PCB布局布线经验汇编.docx
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PCB布局布线经验汇编
PCB布局
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。
布局的方式分两种,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1.2~2.5mm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,整个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(heatshield)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、定位孔所占用的等。
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(2.54mm)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。
PCB布线设计
(一)
在当今激烈竞争的电池供电市场中,由于成本指标限制,设计人员常常使用双面板。
尽管多层板(4层、6层及8层)方案在尺寸、噪声和性能方面具有明显优势,成本压力却促使工程师们重新考虑其布线策略,采用双面板。
在本文中,我们将讨论自动布线功能的正确使用和错误使用,有无地平面时电流回路的设计策略,以及对双面板元件布局的建议。
自动布线的优缺点以及模拟电路布线的注意事项
设计PCB时,往往很想使用自动布线。
通常,纯数字的电路板(尤其信号电平比较低,电路密度比较小时)采用自动布线是没有问题的。
但是,在设计模拟、混合信号或高速电路板时,如果采用布线软件的自动布线工具,可能会出现一些问题,甚至很可能带来严重的电路性能问题。
例如,图1中显示了一个采用自动布线设计的双面板的顶层。
此双面板的底层如图2所示,这些布线层的电路原理图如图3a和图3b所示。
设计此混合信号电路板时,经仔细考虑,将器件手工放在板上,以便将数字和模拟器件分开放置。
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图1采用自动布线为图3所示电路原理图设计的电路板的顶层中国电子顶级开发网----最专业的电子论坛、最专业的电子工程师博客'_9Q)P___GL6~
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图2采用自动布线为图3所示电路原理图设计的电路板的底层2I"k_C%L_J0中国电子顶级开发网----最专业的电子论坛、最专业的电子工程师博客_E_N{7D,s_e_Kj4^
采用这种布线方案时,有几个方面需要注意,但最麻烦的是接地。
如果在顶层布地线,则顶层的器件都通过走线接地。
器件还在底层接地,顶层和底层的地线通过电路板最右侧的过孔连接。
当检查这种布线策略时,首先发现的弊端是存在多个地环路。
另外,还会发现底层的地线返回路径被水平信号线隔断了。
这种接地方案的可取之处是,模拟器件(12位A/D转换器MCP3202和2.5V参考电压源MCP4125)放在电路板的最右侧,这种布局确保了这些模拟芯片下面不会有数字地信号经过。
图3a和图3b所示电路的手工布线如图4、图5所示。
在手工布线时,为确保正确实现电路,需要遵循一些通用的设计准则:
尽量采用地平面作为电流回路;将模拟地平面和数字地平面分开;如果地平面被信号走线隔断,为降低对地电流回路的干扰,应使信号走线与地平面垂直;模拟电路尽量靠近电路板边缘放置,数字电路尽量靠近电源连接端放置,这样做可以降低由数字开关引起的di/dt效应。
这两种双面板都在底层布有地平面,这种做法是为了方便工程师解决问题,使其可快速明了电路板的布线。
厂商的演示板和评估板通常采用这种布线策略。
但是,更为普遍的做法是将地平面布在电路板顶层,以降低电磁干扰。
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图3a图1、图2、图4和图5中布线的电路原理图)R2}_N'C_p0
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图3b图1、图2、图4和图5中布线的模拟部分电路原理图
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有无地平面时的电流回路设计
对于电流回路,需要注意如下基本事项:
1.如果使用走线,应将其尽量加粗
PCB上的接地连接如要考虑走线时,设计应将走线尽量加粗。
这是一个好的经验法则,但要知道,接地线的最小宽度是从此点到末端的有效宽度,此处“末端”指距离电源连接端最远的点。
2.应避免地环路
3.如果不能采用地平面,应采用星形连接策略(见图6)
通过这种方法,地电流独立返回电源连接端。
图6中,注意到并非所有器件都有自己的回路,U1和U2是共用回路的。
如遵循以下第4条和第5条准则,是可以这样做的。
4.数字电流不应流经模拟器件
数字器件开关时,回路中的数字电流相当大,但只是瞬时的,这种现象是由地线的有效感抗和阻抗引起的。
对于地平面或接地走线的感抗部分,计算公式为V=Ldi/dt,其中V是产生的电压,L是地平面或接地走线的感抗,di是数字器件的电流变化,dt是持续时间。
对地线阻抗部分的影响,其计算公式为V=RI,其中,V是产生的电压,R是地平面或接地走线的阻抗,I是由数字器件引起的电流变化。
经过模拟器件的地平面或接地走线上的这些电压变化,将改变信号链中信号和地之间的关系(即信号的对地电压)。
5.高速电流不应流经低速器件
与上述类似,高速电路的地返回信号也会造成地平面的电压发生变化。
此干扰的计算公式和上述相同,对于地平面或接地走线的感抗,V=Ldi/dt;对于地平面或接地走线的阻抗,V=RI。
与数字电流一样,高速电路的地平面或接地走线经过模拟器件时,地线上的电压变化会改变信号链中信号和地之间的关系。
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C0图4采用手工走线为图3所示电路原理图设计的电路板的顶层
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_Rh{R4k-h_x_F0图5采用手工走线为图3所示电路原理图设计的电路板的底层
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图6如果不能采用地平面,可以采用“星形”布线策略来处理电流回路!
