支招組件布置:如何設計出高質量的PCB板
發布時間:2016-10-20 責任編輯:susan
【導讀】組件布置合理是設計出優質的PCB圖的基本前提。關於組件布置的要求主要有安裝、受力、受熱、信號、美觀六方麵的要求。本文盤點高質量PCB設計應該注意的事項。
1.組件布置
關於組件布置的要求主要有安裝、受力、受熱、信號、美觀六方麵的要求。
1.1.安裝
指在具體的應用場合下,為了將電路板順利安裝進機箱、外殼、插槽,不致發生空間幹涉、短路等事故,並使指定接插件處於機箱或外殼上的指定位置而提出的一係列基本要求。這裏不再贅述。
1.2.受力
電路板應能承受安裝和工作中所受的各種外力和震動。為此電路板應具有合理的形狀,板上的各種孔(螺釘孔、異型孔)的(de)位(wei)置(zhi)要(yao)合(he)理(li)安(an)排(pai)。一(yi)般(ban)孔(kong)與(yu)板(ban)邊(bian)距(ju)離(li)至(zhi)少(shao)要(yao)大(da)於(yu)孔(kong)的(de)直(zhi)徑(jing)。同(tong)時(shi)還(hai)要(yao)注(zhu)意(yi)異(yi)型(xing)孔(kong)造(zao)成(cheng)的(de)板(ban)的(de)最(zui)薄(bo)弱(ruo)截(jie)麵(mian)也(ye)應(ying)具(ju)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)抗(kang)彎(wan)強(qiang)度(du)。板(ban)上(shang)直(zhi)接(jie)"伸"出設備外殼的接插件尤其要合理固定,保證長期使用的可靠性。
1.3.受熱
對於大功率的、發fa熱re嚴yan重zhong的de器qi件jian,除chu保bao證zheng散san熱re條tiao件jian外wai,還hai要yao注zhu意yi放fang置zhi在zai適shi當dang的de位wei置zhi。尤you其qi在zai精jing密mi的de模mo擬ni係xi統tong中zhong,要yao格ge外wai注zhu意yi這zhe些xie器qi件jian產chan生sheng的de溫wen度du場chang對dui脆cui弱ruo的de前qian級ji放fang大da電dian路lu的de不bu利li影ying響xiang。一yi般ban功gong率lv非fei常chang大da的de部bu分fen應ying單dan獨du做zuo成cheng一yi個ge模mo塊kuai,並bing與yu信xin號hao處chu理li電dian路lu間jian采cai取qu一yi定ding的de熱re隔ge離li措cuo施shi。
1.4.信號
信號的幹擾PCB版圖設計中所要考慮的最重要的因素。幾個最基本的方麵是:弱信號電路與強信號電路分開甚至隔離;交流部分與直流部分分開;高頻部分與低頻部分分開;注意信號線的走向;地線的布置;適當的屏蔽、濾波等措施。這些都是大量的論著反複強調過的,這裏不再重複。
1.5.美觀
不(bu)僅(jin)要(yao)考(kao)慮(lv)組(zu)件(jian)放(fang)置(zhi)的(de)整(zheng)齊(qi)有(you)序(xu),更(geng)要(yao)考(kao)慮(lv)走(zou)線(xian)的(de)優(you)美(mei)流(liu)暢(chang)。由(you)於(yu)一(yi)般(ban)外(wai)行(xing)人(ren)有(you)時(shi)更(geng)強(qiang)調(tiao)前(qian)者(zhe),以(yi)此(ci)來(lai)片(pian)麵(mian)評(ping)價(jia)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)的(de)優(you)劣(lie),為(wei)了(le)產(chan)品(pin)的(de)形(xing)象(xiang),在(zai)性(xing)能(neng)要(yao)求(qiu)不(bu)苛(ke)刻(ke)時(shi)要(yao)優(you)先(xian)考(kao)慮(lv)前(qian)者(zhe)。