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-功放电路布线设计-第 8 页接地与实装技术1. 串扰所有串扰都有一个发送端(其阻抗可以是任意大小)和一个接收端,其中一端通常为高阻抗呈虚拟地特性-均敏感于小电流的注入.对于声道之间的声音串扰来说,发送端是正在播放的声道,接收端是没有放声的声道.串扰来自于多个途径:1.电容性串扰. 由于不同电路在物理位置上的接近,可能在两个电路之间形成一个小电容而产生这种串扰.通常以6dB/oct的速率随着频率的上升而增大,速率也可能高于6dB/oct.利用导电材料作屏蔽可以完全消除这种串扰;拉开电路间的距离也是有效的处理办法,而且成本通常更低.2.电阻性串扰. 通常是因地线电阻不为零而引起-地线所使用的铜不是室温超导体.电阻性串扰的幅度大小比较固定,不随频率而变.3.电感性串扰. 放大器中很少因这种串扰而出现问题,通常可以不予考虑,除非你不得不将两个没有屏蔽罩的音频耦合变压器紧靠地安装在一起.还有一个例外情况是B类放大器,由于电源电流具有半波特性,如果被耦合到输入、反馈或者输出电路中,就会严重影响放大器的失真性能. 对于处理中等电平信号的音频电路,串扰主要是由电容性耦合引起,而且大多数情况下取决于PCB排布.B类放大器侧相反,电容性串扰的电平很小甚至可以忽略,因为电路的阻抗往往较低;最大的问题在于电源电流对信号电路产生的电感性耦合.如果耦合发生在同一声道,那么将表现为失真,并且可以主宰放大器的失真性能.如果是两个声道之间的耦合,那么将表现为声道间的串音,串入了失真的声音信号.这两种耦合都应避免,必须做好预防.串扰必定同时有发送端和接收端,因此,唯有依靠PCB的排布才能有效进行预防.总的来说,内部接线因它的长度以及涉及范围而成为最大的发送源;放大器要获得最佳性能,接线的排布可能至为关键,并且需要用卡夹将电线固定等.放大器的输入电路和反馈电路可能成为接收端,而这些电路均在PCB板上,为获得良好的性能,所有涉及的设计都十分重要.2. 电源感应失真B类放大器的正负电源线要承载很大的失真电流.正如前面所概述,如果通过感应让串扰信号进入到音频信号路径中,放大器的失真性能将严重受损.就这一点来说,PCB板的铜箔跟接线差不多;PCB的设计要在其他方面获得满意效果并不难,唯独这方面例外,一旦出现感应失真问题,只能重新设计另一块PCB板,除此之外再没有其它好办法.要预防出现感应失真,是完全可以做到的,但以现在的知识水平,我还不能提供适合于每一种结构布局的详细指导意见.在这里,给出我认为最佳的方法.V+与V-电源线要尽可能靠近,以将电源线上的辐射减至最小.这些电源线还要远离放大器的输入级,不要靠近放大器输出的连接部分,最好是让电源线从PCB板的某一侧引向输出级,放大器的其它电路安排在另一侧;然后,再从输出级引出PCB走线让电源送往其它电路,由于这里没有半波电流,应该不会引发问题.输入和反馈电路的排布面积要尽可能小,以将电源线幅射的检拾减到最小.这些电路与音频地线构成环路,必须要令环路面积尽可能减小.最好的做法通常是把反馈网络与输入网络都安排在地线铜箔上,以这块地线铜箔的中心作为交点,分别构成输入地和输出地.输出引线、输出地线甚至输出电感,都有可能引入感应失真.当输出电感出现问题时,需调整电感的摆放方向,但经常因不便于修改PCB板而还来困难.3. 功率输出管的安装是否将输出管直接安装在PCB上,是其中最重要的抉择.有关这一问题争议很大,但不管哪一种选择,都是优缺点共存.在PCB板上安装输出管的优点如下:1. 放大器的PCB板可以构造成能够工作的完整单元,不用安装在机箱里,便于进行彻底测试.因为PCB多个方向都不阻碍操作,这使得测试变得容易许多,而且大大减少了测试过程中金属物件的使用损伤(比如划痕等).2. 只有位置正确才能安装,从而杜绝了输出管的安装错误.