PCB设计的原则与技巧

      PCB设计的原则与技巧
    印制电路板(PCB)在电子产品中,起到支撑电路元件和器件的作用,它同时还提供电路元件和器件之间的电气连接。其实,PCB的设计,远非排列、固定元器件,连通元器件引脚这样简单,PCB设计的好坏对产品的抗干扰能力影响很大,甚至对今后产品的性能起决定性的作用。随着电于技术的飞速发展,元器件和产品的外型尺寸都越来越小,工作频率越来越高,使得PCB上元器件的密度大幅提高,增加了PCB设计、加工的难度。因此,PCB设计始终是电子产品开发设计中最重要的内容之一。
    一、布局与布线是PCB设计中的两个最重要内容
    所谓布局就是把电路图上所有的元器件都合理地安排到有限面积的PCB上。最关键的问题是:开关、按钮、旋钮等操作件,以及结构件(以下简称“特殊元件”)等,必须被安排在指定的位置上;其他元器件的位置安排,必须同时兼顾到布线的布通率和电气性能的最优化,以及今后的生产工艺和造价等多方面因素。这种“兼顾”往往是对设计师的水平和经验的挑战。布线就是在布局之后,通过设计铜铂的走线图,按照原理图连通所有的走线。显然,布局的合理程度直接影响布线的成功率,往往在布线过程中还需要对布局作适当的调整。布线设计可以采用双层走线和单层走线,对于极其复杂的设计也可以考虑采用多层布线方案,但为了降低产品的造价,一般应尽量采用单层布线方案。对于个别无法布通的走线,可以采用标准间距短跳线或长跳线(软线)连通。
    二、PCB设计的一般原则
    1.PCB尺寸大小和形状的确定
首先根据产品的机械结构确定。当空间位置较富余时,应尽量选择小面积的PCB。因为面积太大时,印制线条长,阻抗增加,抗噪声能力下降,成本也增加,但还要充分考虑到元器件的散热和邻近走线易受干扰等因素。
    2.布局
    特殊元件的布局原则
    ①尽可能缩短高频元器件之间的连线,设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近,输入和输出元件应尽量远离。
    ②某些元器件或导线之间可能有较高的电位差,应加大它们之间的距离,以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。
    ③重量超过15g的元器件、应当用支架加以固定,然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件,不宜装在印制板上,而应装在整机的机箱底板上,且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。
    ④对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节,应放在印制板上方便于调节的地方;若是机外调节,其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。
    ⑤应留出PCB定位孔及固定支架所占用的位置。
    普通元器件的布局原则
    ①按照电路的流程安排各个电路单元的位置,使布局便于信号流通,并使信号尽可能保持一致的流向。
    ②以每个功能电路的核心元件为中心,围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上.尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。
    ③在高频下工作的电路,要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样,不但美观.而且装焊容易.易于批量生产。
    ④位于电路板边缘的元器件,离电路板边缘一般不小于2mm。电路板的最佳形状为矩形。长宽比为3:2成4:3。电路板面尺寸大于200x150mm时.应考虑电路板所受的机械强度。
    3.布线
    ①相同信号的电路模块输入端与输出端的导线应尽量避免相邻平行。最好加线间地线,以免发生反馈藕合。
    ②印制铜铂导线的最小宽度主要由导线与绝缘基扳间的粘附强度和流过它们的电流值决定。当铜箔厚度为 0.05mm,导线宽度为1.5mm时,通过2A的电流,温升不会高于3℃,可满足一般的设计要求,其他情况下的铜铂宽度选择可依次类推。对于集成电路,尤其是数字电路,通常选0.02-0.3mm导线宽度就可以了。当然,只要允许,还是尽可能用宽线.尤其是电源线和地线。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路,尤其是数字电路,只要工艺允许,可使间距小至0.5mm。
    ③由于直角或锐角在高频电路中会影响电气性能,因此印制铜铂导线的拐弯处一般取圆弧形。此外,尽量避免使用大面积铜箔,否则.长时间受热时,易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时,最好用栅格状.这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。
    4.焊盘
    焊盘用来焊接元器件的引脚,对于无固定支架的元器件,焊盘也起到支撑、固定元器件的承重作用。焊盘中心孔要比元器件引线直径稍大一些,但焊盘太大时易形成虚焊。一般情况下,焊盘外径D不小于(d+1.2)mm,其中d为焊盘中心孔径。对高密度的数字电路,焊盘最小直径可取(d+1.0)mm。在位置许可的情况下,焊盘面积宜大不宜小;位置拥挤时,也可采用异型(椭圆或长方形)焊盘,以增加焊盘的实际有效面积。
    三、PCB及电路抗干扰措施
抗干扰设计与具体电路有着密切的关系,是一个很复杂的技术问题。这里仅就PCB抗干扰设计中的几项最基本的措施做一些简要说明。更详细的方法请参阅专业书籍。
    1.电源线设计
根据印制线路板电流的大小,尽量加粗电源线宽度,减少环路电阻。尤其要注意使电源线、地线中的供电方向,与数据、信号的传递方向相反,即:从末级向前级推进的供电方式,这样有助于增强抗噪声能力。
    2.地线设计
    地线既是特殊的电源线,也是信号线。除了遵循电源线设计的一般原则外,还要做到:
    ①不同的信号对地线的结构有不同的要求。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,地线应短而粗,高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔。
    ②接地线应尽量加粗。若接地线太细,接地电位将随电流的变化和信号频率的变化而变化,使噪声加大,严重时将引起自激。因此应尽量加粗接地线,使它能通过三倍于印制板上的允许电流。如有可能,接地线宽度应在2-3mm以上。
    ③数字电路系统的接

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