具有隔離式接地的電子電路的製作方法
2023-06-05 05:30:21 4
專利名稱：具有隔離式接地的電子電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電子電路，尤其涉及一種具有隔離式接地的電子電路。
背景技術：
隨著集成電路的發展，電子器件的功能越來越強大，製造工藝也不斷升級，採用低電壓、大電流工作的晶片大量出現，推動了PWM(Pulse WideModulation，脈衝寬度調製)降壓型電壓控制晶片的廣泛應用。
PWM晶片和MOSFET(metallic oxide semiconductor field effecttransistor，金屬氧化物半導體場效應電晶體)、電感、電容等一起，組成PWM開關電源電路，為電子器件提供所需的各種電壓，成為電子系統可靠運行的關鍵。PWM開關電源電路在提供低電壓、大電流的同時，也對PCB(Printed Circuit Board，印刷電路板)的設計，特別是對接地處理提出了很高的要求。如果PCB板上的PWM晶片受到來自地平面的幹擾，PWM開關電源電路的輸出電壓會附帶強噪聲，影響後級受電晶片工作。當地平面噪音過強時，會導致PWM晶片工作異常。
在現有技術中，PWM開關電源電路在印刷電路板上的接地處理如圖l所示。PWM開關電源電路包括PWM晶片、場效應管M1、場效應管M2和輸出濾波電路，其中，PWM晶片的電源端子VIN與外部電源Vin相連，接地端子GND連接到地平面110的A點，第一控制信號輸出端子TS(Top Side)與第二控制信號輸出端子BS(Bottom Side)分別連接到場效應管M1和場效應管M2的柵極，用於控制這兩個場效應管的導通和截止；場效應管M1的漏級連接到外部電源Vin，源級連接到場效應管M2的漏級並與輸出濾波電路中電感L1的一端相連；場效應管M2的源級連接到地平面110的B點；輸出濾波電路由電感L1和電容C1組成，電感L1一端連接到場效應管M1的源極和場效應管M2的漏極，另一端與PWM開關電源電路的輸出端Vout相連，並通過電容C1連接到地平面110的C點。
PWM開關電源電路工作時，場效應管M2處於周期性的導通狀態，造成B點及B點附近的地處於浮動狀態，噪音相當強烈。B點產生的強噪音沿地平面110擴散，到達A點。PWM晶片對外部工作環境敏感，對輸入電源和地平面要求很高。當A點的地電位受到強烈噪聲影響時，PWM晶片的輸出信號會附帶強噪音，使得PWM開關電源電路的輸出電壓品質下降。
為了降低PWM開關電源電路輸出電壓的噪音，通常採用兩種方法一種是在輸出濾波電路中選用大感值的電感作為L1，另一種是在輸出濾波電路中選用ESR(Effective Series Resistance，有效串聯電阻)值低的電容作為C1。
不論採用上述哪種方法，實質上都是增強了輸出濾波電路的功能，只能被動地減緩PWM開關電源電路輸出的噪音。由於無法減小來自地平面的幹擾，這樣的方法不能大幅度地降低輸出電壓的噪音。通常情況下，當地平面上的噪音為200～500mV時，PWM開關電源電路的輸出信號上附帶的噪音會到達200～500mV。同時，這種方法還增加了製造成本。
發明內容
本發明要解決的是現有電子電路地平面中噪音傳播對噪音敏感器件幹擾的問題。
本發明所述電子電路包括隔離式接地的電子器件、非隔離式接地的電子器件、單獨的地平面和統一的地平面，其中所述隔離式接地的電子器件的接地端子與所述單獨的地平面連接；所述非隔離式接地的電子器件的接地端子與所述統一的地平面連接；所述單獨的地平面與所述統一的地平面單點連接。
優選地，所述單獨的地平面與統一的地平面之間單點連接的寬度由所述單獨的地平面上接地的電子器件的功耗決定。
優選地，該電子電路是一種開關電源電路，其中所述隔離式接地的電子器件包括脈衝寬度調製PWM電壓控制晶片；所述非隔離式接地的電子器件包括場效應管和濾波電容。
本發明提供的另一種電子電路，包括隔離式接地的電子器件、非隔離式接地的電子器件、單獨的地平面和統一的地平面，其中所述隔離式接地的電子器件的接地端子與所述單獨的地平面連接；所述非隔離式接地的電子器件的接地端子與所述統一的地平面連接；所述單獨的地平面在所述統一的地平面內以分割線為邊界，並與所述統一的地平面單點連接。
優選地，所述單獨的地平面與統一的地平面之間單點連接的寬度由所述單獨的地平面上接地的電子器件的功耗決定。
優選地，所述分割線的寬度為10密耳。
優選地，所述電子電路是一種開關電源電路，其中所述隔離式接地的電子器件包括脈衝寬度調製PWM電壓控制晶片；所述非隔離式接地的電子器件包括場效應管和濾波電容。
