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PCB设计基础知识详细解析
云汉芯城 | 2019-09-05 16:05:32    阅读:4344   发布文章

印制电路板的设计是以电路原理图为根据,实现电路设计者所需要的功能。印刷电路板的设计主要指版图设计,需要考虑外部连接的布局。内部电子元件的优化布局。金属连线和通孔的优化布局。电磁保护。热耗散等各种因素。优秀的版图设计可以节约生产成本,达到良好的电路性能和散热性能。简单的版图设计可以用手工实现,复杂的版图设计需要借助计算机辅助设计(CAD)实现。

在高速设计中,可控阻抗板和线路的特性阻抗是最重要和最普遍的问题之一。首先了解一下传输线的定义:传输线由两个具有一定长度的导体组成,一个导体用来发送信号,另一个用来接收信号(切记“回路”取代“地”的概念)。在一个多层板中,每一条线路都是传输线的组成部分,邻近的参考平面可作为第二条线路或回路。一条线路成为“性能良好”传输线的关键是使它的特性阻抗在整个线路中保持恒定。

线路板成为“可控阻抗板”的关键是使所有线路的特性阻抗满足一个规定值,通常在25欧姆和70欧姆之间。在多层线路板中,传输线性能良好的关键是使它的特性阻抗在整条线路中保持恒定。

但是,究竟什么是特性阻抗?理解特性阻抗最简单的方法是看信号在传输中碰到了什么。当沿着一条具有同样横截面传输线移动时,这类似图1所示的微波传输。假定把1伏特的电压阶梯波加到这条传输线中,如把1伏特的电池连接到传输线的前端(它位于发送线路和回路之间),一旦连接,这个电压波信号沿着该线以光速传播,它的速度通常约为6英寸/纳秒。当然,这个信号确实是发送线路和回路之间的电压差,它可以从发送线路的任何一点和回路的相临点来衡量。图2是该电压信号的传输示意图。

Zen的方法是先“产生信号”,然后沿着这条传输线以6英寸/纳秒的速度传播。第一个0.01纳秒前进了0.06英寸,这时发送线路有多余的正电荷,而回路有多余的负电荷,正是这两种电荷差维持着这两个导体之间的1伏电压差,而这两个导体又组成了一个电容器。

在下一个0.01纳秒中,又要将一段0.06英寸传输线的电压从0调整到1伏特,这必须加一些正电荷到发送线路,而加一些负电荷到接收线路。每移动0.06英寸,必须把更多的正电荷加到发送线路,而把更多的负电荷加到回路。每隔0.01纳秒,必须对传输线路的另外一段进行充电,然后信号开始沿着这一段传播。电荷来自传输线前端的电池,当沿着这条线移动时,就给传输线的连续部分充电,因而在发送线路和回路之间形成了1伏特的电压差。每前进0.01纳秒,就从电池中获得一些电荷(±Q),恒定的时间间隔(±t)内从电池中流出的恒定电量(±Q)就是一种恒定电流。流入回路的负电流实际上与流出的正电流相等,而且正好在信号波的前端,交流电流通过上、下线路组成的电容,结束整个循环过程。

PCB(Printed Circuit Board)印刷电路板的缩写。

设计软件

一、国内用的比较多的是protel,protel 99se,protel DXP,Altium,这些都是一个公司发展,不断升级的软件;当前版本是Altium Designer 15 比较简单,设计比较随意,但是做复杂的PCB这些软件就不是很好。

二、Cadence spb软件Cadence spb这是Cadence的软件,当前版本是Cadence SPB 16.5;其中的ORCAD原理图设计是国际标准;其中PCB设计、仿真很全,用起来比protel复杂,主要是要求、设置复杂;但是为设计做好了规定,所以设计起来事半功倍,比protel就明显强大。

三、Mentor公司的BORDSTATIONG和EE,其中BOARDSTATION由于只适用于UNIX系统,不是为PC机设计,所以使用的人较少;当前MentorEE版本为Mentor EE 7.9和Cadence spb属于同级别的PCB设计软件,它有些地方比cadence spb差,它的强项是拉线、飞线,人称飞线王。

四、EAGLE Layout这是欧洲使用最广泛的PCB设计软件。 上述所说PCB设计软件,用的比较多的,Cadence spb和MentorEE 是里面当之无愧的王者。 如果是初学设计PCB我觉得Cadencespb 比较好,它可以给设计者养成一个良好的设计习惯,而且能保证良好的设计质量。

