CB相關(guān)設(shè)計(jì)策略方案和技巧

1、CB相關(guān)設(shè)計(jì)策略方案和技巧概述概述 PCB設(shè)計(jì)主要包括: 一. 信號完整性設(shè)計(jì) 二. 工藝及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 三. 熱設(shè)計(jì) 一一 信號完整性設(shè)計(jì)信號完整性設(shè)計(jì) 信號完整性設(shè)計(jì)：即是對信號質(zhì)量的控制,它在很大程度上決定著整個電路板性能的好壞,產(chǎn)品的正常功能能否實(shí)現(xiàn)、可靠性問題、EMC能否達(dá)標(biāo)都是此設(shè)計(jì)階段的主要任務(wù)。主要考慮的方面：1、電路板層數(shù)的設(shè)計(jì)2、混合信號的分區(qū)設(shè)計(jì)3、地線的設(shè)計(jì)4、去藕和旁路電容設(shè)計(jì)5、布線設(shè)計(jì)電路板的層數(shù)設(shè)計(jì)電路板的層數(shù)設(shè)計(jì)電路板的層數(shù)設(shè)計(jì)要考慮到電氣性能、器件密度、成本和結(jié)構(gòu)等各方面的要求。設(shè)計(jì)師需要綜合考慮來取得折中方案?！拔逦濉币?guī)則：即時鐘頻率大于MHz或者脈沖上升時間

2、小于ns，宜于選擇多層電路板。（）Vcc、GND的層數(shù)單板電源的層數(shù)由其種類數(shù)量決定：對于單一電源供電的PCB，一個電源平面足夠了；對于多種電源，若互不交錯，可考慮采取電源層分割（保證相鄰層的關(guān)鍵信號布線不跨分割區(qū)）；對于電源相互交錯的單板，則必須考慮采用2個或以上的電源平面。對于地的層數(shù)要考慮：元件面下面（第2層或倒數(shù)第2層）有相對完整的地平面。高頻、高速、時鐘等關(guān)鍵信號有一相鄰地平面。關(guān)鍵電源應(yīng)與其對應(yīng)地平面相鄰。從屏蔽的角度考慮，地平面一般均作了接地處理，并作為基準(zhǔn)電平參考點(diǎn)，其屏蔽效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于電源平面。因此，在選擇參考平面時，應(yīng)優(yōu)選地平面。（）電源層、地層、信號層的相對位置單板層的排布

3、一般原則：元件面下面（第二層）為地平面，提供器件屏蔽層以及為頂層布線提供參考平面。所有信號層盡可能與地平面相鄰。盡量避免兩信號層直接相鄰。主電源盡可能與其對應(yīng)地相鄰。兼顧層壓結(jié)構(gòu)對稱。原則：一般電源層敷銅要內(nèi)縮于地層，即電源層到板邊的距離要比地層到板邊的距離大（指的是電源層到相應(yīng)地層的層間厚度）四層板，優(yōu)選方案1方案為現(xiàn)行四層PCB的主選層設(shè)置方案，在元件面下有一地平面，關(guān)鍵信號優(yōu)選布TOP層。 例至于層厚設(shè)置，有以下建議： 滿足阻抗控制 芯板（GND到POWER）不宜過厚，以降低電 源到地平面的分布阻抗，保證電源平面的去耦效果六層板，優(yōu)選方案3 對于六層板，優(yōu)先考慮方案3，優(yōu)選布線層S2，其

4、次S3、S1。主電源及其對應(yīng)的地布在4、5層。 層厚設(shè)置時，增大S2-P之間的間距，縮小P-G2之間的間距（相應(yīng)縮小G1-S2層之間的間距），以減小電源平面的阻抗，減少電源對S2的影響。在成本要求較高時，可采用方案1，優(yōu)選布線層S1、S2，其次S3、S4 。與方案1相比，方案2保證了電源、地平面相鄰，減少電源阻抗，但S1、S2、S3、S4全部裸露在外，只有S2才有較好的參考平面。對于局部、少量信號要求較高的場合，方案4比方案3更合適，它能提供極佳的布線層S2。（注：S信號層，P電源層，G地層）混合信號混合信號PCB的分區(qū)設(shè)計(jì)的分區(qū)設(shè)計(jì) 混合信號電路PCB的設(shè)計(jì)很復(fù)雜，元器件的局、布線以及電源和