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图7分隔开的地平面有时比连续的地平面有效,图b)接地布线策略比图a)的接地策略理想
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o_F'NJ,lQ_l_R4G中国电子顶级开发网----最专业的电子论坛、最专业的电子工程师博客&W_p1i_l0z_Z_L_P_y_a
6.不管使用何种技术,接地回路必须设计为最小阻抗和容抗
7.如使用地平面,分隔开地平面可能改善或降低电路性能,因此要谨慎使用
分开模拟和数字地平面的有效方法如图7所示
图7中,精密模拟电路更靠近接插件,但是与数字网络和电源电路的开关电流隔离开了。
这是分隔开接地回路的非常有效的方法,我们在前面讨论的图4和图5的布线也采用了这种技术。
PCB布线设计
(二)
工程领域中的数字设计人员和数字电路板设计专家在不断增加,这反映了行业的发展趋势。
尽管对数字设计的重视带来了电子产品的重大发展,但仍然存在,而且还会一直存在一部分与模拟或现实环境接口的电路设计。
模拟和数字领域的布线策略有一些类似之处,但要获得更好的结果时,由于其布线策略不同,简单电路布线设计就不再是最优方案了。
本文就旁路电容、电源、地线设计、电压误差和由PCB布线引起的电磁干扰(EMI)等几个方面,讨论模拟和数字布线的基本相似之处及差别。
模拟和数字布线策略的相似之处旁路或去耦电容
在布线时,模拟器件和数字器件都需要这些类型的电容,都需要靠近其电源引脚连接一个电容,此电容值通常为0.1mF。
系统供电电源侧需要另一类电容,通常此电容值大约为10mF。
这些电容的位置如图1所示。
电容取值范围为推荐值的1/10至10倍之间。
但引脚须较短,且要尽量靠近器件(对于0.1mF电容)或供电电源(对于10mF电容)。
在电路板上加旁路或去耦电容,以及这些电容在板上的位置,对于数字和模拟设计来说都属于常识。
但有趣的是,其原因却有所不同。
在模拟布线设计中,旁路电容通常用于旁路电源上的高频信号,如果不加旁路电容,这些高频信号可能通过电源引脚进入敏感的模拟芯片。
一般来说,这些高频信号的频率超出模拟器件抑制高频信号的能力。
如果在模拟电路中不使用旁路电容的话,就可能在信号路径上引入噪声,更严重的情况甚至会引起振动。
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图1在模拟和数字PCB设计中,旁路或去耦电容(1mF)应尽量靠近器件放置。
供电电源去耦电容(10mF)应放置在电路板的电源线入口处。
所有情况下,这些电容的引脚都应较短
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图2在此电路板上,使用不同的路线来布电源线和地线,由于这种不恰当的配合,电路板的电子元器件和线路受电磁干扰的可能性比较大中国电子顶级开发网----最专业的电子论坛、最专业的电子工程师博客n5z_?
