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四層電路板的 PCB 設(shè)計

發(fā)布時間:2015-11-12 08:25:48 分類:企業(yè)新聞

 關(guān)鍵詞 四層 PCB,抗干擾,嵌入式系統(tǒng)

摘 要
摘 要 詳細(xì)介紹有關(guān)電路板的 PCB 設(shè)計過程以及應(yīng)注意的問題。在設(shè)計過程中針對普通元
器件及一些特殊元器件采用不同的布局原則; 比較手工布線、 自動布線及交互式布線的優(yōu)點
及不足之處; 介紹 PCB 電路以及為了減小電路之間的干擾所采取的相關(guān)措施。 結(jié)合親身設(shè)計
經(jīng)驗,以基于 ARM、自主移動的嵌入式系統(tǒng)核心板的 PCB 設(shè)計為例,簡單介紹有關(guān)四層電路
板的 PCB 設(shè)計過程以及應(yīng)注意的相關(guān)問題。
印制電路板(PCB)在電子產(chǎn)品中,起到支撐電路元件和器件的作用,同時還提供電路元
件和器件之間的電氣連接。其實,PCB 的設(shè)計不僅是排列、固定元器件,連通器件的引腳這
樣簡單,它的好壞對產(chǎn)品的抗干擾能力影響很大.甚至對今后產(chǎn)品的性能起著決定性作用。
隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,元器件和產(chǎn)品的外形尺寸變得越來越小,工作頻率越來越高,使
得 PCB 上元器件的密度大幅提高, 這也就增加了 PCB 設(shè)計、 加工的難度。 因此, 可以這樣說,
PCB 設(shè)汁始終是電子產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計中重要的內(nèi)容之一。
1 布局
所謂布局就是把電路圖中所有元器件都合理地安排在面積有限的 PCB 上。 從信號的角度
講,主要有數(shù)字信號電路板、模擬信號電路板以及混合信號電路板 3 種。在設(shè)計混合信號電
路板時,一定要仔細(xì)考慮,將元器件通過手工方式擺放在電路板的合適位置,以便將數(shù)字和
模擬器件分開,如圖 l 所示。
在安排 PCB 的布局過程巾, 關(guān)鍵的問題是: 開關(guān)、 按鈕、 旋鈕等操作件以及結(jié)構(gòu)件(簡
稱“特殊元件”)等,必須事先安排到指定(合適)的位置上。放置好之后,可以設(shè)置元器什
的屬性,將 LOCK 項選中,這樣就可以避免以后的操作誤將其移動;而對于其他元器件的位
置安排, 必須同時兼顧布線的布通率和電氣性能的優(yōu)化, 以及今后的生產(chǎn)工藝和造價等多
方面因素.所謂的“兼顧”往往是對設(shè)計工作人員水平和經(jīng)驗的挑戰(zhàn)。
1.1 特殊元件的布局原則
①應(yīng)當(dāng)盡可能地縮短元器件之間的連線, 設(shè)法減小它們的分布參數(shù)和相互之間的電磁干
擾。那些易受電磁干擾的元器件不能挨得太近,輸入和輸出元件應(yīng)盡量彼此遠(yuǎn)離。
②某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差, 因此應(yīng)加大它們之間的距離, 以避免放
電而引起意外的短路; 同時從安全的角度考慮, 帶高壓的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時手不易
觸及的地方。
③對于質(zhì)量超過 15g 的兀器件, 應(yīng)當(dāng)使用支架加以固定后, 再進(jìn)行焊接。 那些又大又重、
發(fā)熱量大的元器件,不宜裝在印制板上,而應(yīng)裝在整機(jī)的機(jī)箱底板上;且要考慮散熱問題,
熱敏元器件應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。
④對于電位器、可凋電感線、可變電容器、微動開關(guān)等可調(diào)元件的布局,應(yīng)考慮整機(jī)的
