电路设计

PCB板布局原则

2019-07-14 07:32发布

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  PCB板布局原则 1.元件排列规则 1).在通常条件下,所有的元件均应布置在印制电路的同一面上，只有在顶层元件过密时，才能将一些高度有限并且发热量小的器件，如贴片电阻、贴片电容、贴IC等放在底层。
2).在保证电气性能的前提下，元件应放置在栅格上且相互平行或垂直排列，以求整齐、美观，一般情况下不允许元件重叠；元件排列要紧凑，输入和输出元件尽量远离。
3).某元器件或导线之间可能存在较高的电位差，应加大它们的距离，以免因放电、击穿而引起意外短路。
4).带高电压的元件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。
5).位于板边缘的元件，离板边缘至少有2个板厚的距离
6).元件在整个板面上应分布均匀、疏密一致。 2.按照信号走向布局原则 1).通常按照信号的流程逐个安排各个功能电路单元的位置，以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它进行布局。
2).元件的布局应便于信号流通，使信号尽可能保持一致的方向。多数情况下，信号的流向安排为从左到右或从上到下，与输入、输出端直接相连的元件应当放在靠近输入、输出接插件或连接器的地方。 3.防止电磁干扰 1).对辐射电磁场较强的元件，以及对电磁感应较灵敏的元件，应加大它们相互之间的距离或加以屏蔽，元件放置的方向应与相邻的印制导线交叉。
2).尽量避免高低电压器件相互混杂、强弱信号的器件交错在一起。
3).对于会产生磁场的元件，如变压器、扬声器、电感等，布局时应注意减少磁力线对印制导线的切割，相邻元件磁场方向应相互垂直，减少彼此之间的耦合。
4).对干扰源进行屏蔽，屏蔽罩应有良好的接地。
5).在高频工作的电路，要考虑元件之间的分布参数的影响。 4. 抑制热干扰 1).对于发热元件，应优先安排在利于散热的位置，必要时可以单独设置散热器或小风扇，以降低温度，减少对邻近元件的影响。
2).一些功耗大的集成块、大或***率管、电阻等元件，要布置在容易散热的地方，并与其它元件隔开一定距离。
3).热敏元件应紧贴被测元件并远离高温区域，以免受到其它发热功当量元件影响，引起误动作。
4).双面放置元件时，底层一般不放置发热元件。 5.可调元件的布局 对于电位器、可变电容器、可调电感线圈或微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求，若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应；若是机内调节，则应放置在印制电路板于调节的地方。 PCB工艺的一些小原则   1: 印刷导线宽度选择依据:
印刷导线的最小宽度与流过导线的电流大小有关:
线宽太小,刚印刷导线电阻大,线上的电压降也就大,影响电路的性能,
线宽太宽,则布线密度不高,板面积增加,除了增加成本外,也不利于小型化.
如果电流负荷以20A/平方毫米计算,当覆铜箔厚度为0.5MM时,(一般为这么多,)则1MM(约40MIL)线宽的电流负荷为1A,
因此,线宽取1--2.54MM(40--100MIL)能满足一般的应用要求,大功率设备板上的地线和电源,根据功率大小,可适当增加线宽,而在小功率的数字电路上,为了提高布线密度,最小线宽取0.254--1.27MM(10--15MIL)就能满足.
同一电路板中,电源线.地线比信号线粗.

2:
线间距:当为1.5MM(约为60MIL)时,线间绝缘电阻大于20M欧,线间最大耐压可达300V, 当线间距为1MM(40MIL)时,线间最大耐压为200V,因此,在中低压(线间电压不大于200V)的电路板上,线间距取1.0--1.5MM (40--60MIL)在低压电路,如数字电路系统中,不必考虑击穿电压,只要生产工艺允许,可以很小.

3: 焊盘: 对于1/8W的电阻来说,焊盘引线直径为28MIL就足够了,
而对于1/2W的来说,直径为32MIL,引线孔偏大,焊盘铜环宽度相对减小,导致焊盘的附着力下降.容易脱落, 引线孔太小,元件播装困难.

4: 画电路边框:
边框线与元件引脚焊盘最短距离不能小于2MM,(一般取5MM较合理)否则下料困难.

