SMT貼片加工廠家詳細(xì)介紹有關(guān)PCB線路板的PCB設(shè)計(jì)過程以及應(yīng)注意的問題。在設(shè)計(jì)過程中針對(duì)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(dòng)布線及交互式 布線的優(yōu)點(diǎn)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(jì)經(jīng)驗(yàn)，以基于ARM、自主移動(dòng)的嵌入式系統(tǒng)核心板的 PCB設(shè)計(jì)為例，簡(jiǎn)單介紹有關(guān)四層PCB線路板的PCB設(shè)計(jì)過程以及應(yīng)注意的相關(guān)問題。
印制PCB線路板(PCB)在電子產(chǎn)品中，起到支撐電路元件和器件的作用，同時(shí)還提供電路元件和器件之間的電氣連接。其實(shí)，PCB的設(shè)計(jì)不僅是排列、固定元器件，連通器件的引腳這樣簡(jiǎn)單，它的好壞對(duì)產(chǎn)品的抗干擾能力影響很大．甚至對(duì)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(jì)、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(jì)中最重要的內(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(hào)的角度講，主要有數(shù)字信號(hào)電路 板、模擬信號(hào)PCB線路板以及混合信號(hào)PCB線路板3種。在設(shè)計(jì)混合信號(hào)PCB線路板時(shí)，一定要仔細(xì)考慮，將元器件通過手工方式擺放在PCB線路板的合適位置，以便將數(shù)字和模擬器 件分開，如圖l所示。
在安排PCB的布局過程中，最關(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(jiǎn)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)置元器件的屬性，將LOCK項(xiàng)選中，這樣就可以避免以后的操作誤將其移動(dòng)；而對(duì)于其他元器件的位置安排，必須同時(shí)兼顧布線的布通率和電氣性能的 最優(yōu)化，以及今后的生產(chǎn)工藝和造價(jià)等多方面因素．所謂的“兼顧”往往是對(duì)設(shè)計(jì)工作人員水平和經(jīng)驗(yàn)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(shí)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(shí)手不易觸及的地方。
③對(duì)于質(zhì)量超過15g的大器件，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（用于過溫保護(hù)的器件除外）。
④對(duì)于可調(diào)電位器、電感、可變電容器、微動(dòng)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(gè)電路單元的位置，使布局便于信號(hào)的流通，并且盡量使信號(hào)能夠保持一致的方向。
②以每個(gè)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PCB線路板邊緣的元器件，離PCB線路板邊緣一般不小于2mm；PCB線路板的最佳形狀為矩形，其長(zhǎng)寬比可為3：2或4：3。當(dāng)PCB線路板面尺寸大于200mm× 150mm時(shí)，應(yīng)考慮PCB線路板所承受的機(jī)械強(qiáng)度。若在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，開始時(shí)并不能確定PCB板所需的尺寸，則可以設(shè)計(jì)得稍微大一些。待PCB設(shè)計(jì)工作結(jié)束 后，可在Protel DXP中選擇Design→Board Shape→Redefine Board Shape操作，對(duì)原先的PCB進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉簟?/span>
另外，根據(jù)本人的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，若要對(duì)已有的PCB線路板進(jìn)行某些功能的擴(kuò)充或縮減，需要重新設(shè)計(jì)新的PCB，則在實(shí)際布局時(shí)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(shí)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(gè)過程中，都需要對(duì)布局進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。布線設(shè)計(jì)可以采用雙層走線和單層走線；對(duì)于極其復(fù)雜的設(shè)計(jì)，也可以考慮多層布線方案。
在PCB設(shè)計(jì)中，布線是完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要步驟?？梢赃@樣說，前面各項(xiàng)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(dòng)布線和交互式布線。
在PCB設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員往往希望能夠采用自動(dòng)布線的方式。在通常情況下，對(duì)于純數(shù)字信號(hào)PCB線路板(尤其信號(hào)電平比較低，PCB線路板密度比較小時(shí))采用自動(dòng)布線 是沒有問題的。但是，在設(shè)計(jì)模擬信號(hào)．混合信號(hào)或高速PCB線路板時(shí)，如果也完全采用自動(dòng)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(dòng)布線的工具功能非常強(qiáng)大，通常可以達(dá)到100％的布通率，但是整體外觀效果不是很美觀，有時(shí)連線排列雜亂無章，兩個(gè)引腳之間的連線并不是最短(最優(yōu))路徑。 對(duì)于電路相對(duì)比較復(fù)雜的設(shè)計(jì)，請(qǐng)盡量不要完全采用自動(dòng)布線方式。建議在采用自動(dòng)布線之前，首先采用交互式方式預(yù)先對(duì)那些要求比較嚴(yán)格的線進(jìn)行布線。同時(shí)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(dòng)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(shí)，為了確保正確實(shí)現(xiàn)電路，需要遵循一些通用的設(shè)計(jì)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(hào)線隔 斷，那么為減少對(duì)地電流回路的干擾，應(yīng)使信號(hào)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(jì)與具體電路有著密切的關(guān)系，也是一個(gè)很復(fù)雜的技術(shù)問題。這里結(jié)合在PCB設(shè)計(jì)過程中的經(jīng)驗(yàn)做一些簡(jiǎn)單的介紹。