結(jié)構(gòu)要求。若是機(jī)內(nèi)調(diào)節(jié),則應(yīng)放在印制板上方便調(diào)節(jié)的地方;若是機(jī)外調(diào)節(jié),則其位置要
與調(diào)節(jié)旋鈕在機(jī)箱面板上的位置相適應(yīng)。
1.2 普通元器件的布局
①按照電路的流程安排各個電路單元的位置, 使布局便于信號的流通, 并且盡量使信號
能夠保持一致的方向。
②以每個功能電路的核心元件為中心,圍繞它來進(jìn)行布局。元器件應(yīng)當(dāng)均勻、整齊、緊
湊地排列在 PCB 上.盡量減少和縮短各器件之間的引線和連接。
③在高頻下工作的電路,要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般情況下,電路應(yīng)盡可能使
元器件平行排列,不僅可以達(dá)到美觀的效果,而且易于裝焊和批量生產(chǎn)。
④位于電路板邊緣的元器件, 離電路板邊緣一般不小于 2mm; 電路板的佳形狀為矩形,
其長寬比可為 3:2 或 4:3。當(dāng)電路板面尺寸大于 200mm×150mm 時,應(yīng)考慮電路板所承受
機(jī)械強(qiáng)度。若在實際設(shè)計過程中,開始時并不能確定 PCB 板所需的尺寸,則可以設(shè)計得稍
微大一些。 待 PCB 設(shè)計工作結(jié)束后, 可在 Protel DXP 中選擇 Design→Board Shape→Redefine
Board Shape 操作,對原先的 PCB 進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉簟?/div>
另外,根據(jù)本人的實際工作經(jīng)驗,若要對已有的電路板進(jìn)行某些功能的擴(kuò)充或縮減,需
要重新設(shè)計新的 PCB,則在實際布局時可以參照母板上的布局,通過手工方式將元器件安排
在恰當(dāng)?shù)奈恢蒙?;在布線過程中,再根據(jù)實際需要進(jìn)行調(diào)整,以進(jìn)一步提高布通率。
2 布線
布線是在布局之后,通過設(shè)汁銅箔的走線圖,按照原理圖連通所有的走線。顯然,布局
的合理程度將直接影響到布線的成功率, 因而往往在布線的整個過程中, 都需要對布局進(jìn)行
適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。布線設(shè)計可以采用雙層走線和單層走線;對于極其復(fù)雜的設(shè)計,也可以考慮多
層布線方案。
在 PCB 設(shè)計中,布線足完成產(chǎn)品設(shè)計的重要步驟??梢赃@樣說,前面各項準(zhǔn)備工作都是
為它而做的。PCB 布線有單面布線、雙面布線和多層布線。布線的方式有兩種:自動布線和
交互式布線。
在 PCB 設(shè)計中,設(shè)計人員往往希望能夠采用自動布線的方式。在通常情況下,對于純數(shù)
字信號電路板(尤其信號電平比較低, 電路板密度比較小時)采用自動布線是沒有問題的。 但
是,在設(shè)計模擬信號.混合信號或高速電路板時,如果也完全采用自動布線,可就要出問題
了,甚至可能帶來嚴(yán)重的電路性能問題。
目前,雖然已經(jīng)有一些自動布線的工具功能非常強(qiáng)大,通??梢赃_(dá)到 100%的布通率,
但是整體外觀效果不是很美觀, 有時連線排列雜亂無章, 兩個引腳之間的連線并不是短(
優(yōu))路徑。
對于電路相對比較復(fù)雜的設(shè)計, 請盡量不要完全采用自動布線方式。 建議在采用自動布
線之前, 首先采用交互式方式預(yù)先對那些要求比較嚴(yán)格的線進(jìn)行布線。 同時輸入端和輸出端
的邊線應(yīng)避免相鄰平行,以免產(chǎn)生反射干擾;兩相鄰層的布線要相互垂直,平行容易產(chǎn)生寄
生耦合,這一約束條件可以在布線規(guī)則中添加。
