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PCB设计经验漫谈

作者:  发布:2010-6-9 人气:1921

一、             印制板设计要求

1、  正确

这是印制板设计最基本、最重要的要求,准确实现电原理图的连接关系,避免出现“短路”和“断路”这两个简单而致命的错误。这一基本要求在手工设计和用简单CAD软件设计的PCB中并不容易做到,一般的产品都要经过两轮以上试制修改,功能较强的 CAD软件则有检验功能,可以保证电气连接的正确性。

2、  可靠

这是PCB 设计中较高一层的要求。连接正确的电路板不一定可靠性好,例如板材选择不合理,板厚及安装固定不正确,元器件布局布线不当等都可能导致PCB不能可靠地工作,早期失效甚至根本不能正确工作。再如多层板和单、双面板相比,设计时要容易得多,但就可靠而言却不如单、双面板。从可靠性的角度讲,结构越简单,使用面越小,板子层数越少,可靠性越高。

3、  合理

这是PCB设计中更深一层,更不容易达到的要求。一个印制板组件,从印制板的制造、检验、装配、调试到整机装配、调试,直到使用维修,无不与印制板的合理与否息息相关,例如板子形状选得不好加工困难,引线孔太小装配困难,没留试点高度困难,板外连接选择不当维修困难等等。每一个困难都可能导致成本增加,工时延长。而每一个造成困难的原因都源于设计者的失误。没有绝对合理的设计,只有不断合理化的过程。它需要设计者的责任心和严谨的作风,以及实践中为断总结、提高的经验。

4、  经济

     这是一个不难达到、又不易达到,但必须达到的目标。说“不难”,板材选低价,板子尺寸尽量小,连接用直焊导线,表面涂覆用最便宜的,选择价格最低的加工厂等等,印制板制造价格就会下降。但是不要忘记,这些廉价的选择可能造成工艺性,可靠性变差,使制造费用、维修费用上升,总体经济性不一定分理处,因此说“不易”。“必须”则是市场竞争的原则。竞争是无情的,一个原理先进,技术高新的产品可能  因为经济性原因夭折。

二、体会:

1、要有合理的走向:如输入/输出,交流/直流,强/弱信号,高频/低频,高压/低压等,它们的走向应该是呈线形的(或分离),不得相互交融。其目的是防止相互干扰。最好的走向是按直线,但一般不易实现,最不利的走向是环形,所幸的是可以设隔离 带来改善。对于是直流,小信号,低电压PCB设计的要求可以低些。所以“合理”是相对的。

2、选择好接地点:小小的接地点不知有多少工程技术人员对它做过多少论述,足见其重要性。一般情况下要求共点地,如:前向放大器的多条地线应汇合后再与干线地相连等等。现实中,因受各种限制很难完全办到,但应尽力遵循。这个问题在实际中是相当灵 活的。每个人都有自己的一套解决方案。如能针对具体的电路板来解释就容易理解。

3、合理布置电源滤波/退耦电容:一般在原理图中仅画出若干电源滤波/退耦电容,但未指出它们各自应接于何处。其实这些电容是为开关器件(门电路)或其它需要滤波/退耦的部件而设置的,布置这些电容就应尽量靠近这些元部件,离得太远就没有作用了。有趣的是,当电源滤波/退耦电容布置的合理时,接地点的问题就显得不那么明显。

4、线条有讲究:有条件做宽的线决不做细;高压及高频线应园滑,不得有尖锐的倒角,拐弯也不得采用直角。地线应尽量宽,最好使用大面积敷铜,这对接地点问题有相当大的改善。

5、有些问题虽然发生在后期制作中,但却是PCB设计中带来的,它们是:过线孔太多,沉铜工艺稍有不慎就会埋下隐患。所以,设计中应尽量减少过线孔。同向并行的线条密度太大,焊接时很容易连成一片。所以,线密度应视焊接工艺的水平来确定。焊点的距离太小,不利于人工焊接,只能以降低工效来解决焊接质量。否则将留下隐患。所以,焊点的最小距离的确定应综合考虑焊接人员的素质和工效。焊盘或过线孔尺寸太小,或焊盘尺寸与钻孔尺寸配合不当。前者对人工钻孔不利,后者对数控钻孔不利。容易将焊盘钻成“c”形,重则钻掉焊盘。导线太细,而大面积的未布线区又没有设置敷铜,容易造成腐蚀不均匀。即当未布线区腐蚀完后,细导线很有可能腐蚀过头,或似断非断,或完全断。所以,设置敷铜的作用不仅仅是增大地线面积和抗干扰。

三、Protel 打印设置

SCH的打印设置较简单,在MarginsTop Bottom Left  Right内全填上0然后点击Refresh,这样就能最大范围的占用页面,使打印出的SCH图更大些。

