電路板繪制經(jīng)驗
一、印制板設(shè)計要求
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201808/385573.htm1、正確
這是印制板設(shè)計最基本、最重要的要求,準確實現(xiàn)電原理圖的連接關(guān)系,避免出現(xiàn)“短路”和“斷路”這兩個簡單而致命的錯誤。這一基本要求在手工設(shè)計和用簡單CAD軟件設(shè)計的PCB中并不容易做到,一般的產(chǎn)品都要經(jīng)過兩輪以上試制修改,功能較強的CAD軟件則有檢驗功能,可以保證電氣連接的正確性。
2、可靠
這是PCB 設(shè)計中較高一層的要求。連接正確的電路板不一定可靠性好,例如板材選擇不合理,板厚及安裝固定不正確,元器件布局布線不當(dāng)?shù)榷伎赡軐?dǎo)致PCB不能可靠地工作,早期失效甚至根本不能正確工作。再如多層板和單、雙面板相比,設(shè)計時要容易得多,但就可靠而言卻不如單、雙面板。從可靠性的角度講,結(jié)構(gòu)越簡單,使用面越小,板子層數(shù)越少,可靠性越高。
3、合理
這是PCB 設(shè)計中更深一層,更不容易達到的要求。一個印制板組件,從印制板的制造、檢驗、裝配、調(diào)試到整機裝配、調(diào)試,直到使用維修,無不與印制板的合理與否息息相關(guān),例如板子形狀選得不好加工困難,引線孔太小裝配困難,沒留試點高度困難,板外連接選擇不當(dāng)維修困難等等。每一個困難都可能導(dǎo)致成本增加,工時延長。而每一個造成困難的原因都源于設(shè)計者的失誤。沒有絕對合理的設(shè)計,只有不斷合理化的過程。它需要設(shè)計者的責(zé)任心和嚴謹?shù)淖黠L(fēng),以及實踐中為斷總結(jié)、提高的經(jīng)驗。
4、經(jīng)濟
這是一個不難達到、又不易達到,但必須達到的目標。說“不難”,板材選低價,板子尺寸盡量小,連接用直焊導(dǎo)線,表面涂覆用最便宜的,選擇價格最低的加工廠等等,印制板制造價格就會下降。但是不要忘記,這些廉價的選擇可能造成工藝性,可靠性變差,使制造費用、維修費用上升,總體經(jīng)濟性不一定分理處,因此說“不易”。“必須”則是市場競爭的原則。競爭是無情的,一個原理先進,技術(shù)高新的產(chǎn)品可能因為經(jīng)濟性原因夭折。
體會:
1、要有合理的走向:如輸入/輸出,交流/直流,強/弱信號,高頻/低頻,高壓/低壓等,它們的走向應(yīng)該是呈線形的(或分離),不得相互交融。其目的是防止相互干擾。最好的走向是按直線,但一般不易實現(xiàn),最不利的走向是環(huán)形,所幸的是可以設(shè)隔離帶來改善。對于是直流,小信號,低電壓PCB設(shè)計的要求可以低些。所以“合理”是相對的。
2、選擇好接地點:小小的接地點不知有多少工程技術(shù)人員對它做過多少論述,足見其重要性。一般情況下要求共點地,如:前向放大器的多條地線應(yīng)匯合后再與干線地相連等等?,F(xiàn)實中,因受各種限制很難完全辦到,但應(yīng)盡力遵循。這個問題在實際中是相當(dāng)靈活的。每個人都有自己的一套解決方案。如能針對具體的電路板來解釋就容易理解。
3、合理布置電源濾波/退耦電容:一般在原理圖中僅畫出若干電源濾波/退耦電容,但未指出它們各自應(yīng)接于何處。其實這些電容是為開關(guān)器件(門電路)或其它需要濾波/退耦的部件而設(shè)置的,布置這些電容就應(yīng)盡量靠近這些元部件,離得太遠就沒有作用了。有趣的是,當(dāng)電源濾波/退耦電容布置的合理時,接地點的問題就顯得不那么明顯。
4、線條有講究:有條件做寬的線決不做細;高壓及高頻線應(yīng)園滑,不得有尖銳的倒角,拐彎也不得采用直角。地線應(yīng)盡量寬,最好使用大面積敷銅,這對接地點問題有相當(dāng)大的改善。