5、地線的處理將直接影響到電路性能和電磁兼容性能。 如何降低數(shù)字信號和模擬信號間的相互干擾呢 ？在設(shè)計(jì)之前必須了解電磁兼容(EMC)的兩個基本原則：第一個原則是盡可能減小電流環(huán)路的面積；第二個原則是系統(tǒng)只采用一個參考面。 相反，如果系統(tǒng)存在兩個參考面，就可能形成一個偶極天線(注：小型偶極天線的輻射大小與線的長度、流過的電流大小以及頻率成正比) ；而如果信號不能通過盡可能小的環(huán)路返回，就可能形 成一個大的環(huán)狀天線(注：小型環(huán)狀天線的輻射大小與環(huán)路面積、流過環(huán)路的電流大小以及頻率的平方成正比)。在設(shè)計(jì)中要盡可能避免這兩種情況 。 一種建議將混合信號電路板上的數(shù)字地和模擬地分割開，這樣能實(shí)現(xiàn)數(shù)字地和模擬

6、地之間的隔離。盡管這種方法可行，但是存在很多潛在的問題，在復(fù)雜的大型系統(tǒng)中問題尤其突出。最關(guān)鍵的問題是不能跨越分割間隙布線，一旦跨越了分割間隙布線，電磁輻射和信號串?dāng)_都會急劇增加。在PCB設(shè)計(jì)中最常見的問題就是信號線跨越分割地或電源而產(chǎn)生EMI問題。 例如圖1所示，我們采用上述分割方法，而且信號線跨越了兩個地之間的間隙，在這種情況下當(dāng)把分割地在電源處連接在一起時，將形成一個非常大的電流環(huán)路。流經(jīng)大環(huán)路的高頻電流會產(chǎn)生輻射和很高的地電感，如果流過大環(huán)路的是低電平模擬電流，該電流很容易受到外部信干擾。另外，模擬地和數(shù)字地通過一根長導(dǎo)線連接在一起會構(gòu)成偶極天線。圖方法一：如果必須對地線層進(jìn)行分割，而

7、且必須通過分割之間的間隙布線，可以先在被分割的地之間進(jìn)行單點(diǎn)連接，形成兩個地之間的連接橋，然后通過該連接橋布線。這樣，在每一個信號線的下方都能夠提供一個直接的電流回流路徑，從而使形成的環(huán)路面積很小。如圖所示。 圖方法二：采用光隔離器件或變壓器也能實(shí)現(xiàn)信號跨越分割間隙。對于前者，跨越分割間隙的是光信號；對于后者，跨越分割間隙的是磁場。 方法三：采用差分信號， 信號從一條線流入從另外一條信號線返回，這種情況下不需要地作為回流路徑。 方法四：PCB設(shè)計(jì)采用統(tǒng)一地，通過數(shù)字電路和模擬電路分區(qū)以及合適的信號布線，避免了地分割帶來的潛在的麻煩在這種情況下元器件的布局和分區(qū)就成為決定設(shè)計(jì)優(yōu)劣的關(guān)鍵。如果布局