PCB的设置:打开File>Setup  Printer…进行打印前的设置。

在弹出的Printer  Setup菜单中,要先选择您的打印机:最先几个是默认的打印机,后面两个是我们安装了的打印机,(我的机子上是这样)两个中一个后缀为Final,一个Composite,前一个的意思是打印机一次只打印一个层(不管您选了几个层,只是分几次打印而已),后一个是一次打印所有你选中的层面,根据需要自己选择!下一步:点击下方的Options按钮,进行属性设置。假设我们选final然后进入Options进行设置,进入后的选项一般不用动, Scale为打印比例,默认的为1:1,如果想满页打印,就将那个小框打上钩,哦!右边的Show   Hole蛮重要,选中他就可以把电路板上的孔打印出来(做光刻板就要选这个,有帮助),好了,点击Setup进行纸张大小设置就完成了打印机 Options。还没完呢!麻烦把!回到选打印机属性的对话框,选择Layers,进行打印层的设置,进去以后,看见了吧!是不是很熟悉呢!根据自己需要选择吧。

四、常用的PCB库文件

1.\library\pcb\connectors目录下的元件数据库所含的元件库含有绝大部分接插件元件的PCB封装。

1.D type  connectors.ddb,含有并口,串口类接口元件的封装

2.headers.ddb:含有各种插头元件的封装

2.\library\pcb\generic  footprints目录下的数据库所含的元件库含有绝大部分的普通元件的PCB封状。

  1.general  ic.ddb,含有CFPDIPJEDECALCCDFPILEADSOCKETPLCC系列以及表面贴装电阻,电容等元件封装

2.international  rectifiers.ddb,含有IR公司的整流桥,二极管等常用元件的封装3.Miscellaneous.ddb,含有电阻,电容,二极管等的封装

  4.PGA.ddb,含有PGA封装

5.Transformers.ddb,含有变压器元件的封装

6.Transistors.ddb含有晶体管元件的封装

3.\library\pcb\IPC  footprints目录下的元件数据库所含的元件库中有绝大部分的表面帖装元件的封装。

五、PCB及电路抗干扰措施

印制电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系,这里仅就PCB抗干扰设计的几项常用措施做一些说明。

1.电源线设计

根据印制线路板电流的大小,尽量加租电源线宽度,减少环路电阻。同时、使电源线、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.地线设计的原则

 (1)数字地与模拟地分开。若线路板上既有逻辑电路又有线性电路,应使它们尽量分开。低频电路的地应尽量采用单点并联接地,实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地,地线应短而租,高频元件周围尽量用栅格状大面积铺铜。

 (2)接地线应尽量加粗。若接地线用很纫的线条,则接地电位随电流的变化而变化,使抗噪性能降低。因此应将接地线加粗,使它能通过三倍于印制板上的允许电流。如有可能,接地线应在2~3mm以上。

 (3)接地线构成闭环路。只由数字电路组成的印制板,其接地电路布成团环路大多能提高抗噪声能力。

3.退藕电容配置

PCB设计的常规做法之一是在印制板的各个关键部位配置适当的退藕电容。退藕电容的一般配置原则是:

  (1)电源输入端跨接10~100uf的电解电容器。如有可能,接100uF以上的更好。

(2)原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01uF的瓷片电容,如遇印制板空隙不够,可每4~8个芯片布置一个1~10uF的钽电容。

  (3)对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件,如RAMROM存储器件,应在芯片的电源线和地线之间直接接入退藕电容。

 (4)电容引线不能太长,尤其是高频旁路电容不能有引线。

(5)在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时.操作它们时均会产生较大火花放电,必须采用RC电路来吸收放电电流。一般R1~2KC2.2~47UF

 (6) CMOS的输入阻抗很高,且易受感应,因此在使用时对不用端要接地或接正电源。

六、PCB布线原则

PCB设计中,布线是完成产品设计的重要步骤,可以说前面的准备工作都是为它而做的,在整个PCB中,以布线的设计过程限定最高,技巧最细、工作量最 大。PCB布线有单面布线、双面布线及多层布线。布线的方式也有两种:自动布线及交互式布线,在自动布线之前,可以用交互式预先对要求比较严格的线进行布线,输入端与输出端的边线应避免相邻平行,以免产生反射干扰。必要时应加地线隔离,两相邻层的布线要互相垂直,平行容易产生寄生耦合。

    自动布线的布通率,依赖于良好的布局,布线规则可以预先设定,包括走线的弯曲次数、导通孔的数目、步进的数目等。一般先进行探索式布经线,快速地把短线连通,然后进行迷宫式布线,先把要布的连线进行全局的布线路径优化,它可以根据需要断开已布的线。并试着重新再布线,以改进总体效果。