相关技巧

设置技巧

设计在不同阶段需要进行不同的各点设置,在布局阶段可以采用大格点进行器件布局;

对于IC、非定位接插件等大器件,可以选用50~100mil的格点精度进行布局,而对于电阻电容和电感等无源小器件,可采用25mil的格点进行布局。大格点的精度有利于器件的对齐和布局的美观。

PCB布局规则:

1、在通常情况下,所有的元件均应布置在电路板的同一面上,只有顶层元件过密时,才能将一些高度有限并且发热量小的器件,如贴片电阻、贴片电容、贴片IC等放在底层。

2、在保证电气性能的前提下,元件应放置在栅格上且相互平行或垂直排列,以求整齐、美观,在一般情况下不允许元件重叠;元件排列要紧凑,元件在整个版面上应分布均匀、疏密一致。

3、电路板上不同组件相临焊盘图形之间的最小间距应在1MM以上。

4、离电路板边缘一般不小于2MM.电路板的最佳形状为矩形,长宽比为3:2或4:3.电路板面尺大于200MM乘150MM时,应考虑电路板所能承受的机械强度。

布局技巧

在PCB的布局设计中要分析电路板的单元,依据起功能进行布局设计,对电路的全部元器件进行布局时,要符合以下原则:

1、按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置,使布局便于信号流通,并使信号尽可能保持一致的方向。

2、以每个功能单元的核心元器件为中心,围绕他来进行布局。元器件应均匀、整体、紧凑的排列在PCB上,尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。

3、在高频下工作的电路,要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件并行排列,这样不但美观,而且装焊容易,易于批量生产。

设计步骤

布局设计

在PCB中,特殊的元器件是指高频部分的关键元器件、电路中的核心元器件、易受干扰的元器件、带高压的元器件、发热量大的元器件,以及一些异性元器 件,这些特殊元器件的位置需要仔细分析,做带布局合乎电路功能的要求及生产的需求。不恰当的放置他们可能产生电路兼容问题、信号完整性问题,从而导致 PCB设计的失败。

在设计中如何放置特殊元器件时首先考虑PCB尺寸大小。快易购指出pcb尺寸过大时,印刷线条长,阻抗增加,抗燥能力下降,成本也增加;过小时,散热不好,且临近线条容易受干扰。在确定PCB的尺寸后,在确定特殊元件的摆方位置。最后,根据功能单元,对电路的全部元器件进行布局。特殊元器件的位置在布局时一般 要遵守以下原则:

1、尽可能缩短高频元器件之间的连接,设法减少他们的分布参数及和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互离的太近,输入和输出应尽量远离。

2一些元器件或导线有可能有较高的电位差,应加大他们的距离,以免放电引起意外短路。高电压的元器件应尽量放在手触及不到的地方。

3、重量超过15G的元器件,可用支架加以固定,然后焊接。那些又重又热的元器件,不应放到电路板上,应放到主机箱的底版上,且考虑散热问题。热敏元器件应远离发热元器件。

4、对与电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元器件的布局应考虑整块板子的结构要求,一些经常用到的开关,在结构允许的情况下,应放置到手容易接触到的地方。元器件的布局到均衡,疏密有度,不能头重脚轻。

一个产品的成功,一是要注重内在质量。而是要兼顾整体的美观,两者都比较完美的板子,才能成为成功的产品。

放置顺序

1、放置与结构有紧密配合的元器件,如电源插座、指示灯、开关、连接器等。

2、放置特殊元器件,如大的元器件、重的元器件、发热元器件、变压器、IC等。

3、放置小的元器件。

布局检查

1、电路板尺寸和图纸要求加工尺寸是否相符合。

2、元器件的布局是否均衡、排列整齐、是否已经全部布完。

3、各个层面有无冲突。如元器件、外框、需要私印的层面是否合理。

3、常用到的元器件是否方便使用。如开关、插件板插入设备、须经常更换的元器件等。

4、热敏元器件与发热元器件距离是否合理。

5、散热性是否良好。

6、线路的干扰问题是否需要考虑。

基本概念

少用过孔

一旦选用了过孔,务必处理好它与周边各实体的间隙,特别是容易被忽视的中间各层与过孔不相连的线与过孔的间隙,如果是自动布线,可在“过孔数量最小化” ( Via Minimiz8tion)子菜单里选择“on”项来自动解决。(2)需要的载流量越大,所需的过孔尺寸越大,如电源层和地层与其它层联接所用的过孔就要大一些。