自動布線的布通率,依賴于良好的布局。布線規(guī)則要預(yù)先設(shè)定,包括走線的彎曲次數(shù)、
導(dǎo)通孔的數(shù)目和步進(jìn)的數(shù)目等。一般先進(jìn)行探索式市線,快速地把短線先連通;然后再進(jìn)行
迷宮式布線,先把要布的線進(jìn)行全局的布線路徑優(yōu)化,它可以根據(jù)需要斷開已布的線,并重
新布線,以改進(jìn)總體效果。
在手工布線時,為了確保正確實現(xiàn)電路,需要遵循一些通用的設(shè)計規(guī)則:盡量采用地平
面作為電流回路;將模擬地平面與數(shù)字地平面分開;如果地平面被信號線隔斷,那么為減少
對地電流回路的干擾,應(yīng)使信號走線與地平面垂直;模擬電路盡量靠近電路扳邊緣放置,數(shù)
字電路盡量靠近電源連接端放置,這樣做町以減小由數(shù)字開關(guān)引起的 di/dt 出效應(yīng)。
3 PCB 電路及電路抗干擾措施
抗干擾設(shè)計與具體電路有著密切的關(guān)系,也是一個很復(fù)雜的技術(shù)問題。這里結(jié)合在 PCB
設(shè)計過程中的經(jīng)驗做一些簡單的介紹。
①電源線的設(shè)計。根據(jù) PCB 電流的大小,盡量加粗電源線的寬度(在布線設(shè)計規(guī)則中,
可以單獨為電源線和地線的線寬做新的約束規(guī)則),減少環(huán)路電阻,尤其要注意使電源線、
地線的供電方向與數(shù)據(jù)、信號的傳遞方向相反,有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。
②地線的設(shè)計。 地線既是特殊的電源線, 又是信號線。 除了要遵循電源線的設(shè)計原則外,
還應(yīng)做到:數(shù)字地與模擬地分開;若線路板上既有邏輯電路又有線性電路,則應(yīng)使它們盡量
分開; 低頻電路的地應(yīng)盡量采用單點并聯(lián)接地, 實際布線有困難時可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地;
高頻電路宜采用多點串聯(lián)接地, 地線應(yīng)短而粗, 高頻元件周圍盡量用柵格狀進(jìn)行大面積地敷
銅;盡量加寬電源和地線寬度,好是地線要比電源線寬一些,它們的寬度關(guān)系是,地線>
電源線>信號線。
③數(shù)字電路系統(tǒng)的接地構(gòu)成閉環(huán)路,即構(gòu)成一個地網(wǎng),能提高抗噪聲能力。
④數(shù)字電流不應(yīng)流經(jīng)模擬器件,高速電流不應(yīng)流經(jīng)低速器件。
⑤在電源地線之間加上去耦電容,以提高電源回路的抗干擾能力。
4 具體實例
以下實例是基于 ARM、自主移動的嵌入式系統(tǒng)核心板的 PCB 設(shè)計。
4.1 核心板原理圖
在核心板原理圖中,核心元件為 S3C44BOX。該元件是一款高性能的 16/32 位 RISC 微
處理器,66MHz 的主頻,內(nèi)部集成了 LCD 控制器,適用于手持設(shè)備,采用 160-QFP 封裝。在
該系統(tǒng)中, 電源電路需要使用 5V 和 3. 3V 的直流穩(wěn)壓電源, 其中 S3C44BOX 使用 2. 5V 電源,
外圍器件需 3.3V 電源,其他部分器件需 5V 電源;晶振電路用于向 CPU 以及其他電路提供
工作時鐘,S3C44BOX 使用常用的無源晶振;U6、U7 和 U9 構(gòu)成此系統(tǒng)的存儲系統(tǒng)。
4.2 四層電路板布線規(guī)則
①本 PCB 設(shè)計使用的軟件工具為 Protel DXP。該核心板為四層電路板,頂層和底層為
信號層,中間哺層分別為電源層和地層。頂層和底層的 PCB 圖如圖 2 和圖 3 所示。
②母板的原始 PCB 尺寸為 55mm×70mm,但在實際設(shè)計過程中,若也將 PCB 尺寸設(shè)計
此值,則在布線過程中會遇到難以布通的實際困難,因此先將板尺寸設(shè)計得稍微大一些,在
