一文了解PCB电路设计布局原则

PCB板电路设计的原则包括以下几个方面:

1、PCB板的选用

2、PCB板尺寸

3、PCB板元件布局

4、PCB板布线

5、PCB板接地

6、PCB板抗干扰

7、PCB板焊盘

8、PCB板大面积填充

9、PCB板跨接线

10、PCB板高频布线

PCB板的选用

PCB板一般用敷铜层压板制成,板层选用时要从电气性能、可靠性、加工工艺要求和经济指标等方面考虑。常用的敷铜层压板是敷铜酚醛纸质层压板、敷铜环氧纸质层压板、敷铜环氧玻璃布层压板、敷铜环氧酚醛玻璃布层压板、敷铜聚四氟乙烯玻璃布层压板和多层印刷电路板用环氧玻璃布等。

不同材料的层压板有不同的特点。环氧树脂与铜箔有极好的粘合力,因此铜箔的附着强度和工作温度较高,可以在260℃的熔锡中不起泡。环氧树脂浸过的玻璃布层压板受潮气的影响较小。超高频电路板最好是敷铜聚四氟乙烯玻璃布层压板。在要求阻燃的电子设备上,还需要阻燃的PCB板,这些PCB板都是浸入了阻燃树脂的层压板。

PCB板尺寸

PCB板的厚度应该根据PCB板的功能、安装元器件的重量、PCB板插座的规格、PCB板的外形尺寸和承受的机械负荷等来决定。主要应该保证足够的刚度和强度。

常见的PCB板的厚度有:0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm。

从成本、铜膜线长度、抗噪声能力考虑,PCB板尺寸越小越好。但是PCB板尺寸太小,则散热不良,且相邻的导线容易引起干扰。PCB板的制作费用是和PCB板的面积相关的,面积越大,造价越高。在设计具有机壳的PCB板时,PCB板尺寸还受机箱外壳大小的限制,一定要在确定PCB板尺寸前确定机壳大小,否则就无法确定PCB板尺寸。一般情况下,在禁止布线层中指定的布线范围就是PCB板尺寸的大小。

PCB板的最佳形状是矩形,长宽比为3:2或4:3,当PCB板的尺寸大于200*150mm时,应该考虑PCB板的机械强度。总之,应该综合考虑利弊来确定PCB板尺寸。

PCB板抗干扰

具有微处理器的电子系统,抗干扰和电磁兼容性是设计过程中必须考虑的问题,特别是对于时钟频率高、总线周期快的系统;含有大功率、大电流驱动电路的系统;含微弱模拟信号以及高精度A/D变换电路的系统。为增加系统抗电磁干扰能力应考虑采取以下措施:

1)选用时钟频率低的微处理器

只要控制器性能能够满足要求,时钟频率越低越好,低的时钟可以有效降低噪声和提高系统的抗干扰能力。由于方波中包含各种频率成分,其高频成分很容易成为噪声源,一般情况下,时钟频率3倍的高频噪声是最具危险性的。

2)减小信号传输中的畸变

当高速信号(信号频率高=上升沿和下降沿快的信号)在铜膜线上传输时,由于铜膜线电感和电容的影响,会使信号发生畸变,当畸变过大时,就会使系统工作不可靠。一般要求,信号在PCB板上传输的铜膜线越短越好,过孔数目越少越好。典型值:长度不超过25cm,过孔数不超过2个。

3)减小信号间的交叉干扰

当一条信号线具有脉冲信号时,会对另一条具有高输入阻抗的弱信号线产生干扰,这时需要对弱信号线进行隔离,方法是加一个接地的轮廓线将弱信号包围起来,或者是增加线间距离,对于不同层面之间的干扰可以采用增加电源和地线层面的方法解决。

4)减小来自电源的噪声

电源在向系统提供能源的同时,也将其噪声加到所供电的系统中,系统中的复位、中断以及其它一些控制信号最易受外界噪声的干扰,所以,应该适当增加电容来滤掉这些来自电源的噪声。

5)注意PCB板与元器件的高频特性

在高频情况下,PCB板上的铜膜线、焊盘、过孔、电阻、电容、接插件的分布电感和电容不容忽略。由于这些分布电感和电容的影响,当铜膜线的长度为信号或噪声波长的1/20时,就会产生天线效应,对内部产生电磁干扰,对外发射电磁波。一般情况下,过孔和焊盘会产生0.6pF的电容,一个集成电路的封装会产生2~6pF的电容,一个PCB板的接插件会产生520mH的电感,而一个DIP-24插座有18nH的电感,这些电容和电感对低时钟频率的电路没有任何影响,而对于高时钟频率的电路必须给予注意。

