高速PCB設計指南---PCB的可靠性設計

目前電子器材用于各類電子設備和系統(tǒng)仍然以印制電路板為主要裝配方式。實踐證明，即使電路原理圖設計正確，印制電路板設計不當，也會對電子設備的可靠性產(chǎn)生不利影響。例如，如果印制板兩條細平行線靠得很近，則會形成信號波形的延遲，在傳輸線的終端形成反射噪聲。因此，在設計印制電路板的時候，應注意采用正確的方法。

一、 地線設計

在電子設備中，接地是控制干擾的重要方法。如能將接地和屏蔽正確結(jié)合起來使用，可解決大部分干擾問題。電子設備中地線結(jié)構(gòu)大致有系統(tǒng)地、機殼地(屏蔽地)、數(shù)字地(邏輯地)和模擬地等。在地線設計中應注意以下幾點：

1. 正確選擇單點接地與多點接地;

低頻電路中，信號的工作頻率小于1MHz，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對干擾影響較大，因而應采用一點接地。當信號工作頻率大于10MHz時，地線阻抗變得很大，此時應盡量降低地線阻抗，應采用就近多點接地。當工作頻率在1～10MHz時，如果采用一點接地，其地線長度不應超過波長的1/20，否則應采用多點接地法。

2. 將數(shù)字電路與模擬電路分開;

電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路，應使它們盡量分開，而兩者的地線不要相混，分別與電源端地線相連。要盡量加大線性電路的接地面積。

3. 盡量加粗接地線;

若接地線很細，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設備的定時信號電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。因此應將接地線盡量加粗，使它能通過三位于印制電路板的允許電流。如有可能，接地線的寬度應大于3mm。

4. 將接地線構(gòu)成閉環(huán)路;

設計只由數(shù)字電路組成的印制電路板的地線系統(tǒng)時，將接地線做成閉環(huán)路可以明顯的提高抗噪聲能力。其原因在于：印制電路板上有很多集成電路元件，尤其遇有耗電多的元件時，因受接地線粗細的限制，會在地結(jié)上產(chǎn)生較大的電位差，引起抗噪聲能力下降，若將接地結(jié)構(gòu)成環(huán)路，則會縮小電位差值，提高電子設備的抗噪聲能力。

二、電磁兼容性設計

電磁兼容性是指電子設備在各種電磁環(huán)境中仍能夠協(xié)調(diào)、有效地進行工作的能力。電磁兼容性設計的目的是使電子設備既能抑制各種外來的干擾，使電子設備在特定的電磁環(huán)境中能夠正常工作，同時又能減少電子設備本身對其它電子設備的電磁干擾。

1. 選擇合理的導線寬度由于瞬變電流在印制線條上所產(chǎn)生的沖擊干擾主要是由印制導線的電感成分造成的，因此應盡量減小印制導線的電感量。印制導線的電感量與其長度成正比，與其寬度成反比，因而短而精的導線對抑制干擾是有利的。時鐘引線、行驅(qū)動器或總線驅(qū)動器的信號線常常載有大的瞬變電流，印制導線要盡可能地短。對于分立元件電路，印制導線寬度在1.5mm左右時，即可完全滿足要求;對于集成電路，印制導線寬度可在0.2～1.0mm之間選擇。

2. 采用正確的布線策略采用平等走線可以減少導線電感，但導線之間的互感和分布電容增加，如果布局允許，最好采用井字形網(wǎng)狀布線結(jié)構(gòu)，具體做法是印制板的一面橫向布線，另一面縱向布線，然后在交叉孔處用金屬化孔相連。 為了抑制印制板導線之間的串擾，在設計布線時應盡量避免長距離的平等走線，盡可能拉開線與線之間的距離，信號線與地線及電源線盡可能不交叉。在一些對干擾十分敏感的信號線之間設置一根接地的印制線，可以有效地抑制串擾。