布線成功之后,選擇 Design→Board Shape→Redefine Roard Shape 對 PCB 板進(jìn)行裁剪。
③在由原理圖生成 PCB 圖時,通過手工的方式,將一些要求比較嚴(yán)格的元器件(U5、U6、
U7 和 U9)放置在適當(dāng)?shù)奈恢?,并將其鎖定;同時要將晶振放置在 U5 的附近。在擺放其他元
器件時也要注意元器件之間的距離,如果兩個元器件距離太近,則會產(chǎn)生干擾,并呈綠色顯
示。
④在系統(tǒng)中,S3C44BOX 的片內(nèi)工作頻率為 66MHz。因此,在印刷電路板設(shè)計過程中,
應(yīng)該遵循一些高頻電路的設(shè)計基本原則,否則會使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定甚至不能正常工作。
⑤對于目前高密度的 PCB 設(shè)計, 已經(jīng)感覺到貫通孔不太適應(yīng)了, 浪費(fèi)了許多寶貴的布線
通道。為解決這一矛盾,出現(xiàn)了盲孔和埋孔技術(shù),它不僅實現(xiàn)了導(dǎo)通孔的作用,而且還省出
許多布線通道,使布線過程完成得更加方便、流暢,更加完善。在大多數(shù)教程中,也提倡在
多層電路板設(shè)計中采用盲孔和埋孔技術(shù)。 這樣做雖然可以使布線工作變得容易, 但是同時
也增加了 PCB 設(shè)計的成本。 因此是否選取此技術(shù), 要根據(jù)實際的電路復(fù)雜程度及經(jīng)濟(jì)能力來
決定。筆者在設(shè)計四層板的過程中并沒有采用此技術(shù),如果覺得貫通孔數(shù)目太多,則可以在
布線前在布線規(guī)則中限制打孔的上限值。
⑥在布線前, 預(yù)先在布線規(guī)則中設(shè)置頂層采用水平布線, 而底層則采用垂直布線的方式。
這樣做可以使頂層和底層布線相互垂直, 從而避免產(chǎn)生寄生耦合; 同時在引腳間的連線拐彎
處盡避免使用直角或銳角,因為它們在高頻電路中會影響電氣性能。
⑦PCB 設(shè)計采用交互式布線方式。首先對元器件 J1、J2 與 U5 之間的引腳連線手工進(jìn)行
預(yù)布線,在微處理器的輸入/輸出信號中,有相當(dāng)一部分是相同類型的,如數(shù)據(jù)線、地址線
和信號線。對于這些相同類型的信號線應(yīng)該成組、平行分布,并注意它們之間的長短差異不
要太大,這樣既可以減小干擾,增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,又可以使布線變得簡單,印刷電路板
外觀更加整齊美觀。 然后對其余元器件采用自動布線(其問可以嘗試不同的布線策略), 當(dāng)布
線成功之后,對一些不理想的布線可以進(jìn)行修改、優(yōu)化。
⑧布線設(shè)計完成后, 須認(rèn)真檢查布線設(shè)計是否符合設(shè)計者所制定的規(guī)則, 同時電需要確
認(rèn)所制定的規(guī)則是否符合印制板生產(chǎn)工藝的需求;然后對焊盤補(bǔ)淚滴,使焊盤不容易起皮,
走線與焊盤不易斷開;后對印制線路板上進(jìn)行大面積敷銅,這樣有利于散熱和屏蔽,減小
干擾。 由于印制線路板板材的基板與銅箔間的粘合劑在浸焊或長時間受熱時, 會產(chǎn)生揮發(fā)性
氣體無法排除,熱量不易散發(fā),以致產(chǎn)生銅箔膨脹、脫落現(xiàn)象,因此在大面積敷制時,應(yīng)將
其開窗口設(shè)計成網(wǎng)狀。
結(jié)語
本文中主要介紹丁有關(guān)電路板的 PcB 沒汁過程以及注意事項, 并將親身設(shè)計經(jīng)驗和大家
共同分享, 但由于本人能力有限, 尚存在許多不足之處, 望能夠得到專業(yè)人士的指正和賜教。
總之,PCB 板的沒計過程是一個既復(fù)雜而又簡單的過程,還需廣大電子工程設(shè)計人員自己去
體會,才能得到其中的真諦。
來源:四層電路板的 PCB 設(shè)計

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