丝印层

Overlay

为方便电路的安装和维修等,在印刷板的上下两表面印刷上所需要的标志图案和文字代号等,例如元件标号和标称值、元件外廓形状和厂家标志、生产日期等等。不少初学者设计丝印层的有关内容时,只注意文字符号放置得整齐美观,忽略了实际制出的PCB效果。他们设计的印板上,字符不是被元件挡住就是侵入了助焊区域被抹赊,还有的把元件标号打在相邻元件上,如此种种的设计都将会给装配和维修带来很大不便。正确的丝印层字符布置原则是:“不出歧义,见缝插针,美观大方”。

SMD封装

特殊性

Protel封装库内有大量SMD封装,即表面焊装器件。这类器件除体积小巧之外的最大特点是单面分布元引脚孔。因此,选用这类器件要定义好器件所在面,以免“丢失引脚(Missing Plns)”。另外,这类元件的有关文字标注只能随元件所在面放置。

填充区

网格状填充区(External Plane )和填充区(Fill)

正如两者的名字那样,网络状填充区是把大面积的铜箔处理成网状的,填充区仅是完整保留铜箔。初学者设计过程中在计算机上往往看不到二者的区别,实质上,只要你把图面放大后就一目了然了。正是由于平常不容易看出二者的区别,所以使用时更不注意对二者的区分,要强调的是,前者在电路特性上有较强的抑制高频干扰的作用,适用于需做大面积填充的地方,特别是把某些区域当做屏蔽区、分割区或大电流的电源线时尤为合适。后者多用于一般的线端部或转折区等需要小面积填充的地方。

焊盘

Pad

焊盘是PCB设计中最常接触也是最重要的概念,但初学者却容易忽视它的选择和修正,在设计中千篇一律地使用圆形焊盘。选择元件的焊盘类型要综合考虑该元件的形状、大小、布置形式、振动和受热情况、受力方向等因素。Protel在封装库中给出了一系列不同大小和形状的焊盘,如圆、方、八角、圆方和定位用焊盘等,但有时这还不够用,需要自己编辑。例如,对发热且受力较大、电流较大的焊盘,可自行设计成“泪滴状”,在大家熟悉的彩电PCB的行输出变压器引脚焊盘的设计中,不少厂家正是采用的这种形式。一般而言,自行编辑焊盘时除了以上所讲的以外,还要考虑以下原则:

(1)形状上长短不一致时要考虑连线宽度与焊盘特定边长的大小差异不能过大;

(2)需要在元件引角之间走线时选用长短不对称的焊盘往往事半功倍;

(3)各元件焊盘孔的大小要按元件引脚粗细分别编辑确定,原则是孔的尺寸比引脚直径大0.2- 0.4毫米。

PCB放置焊盘:

1 .放置焊盘的方法

可以执行主菜单中命令 Place/Pad ,也可以用组件放置工具栏中的 Place Pad 按钮。

进入放置焊盘( Pad )状态后,鼠标将变成十字形状,将鼠标移动到合适的位置上单击就完成了焊盘的放置。

2 .焊盘的属性设置

焊盘的属性设置有以下两种方法:

● 在用鼠标放置焊盘时,鼠标将变成十字形状,按 Tab 键,将弹出 Pad (焊盘属性)设置对话框。

7-24 焊盘属性设置对话框

● 对已经在 PCB 板上放置好的焊盘,直接双击,也可以弹出焊盘属性设置对话框。在焊盘属性设置对话在框中有如下几项设置:

● Hole Size :用于设置焊盘的内直径大小。

● Rotation :用一设置焊盘放置的旋转角度。

● Location :用于设置焊盘圆心的 x 和 y 坐标的位置。

● Designator 文本框:用于设置焊盘的序号。

● Layer 下拉列表:从该下拉列表中可以选择焊盘放置的布线层。

● Net 下拉列表:该下拉列表用于设置焊盘的网络。

● Electrical Type 下拉列表:用于选择焊盘的电气特性。该下拉列表共有 3 种选择方式: Load (节点)、 Source (源点)和 Terminator (终点)。

● Testpoint 复选项:用于设置焊盘是否作为测试点,可以做测试点的只有位于顶层的和底层的焊盘。

● Locked 复选项:选中该复选项,表示焊盘放置后位置将固定不动。

● Size a