这一点很重要,因为这种错误一旦出现,就会损坏输出管,并引起连锁反应而造成其它故障,需花费不少时间才能修正过来.3. 输出管的接线可以做的很短,这似乎有助于提高输出级的稳定性,防止出现高频振荡.在PCB板上安装输出管的缺点如下:1. 如果输出管需多次更换(这显然是指某些地方出现严重故障),重复的拆焊容易造成PCB走线损伤.2. 输出管即使工作在额定范围,也可能变得相当热.对于TO-3P封装的管子来说,温度达到90度也很常见.如果安装方法缺少一定的物理弹性,那么热膨胀产生的应力会拉脱焊盘.3. 撒热器重量大,必须将它十分牢固地与PCB板对接安装.否侧,搬动时两者相对位置的变化会对焊点产生应力作用,容易出现问题4. 单面PCB板与双面PCB板由于成本的原因,功率放大器通常选择使用单面PCB板.但是单面PCB板与双面PCB板的成本差别,现在已经比过去小的多.由于功率放大器元件体积较大,决定了PCB板的尺寸也较大,所以通常不需为解决空间不够、连接回旋余地不足等问题而去使用双面PCB板.在典型的功放电路中,有大量的电阻电容等分布元件,而且这些元件的引脚跨距大,可借用来进行PCB板的排布,设计所遇的走线交叉问题也就容易化解.为保证拆焊元件时不致造成PCB铜箔与PCB基板的胶粘脱开,须记得将单面PCB板的布线走的宽一些.针对只有一条PCB走线的焊盘,通过为焊盘加“泪滴”是一种增大粘合强度的良好方法,尤其推荐用于维修时可能需拆卸的那些元件的焊盘.如果PCB设计的计算机软件没有自动加“泪滴”的功能,需要手动布线,侧工作量比较大.功放使用具有过孔的双面PCB板,有如下优点:1. 不需跨接线.2. PCB板的其中一面可用作接地平面,这样可使串扰和电磁兼容问题减至最小.3. PCB板的过孔对焊盘产生固定作用,拆元件时焊盘不易脱开,表现出更好的粘合力.4. PCB板有更大面积供走线排布,因此走线可以布的更宽,放大器工作时走线上的压降和发热量也就更小.5. 额外开支也不大.5. 电源PCB布线由于有储能电容充放电的大电流流动,电源布线有特定的要求:1. 承载直流电源全部电流的PCB走线必须布得足够宽.PCB要使用铜箔较厚的板材,其铜箔的规格不应小于2-oz(2盎司).虽有规格为4-oz铜的PCB板供应,但价钱很贵且所需焊接时间较长,故不推荐使用.2. 储能电容必须要有PCB引入走线直接连接到引脚上,同时要有PCB走线从这个引脚引出,再连接到电子电路.也就是说,不能在储能电容的引脚外形成T字形的布线,如果布线不正确,将会观察到直流电源上加有尖锐的脉冲波形,并且往往会导致放大器的哼声电平增大.3. 从整流器引出和引入的PCB走线承载的脉冲充电电流,脉冲峰值很高.由于遵循I2R的规律,导体发热量迅速增大.对于焊在PCB板上的保险管坐来说,尤其容易出现发热过大的问题.所接的电线也因此受热,应考虑作双线连接;听起来这种做法有些简陋,但实际上很有效.以满负荷让电路工作数小时后,通过检查PCB板阻焊层的颜色变化,就可以判断PCB走线的发热情况.受热的绿色阻焊漆颜色会朝棕色变化.如果阻焊层失去原来的颜色而变为棕色,那么大致就可以断定PCB走线已经过热.如果颜色接近于深棕色或黑色,那么就说明发热很严重,务必设法减小.4. 如果电源变压器市电一侧使用PCB走线,而电源变压器为适应不同国家的使用需要而设有多个抽头,那么就要记住,低电压输入时通电的PCB走线流过的电流比高电压输入时更大,其中,90V市电输入时的电流接近于240V市电输入的3倍.此外,必需要确保接有市电的PCB走线与其它导电体(包括PCB走线与PCB走线,PCB走线与PCB板边缘,PCB走线与金属固定件)留出符合标准的安全间距!一般而言,应尽量避免将PCB走线用于市电,因为存在着危及维修人员人身安全的风险.如果一定要这么做,就必须在PCB板的正反两面印上非常醒目的警告提示.