5:元件布局原则:
A 一般原则:在PCB设计中,如果电路系统同时存在数字电路和模拟电路.以及大电流电路,则必须分开布局,使各系统之间藕合达到最小在同一类型电路中,按信号流向及功能,分块,分区放置元件.

B:输入信号处理单元,输出信号驱动元件应靠近电路板边,使输入输出信号线尽可能短,以减小输入输出的干扰.

C: 元件放置方向: 元件只能沿水平和垂直两个方向排列.否则不得于插件.

D:元件间距.对于中等密度板,小元件,如小功率电阻,电容,二极管,等分立元件彼此的间距与插件,焊接工艺有关, 波峰焊接时,元件间距可以取50-100MIL(1.27--2.54MM)手工可以大些,如取100MIL,集成电路芯片,元件间距一般为100--150MIL

E: 当元件间电位差较大时,元件间距应足够大,防止出现放电现象.

F: 在而已进IC去藕电容要靠近芯片的电源秋地线引脚.不然滤波效果会变差.在数字电路中,为保证数字电路系统可靠工作, 在每一数字集成电路芯片的电源和地之间均放置IC去藕电容.去藕电容一般采用瓷片电容,容量为0.01~0.1UF去藕电容容量的选择一般按系统工作频率F的倒数选择.此外,在电路电源的入口处的电源线和地线之间也需加接一个10UF的电容, 以及一个0.01UF的瓷片电容.

G:时针电路元件尽量靠近单片机芯片的时钟信号引脚,以减小时钟电路的连线长度.且下面最好不要走线.     大家都知道理做PCB板就是把设计好的原理图变成一块实实在在的PCB电路板,请别小看这一过程,有很多原理上行得通的东西在工程中却难以实现,或是别人能实现的东西另一些人却实现不了,因此说做一块PCB板不难,但要做好一块PCB板却不是一件容易的事情。

微电子领域的两大难点在于高频信号和微弱信号的处理,在这方面PCB制作水平就显得尤其重要,同样的原理设计,同样的元器件,不同的人制作出来的PCB就具有不同的结果,那么如何才能做出一块好的PCB板呢?根据我们以往的经验,想就以下几方面谈谈自己的看法:

一:要明确设计目标

接受到一个设计任务,首先要明确其设计目标,是普通的PCB板、高频PCB板、小信号处理PCB板还是既有高频率又有小信号处理的PCB板，如果是普通的PCB板,只要做到布局布线合理整齐,机械尺寸准确无误即可,如有中负载线和长线,就要采用一定的手段进行处理,减轻负载,长线要加强驱动,重点是防止长线反射。当板上有超过40MHz的信号线时，就要对这些信号线进行特殊的考虑，比如线间串扰等问题。如果频率更高一些，对布线的长度就有更严格的限制，根据分布参数的网络理论，高速电路与其连线间的相互作用是决定性因素，在系统设计时不能忽略。随着门传输速度的提高，在信号线上的反对将会相应增加，相邻信号线间的串扰将成正比地增加，通常高速电路的功耗和热耗散也都很大，在做高速PCB时应引起足够的重视。

当板上有毫伏级甚至微伏级的微弱信号时，对这些信号线就需要特别的关照，小信号由于太微弱，非常容易受到其它强信号的干扰，屏蔽措施常常是必要的，否则将大大降低信噪比。以致于有用信号被噪声淹没，不能有效地提取出来。

对板子的调测也要在设计阶段加以考虑，测试点的物理位置，测试点的隔离等因素不可忽略，因为有些小信号和高频信号是不能直接把探头加上去进行测量的。

此外还要考虑其他一些相关因素，如板子层数，采用元器件的封装外形，板子的机械强度等。在做PCB板子前，要做出对该设计的设计目标心中有数。

二。了解所用元器件的功能对布局布线的要求

我们知道，有些特殊元器件在布局布线时有特殊的要求，比如LOTI和APH所用的模拟信号放大器，模拟信号放大器对电源要求要平稳、纹波小。模拟小信号部分要尽量远离功率器件。在OTI板上，小信号放大部分还专门加有屏蔽罩，把杂散的电磁干扰给屏蔽掉。NTOI板上用的GLINK芯片采用的是ECL工艺，功耗大发热厉害，对散热问题必须在布局时就必须进行特殊考虑，若采用自然散热，就要把GLINK芯片放在空气流通比较顺畅的地方，而且散出来的热量还不能对其它芯片构成大的影响。如果板子上装有喇叭或其他大功率的器件，有可能对电源造成严重的污染这一点也应引起足够的重视.