本發明通過設置單獨的地平面並在單獨的地平面和統一的地平面之間採用單點連接，使地平面中的噪音難以通過單點連接處在單獨的地平面內形成回流途徑，從而能夠在單獨的地平面和統一的地平面之間有效隔離噪音，並且，本發明不會增加製造成本。
本發明還提供了以分割線劃分單獨的地平面和統一的地平面的印刷電路板，在不修改已有的PCB板布局設計的基礎上，可以取得與上述相同的技術效果。
圖1所示為現有技術中PWM電源電路的接地示意圖；圖2所示為本發明中PCB的地平面示意圖；圖3所示為本發明第一實施例的接地示意圖；圖4所示為本發明第二實施例的接地示意圖。
具體實施例方式
如前所述，在現有技術中，對於某一電子電路模塊，其上所有電子器件的接地端子都直接連接到一個完整的地平面上。這樣，一些電子器件在工作時在地平面上產生的噪音和/或PCB板上其他噪音源產生的噪音在完整的地平面上形成噪音信號回流，對其他電子器件造成幹擾。
因此，要為一部分對地平面噪音敏感的電子器件隔離來自PCB地平面的噪音信號，本發明採用的方法是令噪音信號避免通過這些電子器件在PCB地平面的接地點回流，從而有效降低這些電子器件接地點的噪音。
本發明中，將現有技術中完整的地平面中分為統一的地平面和至少一個單獨的地平面，在統一的地平面與每個單獨的地平面之間採用單點連接。其中，單獨的地平面為分割出的小塊地平面。單獨的地平面主要用來連接需要隔離地平面噪音的電子器件的接地端子，統一的地平面用來連接PCB板上其他電子器件的接地端子。
這樣，當統一的地平面內產生的噪音信號在沿著統一的地平面傳播到與單獨的地平面的單點連接處時，由於噪聲信號難以通過被分割出的小塊地找到回流途徑，或者說很難通過單獨的地平面這樣的小塊地完成信號回流，因而噪音信號只會在統一的地平面內尋找回流途徑，因此只會對單獨的地平面造成極其有限的幹擾。而單獨的地平面通過與統一的地平面之間的單點連接，可以使連接到單獨的地平面上的電子器件的信號流向統一的地平面。
由上可見，本發明將單獨的地平面與統一的地平面在一定程度上隔離開來，只通過單點連接來實現完整地平面的等電位，從而對連接在單獨的地平面上的電子器件進行隔離式接地，有效地隔離了統一的地平面上的噪音。
相應地，根據工作時對地平面噪音的敏感程度和與PCB布線相關的綜合考慮，將PCB上的電子器件分為隔離式接地的電子器件和非隔離式接地的電子器件，對應地將其接地端子連接到單獨的地平面和統一的地平面。每個隔離式接地的電子器件可以連接到一個單獨的地平面上，根據實際情況，在設計需求允許的條件下，也可以將兩個或兩個以上需要隔離的電子器件連接到同一個單獨的地平面上，當然前提是這些需要隔離的電子器件之間的噪音幹擾很小，或者說是設計者可以接受的。在一些具有特殊要求的設計中，例如要求某個不需要隔離的電子器件的接地點與某個需要隔離地平面噪音的電子器件的接地點非常靠近，這種情況下如果不需要隔離的電子器件產生的地平面噪音在可以接受的範圍內，也可以將上述兩個電子器件的接地端子都連接到一個單獨的地平面上。
請參見圖2所示的地平面示意圖，地平面分為統一的地平面210、單獨的地平面221、222和223。單獨的地平面221和222中分別各有一個接地點231和232，單獨的地平面223中有兩個接地點233和234，其中接地點231、232、234分別連接到三個需要隔離地平面噪音幹擾的電子器件，而接地點233則因需要和統一地平面210隔離並且由於其他原因需要和接地點234儘量靠近，同樣也設在單獨的地平面223上。在這種情況下，要確保連接到接地點233和234上的兩個電子器件在單獨的地平面223上互相的噪音幹擾是電路設計需求可以容忍的。
本發明對單獨的地平面的面積大小和形狀沒有要求，只要可以滿足連接到該單獨的地平面上的電子器件的接地要求即可。單點連接處的連接寬度應該儘可能的小，但同時受到連接在該單獨的地平面上的電子器件功耗的限制，功耗越大，連接寬度越寬。當連接在該單獨的地平面上的電子器件的總工作電流為1A(安培)時，開口寬度為10至20mil(密耳)，這樣的寬度可以保證該電子器件具有良好的接地效果，同時能夠較好地隔離來自統一的地平面的噪音。
本發明的第一實施例以PWM開關電源電路為例，其原理圖請參見圖3。在PWM開關電源電路中，PWM晶片為隔離式接地的電子器件，場效應管M2和濾波電容C1為非隔離式接地的電子器件。PCB板上的地平面由統一的地平面310和單獨的地平面320組成，PWM晶片在單獨的地平面320內的A點接地，場效應管M2和濾波電容C1分別在統一的地平面310上的B點和C點接地。統一的地平面310和單獨的地平面320在D點單點連接。