5、有些問題雖然發(fā)生在后期制作中,但卻是PCB設(shè)計中帶來的,它們是:過線孔太多,沉銅工藝稍有不慎就會埋下隱患。所以,設(shè)計中應(yīng)盡量減少過線孔。同向并行的線條密度太大,焊接時很容易連成一片。所以,線密度應(yīng)視焊接工藝的水平來確定。 焊點的距離太小,不利于人工焊接,只能以降低工效來解決焊接質(zhì)量。否則將留下隱患。所以,焊點的最小距離的確定應(yīng)綜合考慮焊接人員的素質(zhì)和工效。焊盤或過線孔尺寸太小,或焊盤尺寸與鉆孔尺寸配合不當(dāng)。前者對人工鉆孔不利,后者對數(shù)控鉆孔不利。容易將焊盤鉆成“c”形,重則鉆掉焊盤。導(dǎo)線太細,而大面積的未布線區(qū)又沒有設(shè)置敷銅,容易造成腐蝕不均勻。即當(dāng)未布線區(qū)腐蝕完后,細導(dǎo)線很有可能腐蝕過頭,或似斷非斷,或完全斷。所以,設(shè)置敷銅的作用不僅僅是增大地線面積和抗干擾。
二、Protel 打印設(shè)置
SCH的打印設(shè)置較簡單,在Margins的Top Bottom Left Right內(nèi)全填上0然后點擊Refresh,這樣就能最大范圍的占用頁面,使打印出的SCH圖更大些。
PCB的設(shè)置:打開File>Setup Printer…進行打印前的設(shè)置。
在彈出的Printer Setup菜單中,要先選擇您的打印機:最先幾個是默認的打印機,后面兩個是我們安裝了的打印機,(我的機子上是這樣)兩個中一個后綴為Final,一個是Composite,前一個的意思是打印機一次只打印一個層(不管您選了幾個層,只是分幾次打印而已),后一個是一次打印所有你選中的層面,根據(jù)需要自己選擇!下一步:點擊下方的Options按鈕,進行屬性設(shè)置。假設(shè)我們選final然后進入Options進行設(shè)置,進入后的選項一般不用動,Scale為打印比例,默認的為1:1,如果想滿頁打印,就將那個小框打上鉤,哦!右邊的Show Hole蠻重要,選中他就可以把電路板上的孔打印出來(做光刻板就要選這個,有幫助),好了,點擊Setup進行紙張大小設(shè)置就完成了打印機 Options。還沒完呢!麻煩把!回到選打印機屬性的對話框,選擇Layers,進行打印層的設(shè)置,進去以后,看見了吧!是不是很熟悉呢!根據(jù)自己需要選擇吧。
三、常用的PCB庫文件
1.librarypcbconnectors目錄下的元件數(shù)據(jù)庫所含的元件庫含有絕大部分接插件元件的PCB封裝
1).D type connectors.ddb,含有并口,串口類接口元件的封裝
2).headers.ddb:含有各種插頭元件的封裝
2.librarypcbgeneric footprints目錄下的數(shù)據(jù)庫所含的元件庫含有絕大部分的普通元件的PCB封狀
1).general ic.ddb,含有CFP,DIP,JEDECA,LCC,DFP,ILEAD,SOCKET,PLCC系列以及表面貼裝電阻,電容等元件封裝
2).international rectifiers.ddb,含有IR公司的整流橋,二極管等常用元件的封裝
3).Miscellaneous.ddb,含有電阻,電容,二極管等的封裝
4).PGA.ddb,含有PGA封裝
5).Transformers.ddb,含有變壓器元件的封裝
6).Transistors.ddb含有晶體管元件的封裝
3.librarypcbIPC footprints目錄下的元件數(shù)據(jù)庫所含的元件庫中有絕大部分的表面帖裝元件的封裝
四、PCB及電路抗干擾措施
印制電路板的抗干擾設(shè)計與具體電路有著密切的關(guān)系,這里僅就PCB抗干擾設(shè)計的幾項常用措施做一些說明。
1.電源線設(shè)計
根據(jù)印制線路板電流的大小,盡量加租電源線寬度,減少環(huán)路電阻。同時、使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致,這樣有助于增強抗噪聲能力。
2.地線設(shè)計的原則
(1)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,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)短而租,高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積地箔。
(2)接地線應(yīng)盡量加粗。若接地線用很紉的線條,則接地電位隨電流的變化而變化,使抗噪性能降低。因此應(yīng)將接地線加粗,使它能通過三倍于印制板上的允許電流。如有可能,接地線應(yīng)在2~3mm以上。