①電源線的設(shè)計(jì)。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(jì)規(guī)則中，可以單獨(dú)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(hào)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(jì)。地線既是特殊的電源線，又是信號(hào)線。除了要遵循電源線的設(shè)計(jì)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(diǎn)并聯(lián)接地，實(shí)際布線有困難時(shí)可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地；高頻電路宜采用多點(diǎn)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，最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(hào)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(gè)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(shí)例 以下實(shí)例是基于ARM、自主移動(dòng)的嵌入式系統(tǒng)核心板的PCB設(shè)計(jì)。
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(shí)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(chǔ)系統(tǒng)。
4．2 四層PCB線路板布線規(guī)則
①本PCB設(shè)計(jì)使用的軟件工具為Protel DXP。該核心板為四層PCB線路板，頂層和底層為信號(hào)層，中間2層分別為電源層和地層。
②母板的原始PCB尺寸為55mm×70mm，但在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，若也將PCB尺寸設(shè)計(jì)為此值，則在布線過程中會(huì)遇到難以布通的實(shí)際困難，因此先將板尺 寸設(shè)計(jì)得稍微大一些，在布線成功之后，選擇Design→Board Shape→Redefine Roard Shape對(duì)PCB板進(jìn)行裁剪。
③在由原理圖生成PCB圖時(shí)，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(shí)要將晶振放置在 U5的附近。在擺放其他元器件時(shí)也要注意元器件之間的距離，如果兩個(gè)元器件距離太近，則會(huì)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PCB線路板的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該遵循一些高頻電路的設(shè)計(jì)基本原則，否則會(huì)使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定甚至不能正常工作。
⑤對(duì)于目前高密度的PCB設(shè)計(jì)，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(shí)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PCB線路板的設(shè)計(jì)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(shí)也增加了PCB設(shè)計(jì)的成本。因此是否選取此技術(shù)，要根據(jù)實(shí)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(jì)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(shí)在引腳間的連線拐彎處盡最避免使用直角或銳角，因?yàn)樗鼈冊(cè)诟哳l電路中會(huì)影響電氣性能。
⑦PCB設(shè)計(jì)采用交互式布線方式。首先對(duì)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(hào)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(hào)線。對(duì)于這些相同類型的信號(hào)線應(yīng)該成組、平行分布，并注意它們之間的長(zhǎng)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(jiǎn)單，印刷PCB線路板的外觀更加整齊美觀。然后對(duì)其余元器件采用自動(dòng)布線(其問可以嘗試不同的布線策略)，當(dāng)布線成功之后，對(duì)一些不理想 的布線可以進(jìn)行修改、優(yōu)化。
⑧布線設(shè)計(jì)完成后，須認(rèn)真檢查布線設(shè)計(jì)是否符合設(shè)計(jì)者所制定的規(guī)則，同時(shí)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(duì)焊盤補(bǔ)淚滴，使焊盤 不容易起皮，走線與焊盤不易斷開；最后對(duì)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(zhǎng)時(shí)間受熱時(shí)，會(huì)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(shí)，應(yīng)將其開窗口設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀。
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