   对目前高密度的PCB设计已感觉到贯通孔不太适应了, 它浪费了许多宝贵的布线通道,为解决这一矛盾,出现了盲孔和埋孔技术,它不仅完成了导通孔的作用,还省出许多布线通道使布线过程完成得更加方便,更加流畅,更为完善,PCB 板的设计过程是一个复杂而又简单的过程,要想很好地掌握它,还需广大电子工程设计人员去自已体会,才能得到其中的真谛。

   1 电源、地线的处理

     既使在整个PCB板中的布线完成得都很好,但由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰,会使产品的性能下降,有时甚至影响到产品的成功率。所以对电源、地线的布线要认真对待,把电源、地线所产生的噪音干扰降到最低限度,以保证产品的质量。

     对每个从事电子产品设计的工程人员来说都明白地线与电源线之间噪音所产生的原因,现只对降低式抑制噪音作以表述:

l         众所周知的是在电源、地线之间加上去耦电容。

l         尽量加宽电源、地线宽度,最好是地线比电源线宽,它们的关系是:地线>电源线>信号线,通常信号线宽为:0.20.3mm,最精细宽度可达0.050.07mm,电源线为1.22.5   mm

l         对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路, 即构成一个地网来使用(模拟电路的地不能这样使用)

l         用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。或是做成多层板,电源,地线各占用一层。

2 数字电路与模拟电路的共地处理

现在有许多PCB不再是单一功能电路(数字或模拟电路),而是由数字电路和模拟电路混合构成的。因此在布线时就需要考虑它们之间互相干扰问题,特别是地线上的噪音干扰。数字电路的频率高,模拟电路的敏感度强,对信号线来说,高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电 路器件,对地线来说,整人PCB对外界只有一个结点,所以必须在PCB内部进行处理数、模共地的问题,而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的它们之间互不相连,只是在PCB与外界连接的接口处(如插头等)。数字地与模拟地有一点短接,请注意,只有一个连接点。也有在PCB上不共地的,这由系统设计来决定。

3 信号线布在电(地)层上

    在多层印制板布线时,由于在信号线层没有布完的线剩下已经不多,再多加层数就会造成浪费也会给生产增加一定的工作量,成本也相应增加了,为解决这个矛盾,可以考虑在电(地)层上进行布线。首先应考虑用电源层,其次才是地层。因为最好是保留地层的完整性。     

  4 大面积导体中连接腿的处理

    在大面积的接地(电)中,常用元器件的腿与其连接,对连接腿的处理需要进行综合的考虑,就电气性能而言,元件腿的焊盘与铜面满接为好,但对元件的焊接装配就存在一些不良隐患如:①焊接需要大功率加热器。②容易造成虚焊点。所以兼顾电气性能与工艺需要,做成十字花焊盘,称之为热隔离(heat  shield)俗称热焊盘(Thermal),这样,可使在焊接时因截面过分散热而产生虚焊点的可能性大大减少。多层板的接电(地)层腿的处理相同。 5 布线中网络系统的作用

     在许多CAD系统中,布线是依据网络系统决定的。网格过密,通路虽然有所增加,但步进太小,图场的数据量过大,这必然对设备的存贮空间有更高的要求,同时也对象计算机类电子产品的运算速度有极大的影响。而有些通路是无效的,如被元件腿的焊盘占用的或被安装孔、定们孔所占用的等。网格过疏,通路太少对布通率 的影响极大。所以要有一个疏密合理的网格系统来支持布线的进行。

     标准元器件两腿之间的距离为0.1英寸(2.54mm),所以网格系统的基础一般就定为0.1英寸(2.54 mm)或小于0.1英寸的整倍数,如:0.05英寸、0.025英寸、0.02英寸等。

6 设计规则检查(DRC

     布线设计完成后,需认真检查布线设计是否符合设计者所制定的规则,同时也需确认所制定的规则是否符合印制板生产工艺的需求,一般检查有如下几个方面:

l         线与线,线与元件焊盘,线与贯通孔,元件焊盘与贯通孔,贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理,是否满足生产要求。电源线和地线的宽度是否合适,电源与地线之间是否紧耦合(低的波阻抗)?在PCB中是否还有能让地线加宽的地方。  

l         对于关键的信号线是否采取了最佳措施,如长度最短,加保护线,输入线及输出线被明显地分开。

l         模拟电路和数字电路部分,是否有各自独立的地线。

后加在PCB中的图形(如图标、注标)是否会造成信号短路。对一些不理想的线形进行修改。

l         PCB上是否加有工艺线?阻焊是否符合生产工艺的要求,阻焊尺寸是否合适,字符标志是否压在器件焊盘上,以免影响电装质量。

l         多层板中的电源地层的外框边缘是否缩小,如电源地层的铜箔露出板外容易造成短路。

总之,PCB布线和设计是一门技术和经验的综合“艺术”,使用者通过亲自的实践操作才能掌握这些要点,才能做出信号分析完整、电磁兼容性能良好的PCB电路。

 

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