(3)接地線構(gòu)成閉環(huán)路。只由數(shù)字電路組成的印制板,其接地電路布成團環(huán)路大多能提高抗噪聲能力。
3.退藕電容配置
PCB設(shè)計的常規(guī)做法之一是在印制板的各個關(guān)鍵部位配置適當(dāng)?shù)耐伺弘娙?。退藕電容的一般配置原則是:
(1)電源輸入端跨接10~100uf的電解電容器。如有可能,接100uF以上的更好。
(2)原則上每個集成電路芯片都應(yīng)布置一個0.01pF的瓷片電容,如遇印制板空隙不夠,可每4~8個芯片布置一個1~10pF的鉭電容。
(3)對于抗噪能力弱、關(guān)斷時電源變化大的器件,如RAM、ROM存儲器件,應(yīng)在芯片的電源線和地線之間直接接入退藕電容。
(4)電容引線不能太長,尤其是高頻旁路電容不能有引線。
(5)在印制板中有接觸器、繼電器、按鈕等元件時.操作它們時均會產(chǎn)生較大火花放電,必須采用RC電路來吸收放電電流。一般R取1~2K,C取2.2~47UF。
(6) CMOS的輸入阻抗很高,且易受感應(yīng),因此在使用時對不用端要接地或接正電源。
五、PCB布線原則
在PCB設(shè)計中,布線是完成產(chǎn)品設(shè)計的重要步驟,可以說前面的準備工作都是為它而做的,在整個PCB中,以布線的設(shè)計過程限定最高,技巧最細、工作量最大。PCB布線有單面布線、 雙面布線及多層布線。布線的方式也有兩種:自動布線及交互式布線,在自動布線之前,可以用交互式預(yù)先對要求比較嚴格的線進行布線,輸入端與輸出端的邊線應(yīng)避免相鄰平行, 以免產(chǎn)生反射干擾。必要時應(yīng)加地線隔離,兩相鄰層的布線要互相垂直,平行容易產(chǎn)生寄生耦合。
自動布線的布通率,依賴于良好的布局,布線規(guī)則可以預(yù)先設(shè)定, 包括走線的彎曲次數(shù)、導(dǎo)通孔的數(shù)目、步進的數(shù)目等。一般先進行探索式布經(jīng)線,快速地把短線連通,然后進行迷宮式布線,先把要布的連線進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。 并試著重新再布線,以改進總體效果。
對目前高密度的PCB設(shè)計已感覺到貫通孔不太適應(yīng)了, 它浪費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),它不僅完成了導(dǎo)通孔的作用,還省出許多布線通道使布線過程完成得更加方便,更加流暢,更為完善,PCB 板的設(shè)計過程是一個復(fù)雜而又簡單的過程,要想很好地掌握它,還需廣大電子工程設(shè)計人員去自已體會,才能得到其中的真諦。
1 、電源、地線的處理
既使在整個PCB板中的布線完成得都很好,但由于電源、 地線的考慮不周到而引起的干擾,會使產(chǎn)品的性能下降,有時甚至影響到產(chǎn)品的成功率。所以對電源、地線的布線要認真對待,把電源、地線所產(chǎn)生的噪音干擾降到最低限度,以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。
對每個從事電子產(chǎn)品設(shè)計的工程人員來說都明白地線與電源線之間噪音所產(chǎn)生的原因,現(xiàn)只對降低式抑制噪音作以表述:
眾所周知的是在電源、地線之間加上去耦電容。
盡量加寬電源、地線寬度,最好是地線比電源線寬,它們的關(guān)系是:地線>電源線>信號線,通常信號線寬為:0.2~0.3mm,最經(jīng)細寬度可達0.05~0.07mm,電源線為1.2~2.5 mm
對數(shù)字電路的PCB可用寬的地導(dǎo)線組成一個回路, 即構(gòu)成一個地網(wǎng)來使用(模擬電路的地不能這樣使用)
用大面積銅層作地線用,在印制板上把沒被用上的地方都與地相連接作為地線用。或是做成多層板,電源,地線各占用一層。
2、數(shù)字電路與模擬電路的共地處理
現(xiàn)在有許多PCB不再是單一功能電路(數(shù)字或模擬電路),而是由數(shù)字電路和模擬電路混合構(gòu)成的。因此在布線時就需要考慮它們之間互相干擾問題,特別是地線上的噪音干擾。