三. 元器件布局的考虑

元器件的布局首先要考虑的一个因素就是电性能，把连线关系密切的元器件尽量放在一起，尤其对一些高速线，布局时就要使它尽可能地短，功率信号和小信号器件要分开。在满足电路性能的前提下，还要考虑元器件摆放整齐、美观，便于测试，板子的机械尺寸，插座的位置等也需认真考虑。

高速系统中的接地和互连线上的传输延迟时间也是在系统设计时首先要考虑的因素。信号线上的传输时间对总的系统速度影响很大，特别是对高速的ECL电路，虽然集成电路块本身速度很高，但由于在底板上用普通的互连线（每30cm线长约有2ns的延迟量）带来延迟时间的增加，可使系统速度大为降低.象移位寄存器，同步计数器这种同步工作部件最好放在同一块插件板上，因为到不同插件板上的时钟信号的传输延迟时间不相等，可能使移位寄存器产主错误，若不能放在一块板上，则在同步是关键的地方，从公共时钟源连到各插件板的时钟线的长度必须相等。

四，对布线的考虑

随着OTNI和星形光纤网的设计完成，以后会有更多的100MHz以上的具有高速信号线的板子需要设计，这里将介绍高速线的一些基本概念。

1．传输线

印制电路板上的任何一条“长”的信号通路都可以视为一种传输线。如果该线的传输延迟时间比信号上升时间短得多，那么信号上升期间所产主的反射都将被淹没。不再呈现过冲、反冲和振铃，对现时大多数的MOS电路来说，由于上升时间对线传输延迟时间之比大得多，所以走线可长以米计而无信号失真。而对于速度较快的逻辑电路，特别是超高速ECL

集成电路来说，由于边沿速度的增快，若无其它措施，走线的长度必须大大缩短，以保持信号的完整性。

有两种方法能使高速电路在相对长的线上工作而无严重的波形失真，TTL对快速下降边沿采用肖特基二极管箝位方法，使过冲量被箝制在比地电位低一个二极管压降的电平上，这就减少了后面的反冲幅度，较慢的上升边缘允许有过冲，但它被在电平“H”状态下电路的相对高的输出阻抗（50～80Ω）所衰减。此外，由于电平“H”状态的抗扰度较大，使反冲问题并不十分突出，对HCT系列的器件，若采用肖特基二极管箝位和串联电阻端接方法相结合，其改善的效果将会更加明显。

当沿信号线有扇出时，在较高的位速率和较快的边沿速率下，上述介绍的TTL整形方法显得有些不足。因为线中存在着反射波，它们在高位速率下将趋于合成，从而引起信号严重失真和抗干扰能力降低。因此，为了解决反射问题，在ECL系统中通常使用另外一种方法：线阻抗匹配法。用这种方法能使反射受到控制，信号的完整性得到保证。

严格他说，对于有较慢边沿速度的常规TTL和CMOS器件来说，传输线并不是十分需要的.对有较快边沿速度的高速ECL器件，传输线也不总是需要的。但是当使用传输线时，它们具有能预测连线时延和通过阻抗匹配来控制反射和振荡的优点。1

决定是否采用传输线的基本因素有以下五个。它们是：（1）系统信号的沿速率，（2）连线距离（3）容性负载(扇出的多少)，（4）电阻性负载（线的端接方式）；（5）允许的反冲和过冲百分比（交流抗扰度的降低程度）。

2．传输线的几种类型

(1) 同轴电缆和双绞线：它们经常用在系统与系统之间的连接。同轴电缆的特性阻抗通常有50Ω和75Ω，双绞线通常为110Ω。

（2）印制板上的微带线

微带线是一根带状导(信号线)．与地平面之间用一种电介质隔离开。如果线的厚度、宽度以及与地平面之间的距离是可控制的，则它的特性阻抗也是可以控制的。微带线的特性阻抗Z0为：