8、布線合理，數(shù)字地電流將限制在電路板的數(shù)字部分，不會干擾模擬信號。 要深入探討數(shù)字信號對模擬信號的干擾必須先了解高頻電流的特性。許多設(shè)計(jì)工程師僅僅考慮信號電流從哪兒流過，而忽略了電流的具體路徑。高頻電流總是選擇阻抗最小(電感最低)，直接位于信號下方的路徑，因此返回電流會流過鄰近的電路層，而無論這個臨近層是電源層還是地線層。 由此可以得知，只有將數(shù)字信號布線在電路板的模擬部分之上或者將模擬信號布線在電路板的數(shù)字部分之上時，才會出現(xiàn)數(shù)字信號對模擬信號的干擾。 在實(shí)際工作中一般傾向于使用統(tǒng)一地，而將PCB分區(qū)為模擬部分和數(shù)字部分。模擬信號在電路板所有層的模擬區(qū)內(nèi)布線，而數(shù)字信號在數(shù)字電路區(qū)內(nèi)布線。 如

9、果系統(tǒng)僅有一個A/D轉(zhuǎn)換器， 如圖中所示，將地分割開，在A/D轉(zhuǎn)換器下面把模擬地和數(shù)字地部分連接在一起。采取該方法時，必須保證兩個地之間的連接橋?qū)挾扰cIC等寬，并且任何信號線都不能跨越分割間隙。 圖如果系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換器較多，例如10個A/D轉(zhuǎn)換器，如果在每一個A/D轉(zhuǎn)換器的下面都將模擬地和數(shù)字地連接在一起，則產(chǎn)生多點(diǎn)相連，模擬地和數(shù)字地之間的隔離就毫無意義。而如果不這樣連接，就違反了廠商的要求。（大多數(shù)的A/D廠商會建議將AGND和DGND圖管腳通過最短的引線連接到同一個低阻抗的地上) 。最好的辦法就是一開始就使用統(tǒng)一地。如圖所示將統(tǒng)一的地分為模擬部分和數(shù)字部分。地線設(shè)計(jì)地線設(shè)計(jì)（）正確選擇

10、單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地低頻電路中，信號的工作頻率小于1MHz，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對干擾影響較大，因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地。 當(dāng)信號工作頻率大于10MHz時，地線阻抗變得很大，此時應(yīng)盡量降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。當(dāng)工作頻率在110MHz時，如果采用一點(diǎn)接地，其地線長度不應(yīng)超過波長的1/20，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地法。 （）盡量加粗接地線 若接地線很細(xì)，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設(shè)備的定時信號電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。因此應(yīng)將接地線盡量加粗，使它能通過三倍于印制電路板的允許電流。如有可能，接地線的寬度應(yīng)大于3mm。（一般情況下，地線寬度電源線寬度信號線寬度）

11、（）地線與電源線應(yīng)配合布置，彼此盡量靠近和平行圖在此電路板上，使用不同的路線來布電源線和地線，由于這種不恰當(dāng)配合，電路板的電子元器件和線路受電磁干擾的可能性比較大。 例圖圖在此單面板中，到電路板上器件的電源線和地線彼此靠近。此電路板中電源線和地線的配合比圖中恰當(dāng)。電路板中電子元器件和線路受電磁干擾(EMI)的可能性降低了倍或約54倍 圖（）將接地線構(gòu)成閉環(huán)路設(shè)計(jì)只由數(shù)字電路組成的印制電路板的地線系統(tǒng)時，將接地線做成閉環(huán)路可以明顯的提高抗噪聲能力。其原因在于：印制電路板上有很多集成電路元件，尤其遇有耗電多的元件時，因受接地線粗細(xì)的限制，會在地結(jié)上產(chǎn)生較大的電位差，引起抗噪聲能力下降，若將接地結(jié)構(gòu)

12、成環(huán)路，則會縮小電位差值，提高電子設(shè)備的抗噪聲能力。（注意：模擬電路不能采用此方法。）去耦或旁路電容配置去耦或旁路電容配置 在電路板上加旁路或去耦電容，以及這些電容在板上的位置，對于數(shù)字和模擬設(shè)計(jì)來說都屬于常識。（作用不同，但用法一致。）其配置規(guī)則如下： （）電源輸入端跨接一個10100uF的電解電容器，如果印制電路板的位置允許，采用100uF以上的電解電容器的抗干擾效果會更好。（）為每個集成電路芯片配置一個的陶瓷電容器。如遇到印制電路板空間小而裝不下時，可每410個芯片配置一個110uF鉭電解電容器。 （）對于噪聲能力弱、關(guān)斷時電流變化大的器件和ROM、RAM等存儲型器件，應(yīng)在芯片的電源線（