數(shù)字電路的頻率高,模擬電路的敏感度強,對信號線來說,高頻的信號線盡可能遠離敏感的模擬電路器件,對地線來說,整人PCB 對外界只有一個結(jié)點,所以必須在PCB內(nèi)部進行處理數(shù)、模共地的問題,而在板內(nèi)部數(shù)字地和模擬地實際上是分開的它們之間互不相連,只是在PCB與外界連接的接口處(如插頭等)。數(shù)字地與模擬地有一點短接,請注意,只有一個連接點。也有在PCB上不共地的,這由系統(tǒng)設(shè)計來決定。
3、信號線布在電(地)層上
在多層印制板布線時,由于在信號線層沒有布完的線剩下已經(jīng)不多,再多加層數(shù)就會造成浪費也會給生產(chǎn)增加一定的工作量,成本也相應(yīng)增加了,為解決這個矛盾,可以考慮在電(地)層上進行布線。首先應(yīng)考慮用電源層,其次才是地層。因為最好是保留地層的完整性。
4、大面積導(dǎo)體中連接腿的處理
在大面積的接地(電)中,常用元器件的腿與其連接,對連接腿的處理需要進行綜合的考慮,就電氣性能而言,元件腿的焊盤與銅面滿接為好,但對元件的焊接裝配就存在一些不良隱患如:①焊接需要大功率加熱器。②容易造成虛焊點。所以兼顧電氣性能與工藝需要,做成十字花焊盤,稱之為熱隔離(heat shield)俗稱熱焊盤(Thermal),這樣,可使在焊接時因截面過分散熱而產(chǎn)生虛焊點的可能性大大減少。多層板的接電(地)層腿的處理相同。
5、布線中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的作用
在許多CAD系統(tǒng)中,布線是依據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)決定的。網(wǎng)格過密,通路雖然有所增加,但步進太小,圖場的數(shù)據(jù)量過大,這必然對設(shè)備的存貯空間有更高的要求,同時也對象計算機類電子產(chǎn)品的運算速度有極大的影響。而有些通路是無效的,如被元件腿的焊盤占用的或被安裝孔、定們孔所占用的等。網(wǎng)格過疏,通路太少對布通率的影響極大。所以要有一個疏密合理的網(wǎng)格系統(tǒng)來支持布線的進行。
標準元器件兩腿之間的距離為0.1英寸(2.54mm),所以網(wǎng)格系統(tǒng)的基礎(chǔ)一般就定為0.1英寸(2.54 mm)或小于0.1英寸的整倍數(shù),如:0.05英寸、0.025英寸、0.02英寸等。
6、設(shè)計規(guī)則檢查(DRC)
布線設(shè)計完成后,需認真檢查布線設(shè)計是否符合設(shè)計者所制定的規(guī)則,同時也需確認所制定的規(guī)則是否符合印制板生產(chǎn)工藝的需求,一般檢查有如下幾個方面:
線與線,線與元件焊盤,線與貫通孔,元件焊盤與貫通孔,貫通孔與貫通孔之間的距離是否合理,是否滿足生產(chǎn)要求。
電源線和地線的寬度是否合適,電源與地線之間是否緊耦合(低的波阻抗)?在PCB中是否還有能讓地線加寬的地方。
對于關(guān)鍵的信號線是否采取了最佳措施,如長度最短,加保護線,輸入線及輸出線被明顯地分開。
模擬電路和數(shù)字電路部分,是否有各自獨立的地線。
后加在PCB中的圖形(如圖標、注標)是否會造成信號短路。
對一些不理想的線形進行修改。
在PCB上是否加有工藝線?阻焊是否符合生產(chǎn)工藝的要求,阻焊尺寸是否合適,字符標志是否壓在器件焊盤上,以免影響電裝質(zhì)量。
多層板中的電源地層的外框邊緣是否縮小,如電源地層的銅箔露出板外容易造成短路。
六、關(guān)于濾波
濾波技術(shù)是抑制干擾的一種有效措施,尤其是在對付開關(guān)電源EMI信號的傳導(dǎo)干擾和某些輻射干擾方面,具有明顯的效果。
任何電源線上傳導(dǎo)干擾信號,均可用差模和共模干擾信號來表示。