但这样的设备往往不能通过美国的UL认证,除非已使用能经受至少120度高温的阻燃绝缘材料(比如聚碳酸酯材料)遮盖上 部位.6. 电源PCB布线方法假设放大器使用简单的非稳压电源,有关PCB布线要点如下:1. 功率放大器有大量的电流流过电路,因此电源的设计要适应这方面的所有要求.采用宽的PCB走线很重要,也需要PCB板有较厚的铜箔,尤其是走线宽度受到限制时,PCB板应达到至少2-oz铜的规格要求.如果试图用焊锡方法来增厚PCB板上的铜箔,就不要忘记一般焊锡的成分约为60:40的锡与铅(即锡与铅分别点60%,40%),其电阻为铜的6倍,因此,即使很厚也不一定能获得很好的效果.2. 正负电源的储能电容将共同连接到一条粗地线,这条地线我称之为储能地线RG(Reservoir Ground).这条地线走线上的任何一点都不能作为音频地的星形接地点,因为线上有幅值很大的充电脉冲,会把纹波引入到信号电路中.应该在这条走线的中间(这样就不会流出脉冲电流)构造较宽的T字走线,从而引出分支,并在分支线选点作为上述的星形接地点.3. 放大器工作时,输出级的低值电阻很可能变得很热,甚至达到200度,他们要尽可能留出足够的空间,避免与电解电容等其它元件靠近,同时还要远离敏感器件,比如驱动管和输出级偏置管.4. 功率放大器中功率电阻以竖立方式安装,初看上去似乎很有吸引力,能够减少所占的PCB面积,但是,正常操作中所遇外力会集中到这些元件上,焊盘因此受到大力拉扯,可能会脱离PCB板.对于单面PCB板来说,由于缺乏过孔对焊盘的附着力,这样的情况尤其容易发生.5. 某些电阻(比如Vitrohm电阻)有金属支撑架可供焊接,能够增大竖立安装的牢固程度.但这终究不是普遍适用的解决办法,所以,功率电阻应优先使用卧式安装.6. PCB板上的正负电源退耦电容必须有一条独立的地线返回到星形接地点.这条返回地线务必不要借用音频电路的地线,需单独引线返回至星形接地点.(如下图)7. 负反馈选取点的准确排布,对于放大器的正确工作至关重要.输出级通常有一条将上下臂射极功率电阻连接起来的输出干线,干线上载有全部的输出电流,所以这条干线的铜箔一定要宽.还要在这条干线上构造T字形走线,以作为输出连接线,并沿着输出连接线确定其中一处作为负反馈选取点.切勿直接在射极电阻引脚之间的PCB走线上取出负反馈信号.8. 输入级(通常使用差分对)电路应排布在PCB板的一端,远离输出级所处的另一端.切勿将输入走线靠近输出级.输入级的地与负反馈网络底端的地必须以同一条PCB走线返回至星形接地点.退耦电容等不能与这条PCB走线相接,但输入偏置电阻等这些只流过很小直流电流的元件似乎可以与这条PCB走线相接.9. 大多数放大器都设有静音,过热保护等控制电路,这些电路的地线必须单独返回至储能地线,不能返回至音频电路的星形接地点.10. 与大多数音频电路不同,功率放大器既有敏感电路,又有大电流流动的电源.必须小心处理,保证桥式整流器的连接线等流过大电流的部件元离输入电路.11. 放大器需在某一点作机箱地的连接.不要将变压器的中心抽头作为机箱接地点,因为储能电容的充电脉冲电流将会抬高输入地的电压,放大器的输入地与其它设备的机箱地相接而形成地环路时,就会产生地环路的严重“哼”声.将机箱地接至星形接地点,侧要好一些.因为不受充电脉冲电流的影响,但输入地与星形接地点之间的走线电阻仍会流过地环路的电流,从而形成“嗡”声.将机箱地接至输入地,这种做效果最好,能够最大限度地避免地环路带来的不良影响.12. 如果电解电容安装方向不对,可能会致其爆炸.要尽可能将所有电解电容排布成同一种安装方向,以便于目视检查.还要将电解电容的极性清楚地标示地PCB板上,极性标志的排布位置应保证元件安装后仍可看见.13. 驱动管和输出级偏置管很可能需要安装小型立式散热器.因此,要妥善安排这些散热器的位置,以免PCB板上的管子编号受到遮挡.14. 