13、Vcc）和地線（GND）間直接接入去耦電容。（）去耦電容的引線不能過長，特別是高頻旁路電容不能帶引線。此外，還應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：（1）在印制板中有接觸器、繼電器、按鈕等元件時，操作它們時均會產(chǎn)生較大火花放電，必須采用RC電路來吸收放電電流。一般R取12K，C取47uF。（2）CMOS的輸入阻抗很高，且易受感應(yīng)，因此在使用時對不用端要接地或接正電源。 （）PCBPCB設(shè)計(jì)產(chǎn)生的寄生元件設(shè)計(jì)產(chǎn)生的寄生元件PCBPCB設(shè)計(jì)中很容易形成可能產(chǎn)生問題的兩種基本設(shè)計(jì)中很容易形成可能產(chǎn)生問題的兩種基本寄生元件：寄生電容和寄生電感。設(shè)計(jì)電路板時，寄生元件：寄生電容和寄生電感。設(shè)計(jì)電路板時，放置兩條彼此靠近的走線

14、就會產(chǎn)生寄生電容。分兩放置兩條彼此靠近的走線就會產(chǎn)生寄生電容。分兩種情況：在不同的兩層，將一條走線放置在另一條種情況：在不同的兩層，將一條走線放置在另一條走線的上方；或者在同一層，將一條走線放置在另走線的上方；或者在同一層，將一條走線放置在另一條走線的旁邊，如圖所示。在這兩種走線配置一條走線的旁邊，如圖所示。在這兩種走線配置中，一條走線上電壓隨時間的變化中，一條走線上電壓隨時間的變化(dV/dt)(dV/dt)可能在可能在另另一條走線上產(chǎn)生電流。如果另一條走線是高阻抗的一條走線上產(chǎn)生電流。如果另一條走線是高阻抗的，電場產(chǎn)生的電流將轉(zhuǎn)化為電壓。，電場產(chǎn)生的電流將轉(zhuǎn)化為電壓。 PCBPCB布線設(shè)計(jì)

15、布線設(shè)計(jì) 圖大家可以根據(jù)圖中的公式自己計(jì)算出實(shí)際工作電路中耦合電流是多大電路板中寄生電感產(chǎn)生的原理與寄生電容形成的原理類似。一條走線上電流隨時間的變化(dI/dt)，由于這條走線的感抗，會在同一條走線上產(chǎn)生電壓；并由于互感的存在，會在另一條走線上產(chǎn)生成比例的電流。如果在第一條走線上的電壓變化足夠大，干擾可能會降低數(shù)字電路的電壓容限而產(chǎn)生誤差。這種現(xiàn)象在數(shù)字電路中比較常見，因?yàn)閿?shù)字電路中存在較大的瞬時開關(guān)電流。 圖如果不注意走線的放置，PCB中的走線可能產(chǎn)生線路感抗和互感。這種寄生電感對于包含數(shù)字開關(guān)電路的電路運(yùn)行是非常有害的。 有兩種辦法可以減少上述寄生元件問題：最常用的技術(shù)是根據(jù)電容的方程，