式中：【Er为印制板介质材料的相对介电常数

6为介电质层的厚度

W为线的宽度

t为线的厚度

单位长度微带线的传输延迟时间，仅仅取决于介电常数而与线的宽度或间隔无关。

(3)印制板中的带状线

带状线是一条置于两层导电平面之间的电介质中间的铜带线。如果线的厚度和宽度、介质的介电常数以及两层导电平面间的距离是可控的，那么线的特性阻抗也是可控的，带状线的特性阻抗乙为:


式中：b是两块地线板间的距离

W为线的宽度

t为线的厚度

同样，单位长度带状线的传输延迟时间与线的宽度或间距是无关的；仅取决于所用介质的相对介电常数。

3．端接传输线

在一条线的接收端用一个与线特性阻抗相等的电阻端接，则称该传输线为并联端接线。它主要是为了获得最好的电性能，包括驱动分布负载而采用的。

有时为了节省电源消耗，对端接的电阻上再串接一个104电容形成交流端接电路，它能有效地降低直流损耗。

在驱动器和传输线之间串接一个电阻，而线的终端不再接端接电阻，这种端接方法称之为串联端接。较长线上的过冲和振铃可用串联阻尼或串联端接技术来控制.串联阻尼是利用一个与驱动门输出端串联的小电阻（一般为10～75Ω）来实现的.这种阻尼方法适合与特性阻抗来受控制的线相联用(如底板布线，无地平面的电路板和大多数绕接线等。

串联端接时串联电阻的值与电路（驱动门）输出阻抗之和等于传输线的特性阻抗.串联联端接线存在着只能在终端使用集总负载和传输延迟时间较长的缺点.但是，这可以通过使用多余串联端接传输线的方法加以克服。

4．非端接传输线

如果线延迟时间比信号上升时间短得多，可以在不用串联端接或并联端接的情况下使用传输线，如果一根非端接线的双程延迟（信号在传输线上往返一次的时间）比脉冲信号的上升时间短，那么由于非端接所引起的反冲大约是逻辑摆幅的15％。最大开路线长度近似为：

Lmax＜tr/2tpd

式中：tr为上升时间

tpd为单位线长的传输延迟时间

5．几种端接方式的比较

并联端接线和串联端接线都各有优点，究竟用哪一种，还是两种都用，这要看设计者的爱好和系统的要求而定。并联端接线的主要优点是系统速度快和信号在线上传输完整无失真。长线上的负载既不会影响驱动长线的驱动门的传输延迟时间，又不会影响它的信号边沿速度，但将使信号沿该长线的传输延迟时间增大。在驱动大扇出时，负载可经分支短线沿线分布，而不象串联端接中那样必须把负载集总在线的终端。

串联端接方法使电路有驱动几条平行负载线的能力，串联端接线由于容性负载所引起的延迟时间增量约比相应并联端接线的大一倍，而短线则因容性负载使边沿速度放慢和驱动门延迟时间增大，但是，串联端接线的串扰比并联端接线的要小，其主要原因是沿串联端接线传送的信号幅度仅仅是二分之一的逻辑摆幅，因而开关电流也只有并联端接的开关电流的一半，信号能量小串扰也就小。

二PCB板的布线技术

做PCB时是选用双面板还是多层板，要看最高工作频率和电路系统的复杂程度以及对组装密度的要求来决定。在时钟频率超过200MHZ时最好选用多层板。如果工作频率超过350MHz，最好选用以聚四氟乙烯作为介质层的印制电路板，因为它的高频衰耗要小些，寄生电容要小些，传输速度要快些，还由于Z0较大而省功耗，对印制电路板的走线有如下原则要求