差模干擾在兩導(dǎo)線之間傳輸,屬于對稱性干擾;共模干擾在導(dǎo)線與地(機殼)之間傳輸,屬于非對稱性干擾。在一般情況下,差模干擾幅度小、頻率低、所造成的干擾較小,共模干擾幅度大、頻率高,還可以通過導(dǎo)線產(chǎn)生輻射,所造成的干擾較大。因此,欲削弱傳導(dǎo)干擾,把EMI信號控制在有關(guān)EMC標準規(guī)定的極限電平以下。除抑制干擾源以外,最有效的方法就是在開關(guān)源輸入和輸出電路中加裝EMI濾波器。一般設(shè)備的工作頻率約為10~50 kHz。EMC很多標準規(guī)定的傳導(dǎo)干擾電平的極限值都是從10 kHz算起。對開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻段EMI信號,只要選擇相應(yīng)的去耦電路或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為簡單的EMI濾波器,就不難滿足符合EMC標準的濾波效果。
1 .1瞬態(tài)干擾
是指交流電網(wǎng)上出現(xiàn)的浪涌電壓、振鈴電壓、火花放電等瞬間干擾信號,其特點是作用時間極短,但電壓幅度高、瞬態(tài)能量大。瞬態(tài)干擾會造成單片開關(guān)電源輸出電壓的波動;當(dāng)瞬態(tài)電壓疊加在整流濾波后的直流輸入電壓VI上,使VI超過內(nèi)部功率開關(guān)管的漏-源擊穿電壓V(BR)DS時,還會損壞TOPSwitch芯片,因此必須采用抑制措施。通常,靜電放電(ESD)和電快速瞬變脈沖群(EFT)對數(shù)字電路的危害甚于其對模擬電路的影響。靜電放電在5 — 200MHz的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生強烈的射頻輻射。此輻射能量的峰值經(jīng)常出現(xiàn)在35MHz — 45MHz之間發(fā)生自激振蕩。許多I/O電纜的諧振頻率也通常在這個頻率范圍內(nèi),結(jié)果,電纜中便串入了大量的靜電放電輻射能量。當(dāng)電纜暴露在4 — 8kV靜電放電環(huán)境中時,I/O電纜終端負載上可以測量到的感應(yīng)電壓可達到600V。這個電壓遠遠超出了典型數(shù)字的門限電壓值0.4V。典型的感應(yīng)脈沖持續(xù)時間大約為400納秒。將I/O電纜屏蔽起來,且將其兩端接地,使內(nèi)部信號引線全部處于屏蔽層內(nèi),可以將干擾減小60 — 70dB,負載上的感應(yīng)電壓只有0.3V或更低。電快速瞬變脈沖群也產(chǎn)生相當(dāng)強的輻射發(fā)射,從而耦合到電纜和機殼線路。電源線濾波器可以對電源進行保護。線 — 地之間的共模電容是抑制這種瞬態(tài)干擾的有效器件,它使干擾旁路到機殼,而遠離內(nèi)部電路。當(dāng)這個電容的容量受到泄漏電流的限制而不能太大時,共模扼流圈必須提供更大的保護作用。這通常要求使用專門的帶中心抽頭的共模扼流圈,中心抽頭通過一只電容(容量由泄漏電流決定)連接到機殼。共模扼流圈通常繞在高導(dǎo)磁率鐵氧體芯上,其典型電感值為15 ~ 20mH。
1.2傳導(dǎo)的抑制
往往單純采用屏蔽不能提供完整的電磁干擾防護,因為設(shè)備或系統(tǒng)上的電纜才是最有效的干擾接收與發(fā)射天線。許多設(shè)備單臺做電磁兼容實驗時都沒有問題,但當(dāng)兩臺設(shè)備連接起來以后,就不滿足電磁兼容的要求了,這就是電纜起了接收和輻射天線的作用。唯一的措施就是加濾波器,切斷電磁干擾沿信號線或電源線傳播的路徑,與屏蔽共同夠成完善的電磁干擾防護,無論是抑制干擾源、消除耦合或提高接收電路的抗能力,都可以采用濾波技術(shù)。針對不同的干擾,應(yīng)采取不同的抑制技術(shù),由簡單的線路清理,至單個元件的干擾抑制器、濾波器和變壓器,再至比較復(fù)雜的穩(wěn)壓器和凈化電源,以及價格昂貴而性能完善的不間斷電源,下面分別作簡要敘述。
1.3 專用線路
只要通過對供電線路的簡單清理就可以取得一定的干擾抑制效果。如在三相供電線路中認定一相作為干擾敏感設(shè)備的供電電源;以另一相作為外部設(shè)備的供電電源;再以一相作為常用測試儀器或其他輔助設(shè)備的供電電源。這樣的處理可避免設(shè)備間的一些相互干擾,也有利于三相平衡。值得一提的是在現(xiàn)代電子設(shè)備系統(tǒng)中,由于配電線路中非線性負載的使用,造成線路中諧波電流的存在,而零序分量諧波在中線里不能相互抵消,反而是疊加,因此過于纖細的中線會造成線路阻抗的增加,干擾也將增加。同時過細的中線還會造成中線過熱。
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