16、改變走線之間 的尺寸。即增加兩條走線的距離d和減少走線的 長度。另一種技術(shù)是在這兩條走線之間布地線。地線是 低阻抗的，而且添加這樣的另外一條走線將削弱 產(chǎn)生干擾的電場。（）信號線最短原則愈是重要和敏感的信號，其器件之間的連線愈要短。盡量減少印制導(dǎo)線的不連續(xù)性，導(dǎo)線寬度不要突變，導(dǎo)線拐彎處一般取鈍角或圓弧形，因?yàn)橹苯腔驃A角在高頻電路中會影響電氣性能。禁止環(huán)狀走線。 （）環(huán)路最小原則信號線與其回路構(gòu)成的環(huán)面積要盡可能的小，環(huán)面積越小，對外輻射越少，接收外界的干擾也小。 （）布線優(yōu)先次序關(guān)鍵信號線優(yōu)先：電源、模擬小信號，高速信號，時鐘信號和同步信號等關(guān)鍵信號優(yōu)先布線。密度優(yōu)先原則：從單板上連接關(guān)系最

17、復(fù)雜的器件著手布線，從單板上連線最密集的區(qū)域開始布線。（ ）自動布線 在布線質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，可使用自動布線器以提高工作效率，在自動布線前應(yīng)完成以下工作：自動布線控制為了更好的控制布線質(zhì)量，一般在運(yùn)行前要詳細(xì)定義布線規(guī)則，這些規(guī)則可以在軟件的圖形界面內(nèi)進(jìn)行定義，但軟件提供了更好的控制方法，即針對設(shè)計(jì)情況，寫出自動布線控制文件，軟件在該文件控制下運(yùn)行。二工藝及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)PCB在考慮電設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，要考慮滿足工藝與結(jié)構(gòu)要求。元件放置的方向性（）元器件放置方向考慮布線，裝配，焊接和維修的要求后，盡量統(tǒng)一。在PBA 上的元件盡量要求有統(tǒng)一的方向，有正負(fù)極型的元件也要有統(tǒng)一的方向。（）對采用波峰焊

18、工藝的PCB板，DIP器件軸向與波峰焊傳送方向垂直，阻、容件軸向要與傳送方向垂直， 排阻及 SOP（PIN間距大于等于）元器件軸向與傳送方向平行；PIN間距小于(50mil)的IC、SOJ、PLCC、QFP等有源元件避免用波峰焊；見圖。 圖圖示插件與貼片過波峰焊的布局要求元件距離BGA與相鄰元件的距離5mm；其他貼片元件相互間的距離；貼裝元件焊盤外側(cè)與相鄰插裝元件的外側(cè)距離2mm。圖10圖11焊盤設(shè)計(jì)焊盤設(shè)計(jì)必須參照元器件技術(shù)資料上提供的元器件尺寸參數(shù)或參考焊盤來設(shè)計(jì)，一般遵循如下規(guī)則：片式分立元件（電阻、電容、電感、單片二極管等）的焊盤形狀需與元件焊接面的形狀一致，焊盤內(nèi)距要小于元件端電極的

19、內(nèi)距，焊盤外距要大于元件端電極的外距約0.52mm，焊盤寬度等于或略大于元件端電極的寬度。片式小外形封裝晶體管的焊盤間的中心矩必須與器件引線間的中心矩相等，焊盤內(nèi)距要小于引腳內(nèi)距，焊盤外距要大于引腳外距，焊盤形狀亦需與焊接面一致。IC類元件焊盤中心矩必須與器件引線的中心矩相等，焊盤寬度等于或略大于引腳寬度，焊盤內(nèi)距小于引腳內(nèi)距，焊盤外距要大于引腳外距。 對于手工插件元器件，焊盤通孔一般大于元件引腳（特殊情況可以達(dá)到） 。 引腳外徑/mm0.50.60.70.80.81.01.01.21.21.41.41.6孔徑/mm0.80.90.91.01.01.21.21.41.41.61.71.9焊盤外