应在PCB板元件面上标出所有三极管的e、b、c极以便维修时查找故障.对于TO-3P封装的器件,还要在PCB板焊接面上标示出引脚,因为器件安装后会把元件面上的标示档住.15. 所有引出电线的焊接点都应标上编号,以便于作接线检查.7. 音频电路PCB布线的设计顺序在放大器设计的开始阶段,就必须考虑PCB排布问题.比如,由于音量电位器的动触点处存在高阻抗,如果把面板上的音量控制电位器安排与扬声器切换开关相邻,那么放大器所得到的串音性能就难以令人满意.这时,若使用金属材料进行屏蔽,或许能得到良好的性能,但增加了成本.很多时候,与物理布局无关的电路设计细节也会对串音性能造成影响.音频电路PCB布线要按以下顺序进行设计:1. 考虑面板布局对PCB排布的影响.2. 电路设计要做到尽量减少串扰.在这个设计阶段,就要预先考虑如何安排使用集成运放内部的多个放大器以及同一个开关里的各个部分等,使得信号远离敏感区域.同时,还要考虑PCB板级以上的串扰.比如,设计由两块双面PCB板并排组成的某一部分,就应将信号电路走线安排在PCB板的内侧面,电源线和地线则安排在PCB板的外侧面,这样才能最大程度的减小串扰,增强抗射频干扰能力.3. 要考虑到面板上部件(比如电位器、开关等)的安装位置将会影响PCB板的排布.4. 排布好的功率管、散热器、输入输出插座、安装开孔等其他固定部件.PCB板剩下的位置用于放置纯电子元件这些元件不需与金属加工位置等对齐,因此可以相当自由地摆放.5. 对每一部分电路元件进行细致排布时,应考虑生产制造的可行性.6. 充分利用PCB空余区域,尽量加大地线和大电流走线的宽度.但是,将PCB板所有剩余位置都铺满铜,并不是聪明的做法,因为这是十分费时的工作(具体视所用的PCB设计软件);而且其中有些地方可能不适合铺铜,需要返回修改.用作地线的PCB走线应尽可能加宽PCB板上的铜现在是免费的.8. PCB布线要点1. 对于双面PCB板,为减少导体电阻,增强屏蔽效果,应选择在元件面作大面积铺铜;但要注意,铺铜区域如果在PCB板的焊接面,就要开窗口做成网络状,以避免波峰焊造成PCB板变形.其常用标准是开出宽度为0.01英寸的方形空窗口,也就是说,铺铜区满布这样的无铜小窗口.2. 不要把元件焊盘放置在大面积铺铜的中间,否则会导致焊接困难.3. 布线时,经常要在两种布线方法面前作选择.一是两条走线均连到同一个焊盘,二是做成T字形走线,将T字的一端连到这个焊盘.前者会更好,因为拆焊时焊盘与PCB的粘合更牢固.对于三极管等这些替换可能性较大的元件,这尤其重要;使用单面PCB板时,就更加重要.4. 如果两条并排而行的走线很可能存在互相串扰,那么在中音布一条地线做屏蔽是有益的.可是,得到的改善可能会令你失望,因为串扰信号的耦合路径仍可以弯曲地绕过地线,屏蔽效果不是很有效.5. 跳线器要清晰标示跳线功能,以便别人没有图纸手册时也知道该如何选择路线连接.6. 将电位器及开关的功能印在丝印层上,这样做可以为日后的检测提供很大的帮助.可以的话,也应将构成整体功能的单元电路区域标示出来;所标的字符必须比元件标记的字符大,以便于读出.9. 放大器的接地放大器的接地必须符合以下要求:1. 要以星形接地点作为所有信号电压的参考点.2. 如果放大器是立体声放大器,为获得良好的串音性能,两个声道的接地必须适当地隔离.两个声道的输出端只要共用数英寸的地线,就可能成为串音的主要源头.3. 由于放大器外部存在地环路,将有交流信号电流流进放大器地线系统,因此,必须避免这些电流进入关键的信号地(即放大器输入级的输入地以及负反馈网络地).输入地以及负反馈网络地之间只要存在任何的电压差,都会直接被放大器放大.4. 不能让放大器电源储能电容的充电电流流进其他地线.5. 地线是所有信号的参考点,保证地线连接可行、没有污染至关重要.用作地线的电线和PCB走线必须要视为一个电阻,这个电阻有地电流流过,并产生我们不希望出现的压降.