為了避免高頻信號通過印制導線時產(chǎn)生的電磁輻射，在印制電路板布線時，還應注意以下幾點：

●盡量減少印制導線的不連續(xù)性，例如導線寬度不要突變，導線的拐角應大于90度禁止環(huán)狀走線等。

●時鐘信號引線最容易產(chǎn)生電磁輻射干擾，走線時應與地線回路相靠近，驅(qū)動器應緊挨著連接器。

●總線驅(qū)動器應緊挨其欲驅(qū)動的總線。對于那些離開印制電路板的引線，驅(qū)動器應緊緊挨著連接器。

●數(shù)據(jù)總線的布線應每兩根信號線之間夾一根信號地線。最好是緊緊挨著最不重要的地址引線放置地回路，因為后者常載有高頻電流。

●在印制板布置高速、中速和低速邏輯電路時，應按照圖1的方式排列器件。

3.抑制反射干擾為了抑制出現(xiàn)在印制線條終端的反射干擾，除了特殊需要之外，應盡可能縮短印制線的長度和采用慢速電路。必要時可加終端匹配，即在傳輸線的末端對地和電源端各加接一個相同阻值的匹配電阻。根據(jù)經(jīng)驗，對一般速度較快的TTL電路，其印制線條長于10cm以上時就應采用終端匹配措施。匹配電阻的阻值應根據(jù)集成電路的輸出驅(qū)動電流及吸收電流的最大值來決定。

三、去耦電容配置

在直流電源回路中，負載的變化會引起電源噪聲。例如在數(shù)字電路中，當電路從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)時，就會在電源線上產(chǎn)生一個很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓。配置去耦電容可以抑制因負載變化而產(chǎn)生的噪聲，是印制電路板的可靠性設計的一種常規(guī)做法，配置原則如下：

●電源輸入端跨接一個10～100uF的電解電容器，如果印制電路板的位置允許，采用100uF以上的電解電容器的抗干擾效果會更好。

●為每個集成電路芯片配置一個0.01uF的陶瓷電容器。如遇到印制電路板空間小而裝不下時，可每4～10個芯片配置一個1～10uF鉭電解電容器，這種器件的高頻阻抗特別小，在500kHz～20MHz范圍內(nèi)阻抗小于1Ω，而且漏電流很小(0.5uA以下)。

●對于噪聲能力弱、關(guān)斷時電流變化大的器件和ROM、RAM等存儲型器件，應在芯片的電源線(Vcc)和地線(GND)間直接接入去耦電容。

●去耦電容的引線不能過長，特別是高頻旁路電容不能帶引線。

四、印制電路板的尺寸與器件的布置

印制電路板大小要適中，過大時印制線條長，阻抗增加，不僅抗噪聲能力下降，成本也高;過小，則散熱不好，同時易受臨近線條干擾。

在器件布置方面與其它邏輯電路一樣，應把相互有關(guān)的器件盡量放得靠近些，這樣可以獲得較好的抗噪聲效果。如圖2所示。時種發(fā)生器、晶振和CPU的時鐘輸入端都易產(chǎn)生噪聲，要相互靠近些。易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應盡量遠離邏輯電路，如有可能，應另做電路板，這一點十分重要

五、熱設計

從有利于散熱的角度出發(fā)，印制版最好是直立安裝，板與板之間的距離一般不應小于2cm，而且器件在印制版上的排列方式應遵循一定的規(guī)則：

•對于采用自由對流空氣冷卻的設備，最好是將集成電路(或其它器件)按縱長方式排列，如圖3示;對于采用強制空氣冷卻的設備，最好是將集成電路(或其它器件)按橫長方式排列，如圖4所示。

•同一塊印制板上的器件應盡可能按其發(fā)熱量大小及散熱程度分區(qū)排列，發(fā)熱量小或耐熱性差的器件(如小信號晶體管、小規(guī)模集成電路、電解電容等)放在冷卻氣流的最上流(入口處)，發(fā)熱量大或耐熱性好的器件(如功率晶體管、大規(guī)模集成電路等)放在冷卻氣流最下游。

•在水平方向上，大功率器件盡量靠近印制板邊沿布置，以便縮短傳熱路徑;在垂直方向上，大功率器件盡量靠近印制板上方布置，以便減少這些器件工作時對其它器件溫度的影響。

•對溫度比較敏感的器件最好安置在溫度最低的區(qū)域(如設備的底部)，千萬不要將它放在發(fā)熱器件的正上方，多個器件最好是在水平面上交錯布局。

•設備內(nèi)印制板的散熱主要依靠空氣流動，所以在設計時要研究空氣流動路徑，合理配置器件或印制電路板?？諝饬鲃訒r總是趨向于阻力小的地方流動，所以在印制電路板上配置器件時，要避免在某個區(qū)域留有較大的空域。整機中多塊印制電路板的配置也應注意同樣的問題。

大量實踐經(jīng)驗表明，采用合理的器件排列方式，可以有效地降低印制電路的溫升，從而使器件及設備的故障率明顯下降。

以上所述只是印制電路板可靠性設計的一些通用原則，印制電路板可靠性與具體電路有著密切的關(guān)系，在設計中不還需根據(jù)具體電路進行相應處理，才能最大程度地保證印制電路板的可靠性。

