布线传播到接收器件，然后通过返回路径返回源极，从而在两条布线之间产生差分电压。当共享阻抗上的压降在信号路径和返回路径上均产生电压时，即出现共模噪声。共模噪声的一个示例是接地反弹。确保源极的所有返回路径都是较宽、较短和低阻抗的布线，以将发生此问题的可能性显著降低。
2.4 EMC注意事项
电磁兼容性 (EMC) 主要取决于布局以及元件之间的电气连接。
每个信号的返回路径必须从资源流向产生电流环路的信号源。该线路环路将形成可辐射电磁能量的天线，电磁能量的大小由电流幅度、信号的重复频率和电流环路的几何面积决定。为了获得出色的 EMC 性能，建议尽量减少这些电流环路，图 1-6 展示了常见类型的电流环路。
图 1-6 中的电源线路形成环路 A–C–D–B 和 A–E–F–B。系统运行所需的能量由这些线路传导。环路 L-M-F-D、N-Q-P-F 和 G-H-J-K 由信号和控制组件组成。这些线路包围的区域通常很小（如果不考虑系统外的线路）。但是，必须在高频下考虑这些线路，因为它们经常传输会对 EMC 性能产生影响的信号。
当连接器、接头或其他元件破坏接地平面时，也会形成电流环路。这会导致开关电流的高频分量在电路板周围传播得更远，并实际形成一个大环路。