最好的办法是运用连接技术将地电流分拆,比如,用一个接至星形接地点的地线,为本地电源退耦提供地电流返回的路径.但所有地线都使用这种方法并不现实,这时就需要尽可能使用粗大的地线,或尽可能加宽PCB地线.尽量不要让地线中间出现过分缩窄的情况,这一点很重要,因为缩窄之处必然会成为地线最弱的地方.使用双面PCB板时,如果要利用过孔把PCB板两面的地线连接起来,一个过孔可能还不够,应使用多个过孔作并联连接.功率放大器很少采用双重绝缘结构,因此,为确保安全,放大器的机箱和所有的金属部件必须牢固地作永久性的安全接地.机箱作安全接地后,如果放大器没有采用平衡式输入,放大器可能会容易受外部所形成的地环路的影响.其中一个解决办法是将音频地接机箱,中间只经过一个10欧的电阻,这个电阻阻值要足够大,以阻止环路电流带来的明显影响.但这一方法不是很令人满意:(1) 整个音频系统可能因为这样而做不到牢固接地.(2) 如果错接放大器的扬声器输出而烧毁这只电阻,音频电路将变为浮置,会带来触电的危险.(3) 放大器抭射频干扰能力可能会下降.这时给这只电阻并联一只0.1uF的电容,可能有助于解决问题.更好的方法是在放大器的输入插座处,将音频地与机箱连接在一起10. 接线布局有关功率放大器的接线,要点如下:1. 正电源与负电源的连接线要相互紧靠地连接到放大器电路.这可以最大程度地减小电磁场,否侧,有可能耦合到信号接线中,并导致放大器的线性恶化.把0V地线也加进来,按上述的方法与正负电源线一起处理,有时候似乎效果更好;如果确有更好的效果,那么就把这些电线紧密地编织,使它们靠得更近.基于同样的原因,如果功率管是安装在PCB板之外的地方,每只功率管的连接线也应按此处理,以使环路面积最小化.2. 整流器的连接线应直接接到储能电容的引脚,然后直接从储能电容的引脚引出电线接放大器电路.因为在这些连接中,如果形成公共阻抗,充电脉冲就会与电源线上的纹波相叠加,使得放大器的电源抑制性能下降.3. 把正负电源两个储能电容连接起来的地线,任何一点都不能用作星形接地点.这条线上携带大量的电容充电脉冲,即使所用电线很粗,也会产生明显的压降.星形接地点应以T字形从这条地线引出的.星形接地点也只限于作为放大电路地线的引出点,不能把输入地的地线也接到这个点上,否侧失真性能会受损.11. 半导体器件的安装半导体器件的安装要点如下:1. 驱动管安装.驱动管通常单独安装在自己的散热器上,由于散热器重量很小,可以焊在PCB板上而不需另外固定.使用导热垫片可以保证良好的热接触,弹性扣具则用于将驱动管固定在散热器上.器件与散热器之间的电气绝缘不像一般情况那么重要,因为散热器的焊盘不需与PCB板的其他电路相连接.2. TO-3P塑封功率管的安装.通常是安装在散热器上.利用弹性扣具来固定.使用扣具不仅安装速度快,而且产生的机械应力比使用螺栓固定器件的方法小,导热垫片材料受到的压力也更均匀一致.3. TO3功率管的安装.TO3这种封装极有利于散热,但安装上明显不够灵活方便.对于TO3功率管,我喜欢安装在导热转接板上,用螺栓将导热转接板固定在PCB板的元件面.这样,TO3管子的引脚就可以在PCB板的焊接面进行焊接.导热转接板要开出合适的孔,以便M3的安装螺栓穿过.安装螺栓先穿过TO3管封装底板的固定孔,再穿过导热转接板的开孔和PCB板,在PCB焊接面用锯齿垫圈和螺母固定,并与PCB板的安装焊盘良好接触.为保证接触可靠,锯齿垫圈的突点必须刺破焊锡层,与PCB的铜箔保持接触.如果只是与焊锡接触,长时间的压力的变化会导致接触不良.由于螺栓要穿过导热转接板,需要包裹套管来绝缘.这个套管很重要,尼龙是用于此处的良好材料,能耐受高温. TO3的两个引脚也要穿过导热转换板的开孔(为增大导热面积,开孔的直径就按实际需要尽可能的开小一些),它们也很可能需要作绝缘处理,此处使用硅橡胶套管,只要小心截取恰当的长度就很合适.