20、徑/mm22.522.533.53.5444.5表一元件引腳外徑與焊盤孔徑關(guān)系表 大面積導(dǎo)體中連接腿的處理大面積導(dǎo)體中連接腿的處理此問題在我部生產(chǎn)過程中造成的焊接不良現(xiàn)象比較常見，故單獨(dú)拿出來講。 在大面積的接地（電）中，常用元器件的腿與其連接，對連接腿的處理需要進(jìn)行綜合的考慮，就電氣性能而言，元件腿的焊盤與銅面滿接為好，但對元件的焊接裝配就存在一些不良隱患如：焊接需要大功率加熱器。容易造成虛焊點(diǎn)。所以兼顧電氣性能與工藝需要，做成十字花焊盤，稱之為熱隔離（heat shield）俗稱熱焊盤（Thermal），這樣，可使在焊接時因截面過分散熱而產(chǎn)生虛焊點(diǎn)的可能性大大減少。多層板的接電（地）層腿的

21、處理相同。例差的設(shè)計(jì)：好的設(shè)計(jì)：線寬和線間距的設(shè)置線寬和線間距的設(shè)置要考慮的因素:單板的密度。板的密度越高，傾向于使用更細(xì)的線寬和更窄的間隙。信號的電流強(qiáng)度。當(dāng)信號的平均電流較大時，應(yīng)考慮布線寬度所能承載的電流。線寬可參考以下數(shù)據(jù)：PCB設(shè)計(jì)時銅箔厚度，走線寬度和電流的關(guān)系，不同厚度，不同寬度的銅箔的載流量見表2。表中的數(shù)據(jù)均為溫度在10下的線路電流承載值。也可以使用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：線寬(W)=電流(I)。電流承載值與線路上的元器件數(shù)量/焊盤以及過孔都有關(guān)系。 銅皮厚度35um銅皮厚度50um銅皮厚度70um銅皮t=10銅皮t=10銅皮t=10 寬度mm 電流A 寬度mm 電流A 寬度mm 電流

22、A 0.15 0.20 0.15 0.50 0.15 0.70 0.20 0.55 0.20 0.70 0.20 0.90 0.30 0.80 0.30 1.10 0.30 1.30 0.40 1.10 0.40 1.35 0.40 1.70 0.50 1.35 0.50 1.70 0.50 2.00 0.60 1.60 0.60 1.90 0.60 2.30 0.80 2.00 0.80 2.40 0.80 2.80 1.00 2.30 1.00 2.60 1.00 3.20 1.20 2.70 1.20 3.00 1.20 3.60 1.50 3.20 1.50 3.50 1.50 4.2

23、0 2.00 4.00 2.00 4.30 2.00 5.10 2.50 4.50 2.50 5.10 2.50 6.00 注1：用銅皮作導(dǎo)線通過大電流時，銅箔寬度的載流量應(yīng)參考表中的數(shù)值降額50%去選擇慮；注2：在PCB設(shè)計(jì)加工中，常用OZ（盎司）作為銅皮厚度的單位，1OZ銅厚的定義為1平方英尺面積內(nèi)銅箔的重量為一盎，對應(yīng)的物理厚度為35um；2OZ銅厚為70um。電路工作電壓：線間距的設(shè)置應(yīng)考慮其介電強(qiáng)度?？煽啃砸??？煽啃砸蟾邥r，傾向于使用較寬的布線和較大的間距。PCB加工技術(shù)限制，見表 。國內(nèi)國際先進(jìn)水平推薦使用最小線寬/間距6mil/6mil4mil/4mil極限最小線寬/間距4mil/6mil2mil/2mil注：推薦使用最小線寬/間距為：8mil/8mil表6拼板設(shè)計(jì)要求拼板的尺寸不可太大，也不可太小，應(yīng)以制造裝配和測試過程便于加工，不產(chǎn)生較大變形為宜。拼板的工藝夾持邊和安裝工藝應(yīng)由PCB板的制造和安裝工藝來確定。每塊拼板上應(yīng)設(shè)計(jì)光學(xué)定位點(diǎn)和定位孔。需要確定盡量不要變動。特殊器件布局（）某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電差位，應(yīng)加大它們之間的距離，以免放電引出意外短路。帶高電壓的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試