6)元件布置要合理分区

元件在电路板上排列的位置要充分考虑抗电磁干扰问题。原则之一就是各个元件之间的铜膜线要尽量的短,在布局上,要把模拟电路、数字电路和产生大噪声的电路(继电器、大电流开关等)合理分开,使它们相互之间的信号耦合最小。

7)处理好地线

按照前面提到的单点接地或多点接地方式处理地线。将模拟地、数字地、大功率器件地分开连接,再汇聚到电源的接地点。PCB板以外的引线要用屏蔽线,对于高频和数字信号,屏蔽电缆两端都要接地,低频模拟信号用的屏蔽线,一般采用单端接地。对噪声和干扰非常敏感的电路或高频噪声特别严重的电路应该用金属屏蔽罩屏蔽。

8)去耦电容

去耦电容以瓷片电容或多层陶瓷电容的高频特性较好。设计PCB板时,每个集成电路的电源和地线之间都要加一个去耦电容。去耦电容有两个作用,一方面是本集成电路的储能电容,提供和吸收该集成电路开门和关门瞬间的充放电电能,另一方面,旁路掉该器件产生的高频噪声。数字电路中典型的去耦电容为0.1μF,这样的电容有5nH的分布电感,可以对10MHz以下的噪声有较好的去耦作用。一般情况下,选择0.01~0.1μF 的电容都可以。

一般要求没10片左右的集成电路增加一个10μF 的充放电电容。另外,在电源端、电路板的四角等位置应该跨接一个10~100μF 的电容。

PCB板焊盘

焊盘尺寸:焊盘的内孔尺寸必须从元件引线直径和公差尺寸以及镀锡层厚度、孔径公差、孔金属化电镀层厚度等方面考虑,通常情况下以金属引脚直径加上0.2mm作为焊盘的内孔直径。例如,电阻的金属引脚直径为0.5mm,则焊盘孔直径为0.7mm,而焊盘外径应该为焊盘孔径加1.2mm,最小应该为焊盘孔径加1.0mm。当焊盘直径为1.5mm时,为了增加焊盘的抗剥离强度,可采用方形焊盘。对于孔直径小于0.4mm的焊盘,焊盘外径/焊盘孔直径=0.5~3。对于孔直径大于2mm的焊盘,焊盘外径/焊盘孔直径=1.5~2。

常用的焊盘尺寸:

焊盘孔直径/mm

0.4;0.5;0.6;0.8;1.0;1.2;1.6;2.0

焊盘外径/mm

1.5;1.5;2.0;2.0;2.5;3.0;3.5;4

设计焊盘时的注意事项如下:

1)焊盘孔边缘到PCB板边缘的距离要大于1mm,这样可以避免加工时导致焊盘缺损。

2)焊盘补泪滴,当与焊盘连接的铜膜线较细时,要将焊盘与铜膜线之间的连接设计成泪滴状,这样可以使焊盘不容易被剥离,而铜膜线与焊盘之间的连线不易断开。

3)相邻的焊盘要避免有锐角。

PCB板大面积填充

PCB板上的大面积填充的目的有两个,一个是散热,另一个是用屏蔽减少干扰,为避免焊接时产生的热使电路板产生的气体无处排放而使铜膜脱落,应该在大面积填充上开窗,后者使填充为网格状。使用敷铜也可以达到抗干扰的目的,而且敷铜可以自动绕过焊盘并可连接地线。

PCB板跨接线

在单面PCB板的设计中,当有些铜膜无法连接时,通常的做法是使用跨接线,跨接线的长度应该选择如下几种:6mm、8mm和10mm。

PCB板高频布线

为了使高频PCB板的设计更合理,抗干扰性能更好,在进行PCB板设计时应从以下几个方面考虑:

1)合理选择层数

利用中间内层平面作为电源和地线层,可以起到屏蔽的作用,有效降低寄生电感、缩短信号线长度、降低信号间的交叉干扰,一般情况下,四层板比两层板的噪声低20dB。

2)走线方式

走线必须按照45°角拐弯,这样可以减小高频信号的发射和相互之间的耦合。

3)走线长度

走线长度越短越好,两根线并行距离越短越好。

4)过孔数量

过孔数量越少越好。

5)层间布线方向

层间布线方向应该取垂直方向,就是顶层为水平方向,底层为垂直方向,这样可以减小信号间的干扰。

6)敷铜

增加接地的敷铜可以减小信号间的干扰。

7)包地

对重要的信号线进行包地处理,可以显着提高该信号的抗干扰能力,当然还可以对干扰源进行包地处理,使其不能干扰其它信号。

8)信号线

信号走线不能环路,需要按照菊花链方式布线。

9)去耦电容

在集成电路的电源端跨接去耦电容。

10)高频扼流

数字地、模拟地等连接公共地线时要接高频扼流器件,一般是中心孔穿有导线的高频铁氧体磁珠。

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