六、產(chǎn)品干擾的抑制方案

1 接地

1.1 設備的信號接地

目的：為設備中的任何信號提供一個公共的參考電位。

方式：設備的信號接地系統(tǒng)可以是一塊金屬板。

1.2 基本的信號接地方式

有三種基本的信號接地方式：浮地、單點接地、多點接地。

1.2.1 浮地 目的：使電路或設備與公共地線可能引起環(huán)流的公共導線隔離起來，浮地還使不同電位的電路之間配合變得容易。 缺點：容易出現(xiàn)靜電積累引起強烈的靜電放電。 折衷方案：接入泄放電阻。

1.2.2 單點接地 方式：線路中只有一個物理點被定義為接地參考點，凡需要接地均接于此。 缺點：不適宜用于高頻場合。

1.2.3 多點接地 方式：凡需要接地的點都直接連到距它最近的接地平面上，以便使接地線長度為最短。 缺點：維護較麻煩。

1.2.4 混合接地 按需要選用單點及多點接地。

1.3 信號接地線的處理(搭接)

搭接是在兩個金屬點之間建立低阻抗的通路。

分直接搭接、間接搭接方式。

無論哪一種搭接方式，最重要的是強調(diào)搭接良好。

1.4 設備的接地(接大地)

設備與大地連在一起，以大地為參考點，目的：

1) 實現(xiàn)設備的安全接地

2) 泄放機箱上所積累的電荷，避免設備內(nèi)部放電。

3) 接高設備工作的穩(wěn)定性，避免設備對大地的電位在外界電磁環(huán)境作用下發(fā)生的變化。

1.5 拉大地的方法和接地電阻 接地棒。

1.6 電氣設備的接地

2 屏蔽

2.1 電場屏蔽

2.1.1 電場屏蔽的機理 分布電容間的耦合 處理方法：

1) 增大A、B距離。

2) B盡量貼近接地板。

3)A、B間插入金屬屏蔽板。

2.1.2 電場屏蔽設計重點：

1) 屏蔽板程控受保護物;屏蔽板接地必須良好。

2) 注意屏蔽板的形狀。

3) 屏蔽板以良好導體為好，厚度無要求，強度要足夠。

2.2 磁場屏蔽

2.2.1 磁場屏蔽的機理

高導磁材料的低磁阻起磁分路作用，使屏蔽體內(nèi)的磁場大大降低。

2.2.2 磁場屏蔽設計重點

1) 選用高導磁率材料。

2) 增加屏蔽體的壁厚。

3) 被屏蔽物不要緊靠屏蔽體。

4) 注意結(jié)構(gòu)設計。

5) 對強用雙層磁屏蔽體。

2.3 電磁場屏蔽的機理

1) 表面的反射。

2) 屏蔽體內(nèi)部的吸收。

2.3.2 材料對電磁屏蔽的效果

2.4 實際的電磁屏蔽體

七、產(chǎn)品內(nèi)部的電磁兼容性設計

1 印刷電路板設計中的電磁兼容性

1.1 印刷線路板中的公共阻抗耦合問題 數(shù)字地與模擬地分開，地線加寬。

1.2 印刷線路板的布局

※對高速、中速和低速混用時，注意不同的布局區(qū)域。

※對低模擬電路和數(shù)字邏輯要分離。

1.3 印刷線路板的布線(單面或雙面板)