（1）所有平行信号线之间要尽量留有较大的间隔，以减少串扰。如果有两条相距较近的信号线，最好在两线之间走一条接地线，这样可以起到屏蔽作用。

(2) 设计信号传输线时要避免急拐弯，以防传输线特性阻抗的突变而产生反射，要尽量设计成具有一定尺寸的均匀的圆弧线。

印制线的宽度可根据上述微带线和带状线的特性阻抗计算公式计算，印制电路板上的微带线的特性阻抗一般在50～120Ω之间。要想得到大的特性阻抗，线宽必须做得很窄。但很细的线条又不容易制作。综合各种因素考虑，一般选择68Ω左右的阻抗值比较合适，因为选择68Ω的特性阻抗，可以在延迟时间和功耗之间达到最佳平衡。一条50Ω的传输线将消耗更多的功率；较大的阻抗固然可以使消耗功率减少，但会使传输延迟时间憎大。由于负线电容会造成传输延迟时间的增大和特性阻抗的降低。但特性阻抗很低的线段单位长度的本征电容比较大，所以传输延迟时间及特性阻抗受负载电容的影响较小。具有适当端接的传输线的一个重要特征是，分枝短线对线延迟时间应没有什么影响。当Z0为50Ω时。分枝短线的长度必须限制在2．5cm以内．以免出现很大的振铃。

（4）对于双面板（或六层板中走四层线）．电路板两面的线要互相垂直，以防止互相感应产主串扰。

（5）印制板上若装有大电流器件，如继电器、指示灯、喇叭等，它们的地线最好要分开单独走，以减少地线上的噪声，这些大电流器件的地线应连到插件板和背板上的一个独立的地总线上去，而且这些独立的地线还应该与整个系统的接地点相连接。

（6）如果板上有小信号放大器，则放大前的弱信号线要远离强信号线，而且走线要尽可能地短，如有可能还要用地线对其进行屏蔽。 关于PCB元器件布局检查规则   PCB布板过程中，对系统布局完毕以后，要对PCB图进行审查，看系统的布局是否合理，是否能够达到最优的效果。通常可以从以下若干方面进行考察：
      1. 系统布局是否保证布线的合理或者最优，是否能保证布线的可靠进行，是否能保证电路工作的可靠性。在布局的时候需要对信号的走向以及电源和地线网络有整体的了解和规划。
      2. 印制板尺寸是否与加工图纸尺寸相符，能否符合PCB制造工艺要求、有无行为标记。这一点需要特别注意，不少PCB板的电路布局和布线都设计得很漂亮、合理，但是疏忽了定位接插件的精确定位，导致设计的电路无法和其他电路对接。
      3. 元件在二维、三维空间上有无冲突。注意器件的实际尺寸，特别是器件的高度。在焊接免布局的元器件，高度一般不能超过3mm。
      4. 元件布局是否疏密有序、排列整齐，是否全部布完。在元器件布局的时候，不仅要考虑信号的走向和信号的类型、需要注意或者保护的地方，同时也要考虑器件布局的整体密度，做到疏密均匀。
      5. 需经常更换的元件能否方便地更换，插件板插入设备是否方便。应保证经常更换的元器件的更换和接插的方便和可靠。
      6. 调整可调元件是否方便。
      7. 热敏元件与发热元件之间是否有适当的距离。
      8. 在需要散热的地方是否装有散热器或者风扇，空气流是否通畅。应注意元器件和电路板的散热。
      9. 信号走向是否顺畅且互连最短。
      10. 插头、插座等与机械设计是否矛盾。
      11.线路的干扰问题是否有所考虑。
      12. 电路板的机械强度和性能是否有所考虑。
      13. 电路板布局的艺术性及其美观性。     印制电路板工艺设计规范   一、目的：
     规范印制电路板工艺设计，满足印制电路板可制造性设计的要求，为硬件设计人员提供印制电路板工艺设计准则，为工艺人员审核印制电路板可制造性提供工艺审核准则。
二、范围：
　　　本规范规定了设计人员设计印制电路板时应该遵循的工艺设计要求，适用于公司设计的所有印制电路板。
三、特殊定义：
　　印制电路板（PCB, printed circuit board）：
　　在绝缘基材上，按预定设计形成印制元件或印制线路或两者结合的导电图形的印制板。
　　元件面（Component Side）：
　　安装有主要器件（IC等主要器件）和大多数元器件的印制电路板一面，其特征表现为器件复杂，对印制电路板组装工艺流程有较大影响。通常以顶面（Top）定义。

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