PCB布局原则
整体布局主要有如下的一些要求:
流向原则
按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置,使布局便于信号流通,并使信号尽可能保持一致的方向,输入在左边,输出在右边;或者以每个功能电路的核心元件为中心,围绕它来进行布局。
最近相邻原则
布局的最重要的原则之一是保证布线的布通率,移动
器件时要注意网线的连接,把有网线关系的
器件放在一起,而且能大致达成互连最短,要注意如果两个
器件有多个网线的连接时要通过旋转来使网线的交叉最少。
均布原则
放置
器件时要考虑以后的焊接,不要太密集,元件分布要尽可能均匀,例如大的
器件再流焊时热容量比较大,过于集中容易使局部温度低而造成虚焊。
抗干扰原则
这涉及的知识点就比较丰富了,如
数字器件和
模拟器件要分开,尽量远离;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;去耦电容尽量靠近
器件的VCC,贴片
器件的退耦电容最好在布在板子另一面的
器件肚子位置等,这一原则涉及到的很多方面都是依靠经验来进行的,读者可以参阅后面关于可靠性设计一章。
热效应原则
1:发热元
器件应尽可能远离其它元
器件,一般放置在边角,机箱内通风位置,发热
器件一般都要用散热片,所以要考虑留出合适的空间安装散热片,此外发热
器件的发热部位与印制电路板的距离一般不小于2mm。
2:对温度敏感的元
器件要远离发热元
器件。
易维修原则
大型
器件的四周要留出一定的维修空间(留出SMD返修设备加热头能够进行操作的尺寸),需要经常更换的元件应置于便于更换的位置,如保险管等。
易调节原则
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。。
抵抗受力原则
固定孔一般放在接线端子、插拔
器件、长串端子等经常受力作用的
器件中央,并留出相应的空间;重量超过15g的元
器件、应当用支架加以固定,然后焊接。
易组装原则
按照这个原则,衍生出来的要求就有很多,例如:
1、在大面积
PCB设计中(大约超过500cm2以上),为防止过锡炉时
PCB板弯曲,应在
PCB板中间留一条5至10MM宽的空隙不放元
器件(可走线),以用来在过锡炉时加上防止
PCB板弯曲的压条;
2、上锡位不能有丝印油,否则容易造成虚焊或焊不上;
3、布局时,DIP封装的IC摆放的方向必须与过锡炉的方向成垂直,不可平行,如果布局上有困难,可允许水平放置IC(SMD封装的IC摆放方向与DIP相反);
4、片式元件长轴应垂直于再流焊炉传送带的方向,即垂直于
PCB板的长边(因为一般
PCB板的长边平行于再流焊炉传送带的方向;
5、对于使用波峰焊工艺的元件组装,为了避免阴影效果,同尺寸元件的端头在平行于焊波方向排成一条直线,不同尺寸的大小元件应交错放置;小尺寸的元件排在大尺寸元件前(无互相遮挡原则);
6、元
器件的特征方向一般要求一致,例如电解电容的极性,二极管的正极,三极管的单引脚端,
集成电路的第一个引脚等;
7、波峰焊接面上元
器件封装必须能承受260度以上温度并是全密封型的;
8、采用A面再流焊,B面波焊混装时,应把大的贴装和插装元
器件布放在A面(再流焊),适合于波峰焊的矩形、圆柱形片式元件、SOT和较小的SOP(引脚数小于28,引脚间距1MM以上)布放在B面(波峰焊接面)。波峰焊接面上不能安放四边有引脚的
器件,如,QEP、PLCC等;
8、留出印制扳定位孔及固定支架所占用的位置;
9、外接的设备是否利于介入,如插件板插入设备是否方便等。
安全原则
例如带高电压的元
器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方,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造成火灾。
其它原则
其它原则一般都是根据实际的需求和经验进行的,例如位于电路板边缘的元
器件,离电路板边缘一般不小于2mm;跳线不要放在IC下面或马达、电位器以及其它大体积金属外壳的元件下;螺丝孔半径5.0MM内不能有铜箔(除要求接地外)及元件;贵重的元
器件不要放在
PCB的角、边缘,或靠近接插件、安装孔、槽、拼板的切割、豁口和拐角等处,以上这些位置是印制板的高应力区,容易造成焊点和元
器件的开裂或裂纹等。
最后还要考虑整体的美观性等,一个成熟的
产品不但要注重内在质量,还要同时兼顾整体的美观。
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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、大或中功率管、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。
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在设计中,布局是一个重要的环节。布局结果的好坏将直接影响布线的效果,因此可以这样认为,合理的布局是PCB设计成功的第一步。
布局方式分两种,一种是交互式布局,另一种是自动布局,一般是在自动布局的基础上用交互式布局进行调整,在布局时还可根据走线的情况对门电路进行再分配,将两个门电路进行交换,使其成为便于布线的最佳布局。在布局完成后,还可对设计文件及有关信息进行返回标注于原理图,使得PCB板中的有关信息与原理图相一致,以便在今后的建档、更改设计能同步起来, 同时对模拟的有关信息进行更新,使得能对电路的电气性能及功能进行板级验证。
考虑整体美观
一个产品的成功与否,一是要注重内在质量,二是兼顾整体的美观,两者都较完美才能认为该产品是成功的。
在一个PCB板上,元件的布局要求要均衡,疏密有序,不能头重脚轻或一头沉。
布局的检查
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?有无定位标记?
元件在二维、三维空间上有无冲突?
元件布局是否疏密有序,排列整齐?是否全部布完?
需经常更换的元件能否方便的更换?插件板插入设备是否方便?
热敏元件与发热元件之间是否有适当的距离?
调整可调元件是否方便?
在需要散热的地方,装了散热器没有?空气流是否通畅?
信号流程是否顺畅且互连最短?
插头、插座等与机械设计是否矛盾?
PCB布线经验(一)
这是个牵涉面大的问题。抛开其它因素,仅就PCB设计环节来说,我有以下几点体会,供大家参考:
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。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。上下层之间走线的方向基本垂直。整个板子的不想要均匀,能不挤的不要挤在一齐。
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。
在贴片器件的退耦电容最好在布在板子另一面的器件肚子位置,电源和地要先过电容,再进芯片。
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。以上诸多因素都会对电路板的质量和将来产品的可靠性大打折扣。
PCB布线经验(二)
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、地线的布线要认真对待,把电、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:
众所周知的是在电源、地线之间加上去耦电容。
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:0.2~0.3mm,最经细宽度可达0.05~0.07mm,电源线为1.2~2.5 mm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)
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:
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。
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。
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。
在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。
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。