※專用零伏線，電源線的走線寬度≥1mm。

※電源線和地線盡可能靠近，整塊印刷板上的電源與地要呈“井”字形分布，以便使分布線電流達到均衡。

※要為模擬電路專門提供一根零伏線。

※為減少線間串擾，必要時可增加印刷線條間距離，在意安插一些零伏線作為線間隔離。

※印刷電路的插頭也要多安排一些零伏線作為線間隔離。

※特別注意電流流通中的導線環(huán)路尺寸。

※如有可能在控制線(于印刷板上)的入口處加接R-C去耦，以便消除傳輸中可能出現(xiàn)的干擾因素。

※印刷弧上的線寬不要突變，導線不要突然拐角(≥90度)。

1.4 對在印刷線路板上使用邏輯電路有益建議

※凡能不用高速邏輯電路的就不用。

※在電源與地之間加去耦電容。

※注意長線傳輸中的波形畸變。

※用R-S觸發(fā)的作按鈕與電子線路之間配合的緩沖。

1.4.1 邏輯電路工作時，所引入的電源線干擾及抑制方法

1.4.2 邏輯電路輸出波形傳輸中的畸變問題

1.4.3 按鈕操作與電子線路工作的配合問題

1.5 印刷線路板的互連 主要是線間串擾，影響因素：

※直角走線

※屏蔽線

※阻抗匹配

※長線驅(qū)動

2 開關(guān)電源設計中的電磁兼容性

2.1 開關(guān)電源對電網(wǎng)傳導的騷擾與抑制

騷擾來源：

①非線性流。

②初級電路中功率晶體管外殼與散熱器之間的容光煥發(fā)性耦合在電源輸入端產(chǎn)生的傳導共模噪聲。

抑制方法：

①對開關(guān)電壓波形進行“修整”。

②在晶體管與散熱器之間加裝帶屏蔽層的絕緣墊片。

③在市電輸入電路中加接電源濾波器。

2.2 開關(guān)電源的輻射騷擾與抑制

注意輻射騷擾與抑制

抑制方法：

①盡可能地減小環(huán)路面積。

②印刷線路板上正負載流導體的布局。

③在次線整流回路中使用軟恢復二極管或在二極管上并聯(lián)聚酯薄膜電容器。

④對晶體管開關(guān)波形進行“修整”。

2.3 輸出噪聲的減小

原因是二極管反向電流陡變及回路分布電感。二極管結(jié)電容等形成高頻衰減振蕩，而濾波電容的等效串聯(lián)電感又削弱了濾波的作用，因此在輸出改波中出現(xiàn)尖峰干擾解決辦法是加小電感和高頻電容。

3 設備內(nèi)部的布線

3.1 線間電磁耦合現(xiàn)象及抑制方法

對磁場耦合：

①減小干擾和敏感電路的環(huán)路面積最好辦法是使用雙絞線和屏蔽線。

②增大線間距離(使互感減小)。

③盡可有使干擾源線路與受感應線路呈直角布線。

對電容耦合：

①增大線間距離。

②屏蔽層接地。

③降低敏感線路的輸入阻抗。

④如有可能在敏感電路采用平衡線路作輸入，利用平衡線路固有的共模抑制能力克服干擾源對敏感線路的干擾。

3.2 一般的布線方法：

按功率分類，不同分類的導線應分別捆扎，分開敷設的線束間距離應為50～75mm。

4 屏蔽電纜的接地

4.1 常用的電纜

※雙絞線在低于100KHz下使用非常有效，高頻下因特性阻抗不均勻及由此造成的波形反射而受到限制。

※帶屏蔽的雙絞線，信號電流在兩根內(nèi)導線上流動，噪聲電流在屏蔽層里流動，因此消除了公共阻抗的耦合，而任何干擾將同時感應到兩根導線上，使噪聲相消。

※非屏蔽雙絞線抵御靜電耦合的能力差些。但對防止磁場感應仍有很好作用。非屏蔽雙絞線的屏蔽效果與單位長度的導線扭絞次數(shù)成正比。

※同軸電纜有較均勻的特性阻抗和較低的損耗，使從真流到甚高頻都有較好特性。

※無屏蔽的帶狀電纜。

最好的接線方式是信號與地線相間，稍次的方法是一根地、兩根信號再一根地依次類推，或?qū)Ｓ靡粔K接地平板。

4.2 電纜線屏蔽層的接地

總之，將負載直接接地的方式是不合適的，這是因為兩端接地的屏蔽層為磁感應的地環(huán)路電流提供了分流，使得磁場屏蔽性能下降。

4.3 電纜線的端接方法

在要求高的場合要為內(nèi)導體提供360°的完整包裹，并用同軸接頭來保證電場屏蔽的完整性。

5 對靜電的防護

靜電放電可通過直接傳導，電容耦合和電感耦合三種方式進入電子線路。

直接對電路的靜電放電經(jīng)常會引起電路的損壞，對鄰近物體的放電通過電容或電感耦合，會影響到電路工作的穩(wěn)定性。

防護方法：

①建立完善的屏蔽結(jié)構(gòu)，帶有接地的金屬屏蔽殼體可將放電電流釋放到地。

②金屬外殼接地可限制外殼電位的升高，造成內(nèi)部電路與外殼之間的放電。

③內(nèi)部電路如果要與金屬外殼相連時，要用單點接地，防止放電電流流過內(nèi)部電路。

④在電纜入口處增加保護器件。

⑤在印刷板入口處增加保護環(huán)(環(huán)與接地端相連)。

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