由於場效應管M2的接地點B點是PWM開關電源電路在地平面中產生噪音的重要來源，因此D點最好能放在離B點距離較遠的地方。同時，當電容C1的濾波性能良好時，D點可以選在C點附近，以取得更好的濾波效果。
當統一的地平面310上的噪音仍為200～500mV時，PWM開關電源電路的輸出信號上附帶的噪音只有20～50mV。可見，本發明在不增加製造成本的基礎上對隔離噪音取得了顯著的效果。
圖4所示為本發明第二實施例的接地示意圖，仍以PWM開關電源電路為例。在第二實施例中，沒有對現有技術中PCB板上已有地平面的布局，而是以分割線為邊界，在PWM晶片的接地點A點四周形成單獨的地平面，分割線構成的邊界不閉合，在D點留一個窄的開口，形成單獨的地平面與統一的地平面之間的單點連接。
場效應管的接地點B點產生的噪音，或PCB板上其它噪音源產生的噪音不能夠經過PWM晶片的接地點A點回流，從而避免地平面噪音對PWM晶片的幹擾。而PWM晶片輸出到地的電流，可以直接經過D點送出。
與第一實施例中相同，D點最好選在遠離場效應管的接地點B點和靠近濾波電容的接地點C點的位置。
本實施例中以分割線形成單獨的地平面的方法可以應用於其他的印刷電路板。採用這種方式不需要更改已有的PCB布局設計，只要在需要隔離地平面噪音的電子器件的接地點周圍增加分割線即可，極大地簡化了應用本發明的工作量。
本發明中，對單獨的地平面和統一的地平面之間的分割線的寬度沒有特別要求，能夠較好地隔離信號即可，推薦值為10mil。
可見，本發明通過單點連接單獨的地平面和統一的地平面，從根本上隔離了地平面的絕大部分噪音回流，有效地防止了對在單獨的地平面上接地的電子器件的幹擾。而且，本發明普遍適用於各種PCB板，電路穩定可靠。同時，本發明不需要額外的器件，只需要對PCB板的地平面進行修改即可，對PCB板所在電子電路的整體成本沒有影響。
以上所述的本發明實施方式，並不構成對本發明保護範圍的限定。任何在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的權利要求保護範圍之內。
權利要求
1.一種電子電路，其特徵在於，包括隔離式接地的電子器件、非隔離式接地的電子器件、單獨的地平面和統一的地平面，其中所述隔離式接地的電子器件的接地端子與所述單獨的地平面連接；所述非隔離式接地的電子器件的接地端子與所述統一的地平面連接；所述單獨的地平面與所述統一的地平面單點連接。
2.按照權利要求1所述的電子電路，其特徵在於所述單獨的地平面與統一的地平面之間單點連接的寬度由所述單獨的地平面上接地的電子器件的功耗決定。
3.按照權利要求1所述的電子電路，其特徵在於該電子電路是一種開關電源電路，其中所述隔離式接地的電子器件包括脈衝寬度調製PWM電壓控制晶片；所述非隔離式接地的電子器件包括場效應管和濾波電容。
4.一種電子電路，其特徵在於，包括隔離式接地的電子器件、非隔離式接地的電子器件、單獨的地平面和統一的地平面，其中所述隔離式接地的電子器件的接地端子與所述單獨的地平面連接；所述非隔離式接地的電子器件的接地端子與所述統一的地平面連接；所述單獨的地平面在所述統一的地平面內以分割線為邊界，並與所述統一的地平面單點連接。
5.按照權利要求4所述的電子電路，其特徵在於所述單獨的地平面與統一的地平面之間單點連接的寬度由所述單獨的地平面上接地的電子器件的功耗決定。
6.按照權利要求4所述的電子電路，其特徵在於所述分割線的寬度為10密耳。
7.按照權利要求4所述的電子電路，其特徵在於所述電子電路是一種開關電源電路，其中所述隔離式接地的電子器件包括脈衝寬度調製PWM電壓控制晶片；所述非隔離式接地的電子器件包括場效應管和濾波電容。
全文摘要
本發明公開了一種具有隔離式接地的電子電路，包括隔離式接地的電子器件、非隔離式接地的電子器件、單獨的地平面和統一的地平面，其中所述隔離式接地的電子器件的接地端子與所述單獨的地平面連接；所述非隔離式接地的電子器件的接地端子與所述統一的地平面連接；所述單獨的地平面與所述統一的地平面單點連接。本發明使地平面中的噪音難以通過單點連接處在單獨的地平面內形成回流途徑，從而能夠在單獨的地平面和統一的地平面之間有效隔離噪音，並且，本發明不會增加製造成本。本發明還提供了一種以分割線劃分單獨的地平面和統一的地平面的印刷電路板，在不修改已有的印刷電路板布局設計的基礎上，可以取得相同的技術效果。
文檔編號H02M1/00GK1725614SQ20051006326
公開日2006年1月25日 申請日期2005年4月7日 優先權日2005年4月7日
發明者沈明, 柳義利, 洪建明, 董樹國 申請人:杭州華為三康技術有限公司