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图3在此单面板中,到电路板上器件的电源线和地线彼此靠近。
此电路板中电源线和地线的配合比图2中恰当。
电路板中电子元器件和线路受电磁干扰(EMI)的可能性降低了679/12.8倍或约54倍
中国电子顶级开发网----最专业的电子论坛、最专业的电子工程师博客_T[9_"@"q&G"ObQ,X*m4]_Cl3D;b0中国电子顶级开发网----最专业的电子论坛、最专业的电子工程师博客_r_w_`2v/T%M4T1q_[#\)~对于控制器和处理器这样的数字器件,同样需要去耦电容,但原因不同。
这些电容的一个功能是用作“微型”电荷库。
在数字电路中,执行门状态的切换通常需要很大的电流。
由于开关时芯片上产生开关瞬态电流并流经电路板,有额外的“备用”电荷是有利的。
如果执行开关动作时没有足够的电荷,会造成电源电压发生很大变化。
电压变化太大,会导致数字信号电平进入不确定状态,并很可能引起数字器件中的状态机错误运行。
流经电路板走线的开关电流将引起电压发生变化,电路板走线存在寄生电感,可采用如下公式计算电压的变化:
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_[,r_K_p2Lh_x7R0 其中,V=电压的变化;L=电路板走线感抗;dI=流经走线的电流变化;dt=电流变化的时间。
中国电子顶级开发网----最专业的电子论坛、最专业的电子工程师博客_M_iF_Y,x_H_P5Z因此,基于多种原因,在供电电源处或有源器件的电源引脚处施加旁路(或去耦)电容是较好的做法。
中国电子顶级开发网----最专业的电子论坛、最专业的电子工程师博客0f7q_Z)NVh_O/|_c3l中国电子顶级开发网----最专业的电子论坛、最专业的电子工程师博客N+n:
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电源线和地线要布在一起:
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电源线和地线的位置良好配合,可以降低电磁干扰的可能性。
如果电源线和地线配合不当,会设计出系统环路,并很可能会产生噪声。
电源线和地线配合不当的PCB设计示例如图2所示。
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\)Z0此电路板上,设计出的环路面积为697cm2。
采用图3所示的方法,电路板上或电路板外的辐射噪声在环路中感应电压的可能性可大为降低。
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模拟和数字领域布线策略的不同之处地平面是个难题中国电子顶级开发网----最专业的电子论坛、最专业的电子工程师博客7j'b_w1L)O
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9jb_f_]_O;z0 电路板布线的基本知识既适用于模拟电路,也适用于数字电路。
一个基本的经验准则是使用不间断的地平面,这一常识降低了数字电路中的dI/dt(电流随时间的变化)效应,这一效应会改变地的电势并会使噪声进入模拟电路。
数字和模拟电路的布线技巧基本相同,但有一点除外。
对于模拟电路,还有另外一点需要注意,就是要将数字信号线和地平面中的回路尽量远离模拟电路。
这一点可以通过如下做法来实现:
将模拟地平面单独连接到系统地连接端,或者将模拟电路放置在电路板的最远端,也就是线路的末端。
这样做是为了保持信号路径所受到的外部干扰最小。
对于数字电路就不需要这样做,数字电路可容忍地平面上的大量噪声,而不会出现问题。
中国电子顶级开发网----最专业的电子论坛、最专业的电子工程师博客_u4j_g_z;wf%{
-w_P6b_w/q,l_g_o)MV0图4(左)将数字开关动作和模拟电路隔离,将电路的数字和模拟部分分开。
(右)要尽可能将高频和低频分开,高频元件要靠近电路板的接插件
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图5在PCB上布两条靠近的走线,很容易形成寄生电容。
由于这种电容的存在,在一条走线上的快速电压变化,可在另一条走线上产生电流信号
中国电子顶级开发网----最专业的电子论坛、最专业的电子工程师博客_s&M7}0N_`-Gi
图6如果不注意走线的放置,PCB中的走线可能产生线路感抗和互感。
这种寄生电感对于包含数字开关电路的电路运行是非常有害的
元件的位置
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_E;fL_zD_H0 如上所述,在每个PCB设计中,电路的噪声部分和“安静”部分(非噪声部分)要分隔开。
一般来说,数字电路“富含”噪声,而且对噪声不敏感(因为数字电路有较大的电压噪声容限);相反,模拟电路的电压噪声容限就小得多。
两者之中,模拟电路对开关噪声最为敏感。
在混合信号系统的布线中,这两种电路要分隔开,如图4所示。
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#Tx_w,p5PCB设计产生的寄生元件中国电子顶级开发网----最专业的电子论坛、最专业的电子工程师博客
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