但(dan)是(shi),在(zai)高(gao)性(xing)能(neng)的(de)場(chang)合(he),如(ru)果(guo)不(bu)得(de)不(bu)采(cai)用(yong)雙(shuang)麵(mian)板(ban),而(er)且(qie)電(dian)路(lu)板(ban)也(ye)封(feng)裝(zhuang)在(zai)裏(li)麵(mian),平(ping)時(shi)看(kan)不(bu)見(jian),就(jiu)應(ying)該(gai)優(you)先(xian)強(qiang)調(tiao)走(zou)線(xian)的(de)美(mei)觀(guan)。下(xia)一(yi)小(xiao)節(jie)將(jiang)會(hui)具(ju)體(ti)討(tao)論(lun)布(bu)線(xian)的(de)"美學"。
2.布線原則
下xia麵mian詳xiang細xi介jie紹shao一yi些xie文wen獻xian中zhong不bu常chang見jian的de抗kang幹gan擾rao措cuo施shi。考kao慮lv到dao實shi際ji應ying用yong中zhong,尤you其qi是shi產chan品pin試shi製zhi中zhong,仍reng大da量liang采cai用yong雙shuang麵mian板ban,以yi下xia內nei容rong主zhu要yao針zhen對dui雙shuang麵mian板ban。
2.1.布線"美學"
轉彎時要避免直角,盡量用斜線或圓弧過渡。
走線要整齊有序,分門別類集中排列,不僅可以避免不同性質信號的相互幹擾,也便於檢查和修改。 對於數字係統,同一陣營的信號線(如數據線、地址線)之間不必擔心幹擾的問題,但類似讀、寫、時鍾這樣的控製性信號,就應該獨來獨往,最好用地線保護起來。
大麵積鋪地(下麵會進一步論述)時,地線(其實應該是地"麵")與信號線間盡量保持合理的相等距離,在防止短路、漏電的前提下盡量靠近。
對於弱電係統,地線與電源線要盡量靠近。
使用表貼組件的係統,信號線盡量全走正麵。
2.2.地線布置
文獻中對地線的重要性及布置原則有很多論述,但關於實際PCB中的地線排布仍然缺乏詳細準確的介紹。我的經驗是,為了提高係統的可靠性(而不隻是做出一個實驗樣機),對地線無論怎樣強調都不為過,尤其是在微弱信號處理中。為此,必須不遺餘力地貫徹"大麵積鋪地"的原則。
鋪(pu)地(di)時(shi),一(yi)般(ban)必(bi)須(xu)是(shi)網(wang)格(ge)狀(zhuang)地(di),除(chu)非(fei)那(na)些(xie)被(bei)其(qi)它(ta)線(xian)路(lu)分(fen)割(ge)出(chu)來(lai)的(de)零(ling)星(xing)地(di)盤(pan)。網(wang)格(ge)狀(zhuang)地(di)的(de)受(shou)熱(re)性(xing)能(neng)和(he)高(gao)頻(pin)導(dao)電(dian)性(xing)能(neng)都(dou)要(yao)大(da)大(da)優(you)於(yu)整(zheng)塊(kuai)的(de)地(di)線(xian)。在(zai)雙(shuang)麵(mian)板(ban)布(bu)線(xian)中(zhong),有(you)時(shi)為(wei)了(le)走(zou)信(xin)號(hao)線(xian),不(bu)得(de)不(bu)將(jiang)地(di)線(xian)分(fen)割(ge)開(kai),這(zhe)對(dui)於(yu)保(bao)持(chi)足(zu)夠(gou)低(di)的(de)地(di)電(dian)阻(zu)是(shi)極(ji)為(wei)不(bu)利(li)的(de)。為(wei)此(ci),必(bi)須(xu)采(cai)用(yong)一(yi)係(xi)列(lie)的(de)"小聰明"手段來保證地電流的"通暢"。這些技巧包括:
大量使用表麵貼裝組件,省去焊孔所占用的"本來"應屬於地線的空間。
充分利用正麵空間:在大量使用表麵貼裝組件的場合下,設法使信號線盡量走頂層,將底層"無私"地讓給地線,這其中又涉及到無數細碎的小竅門,本人拙作《PCB技巧之一:交換管腳》中就有一招,還有很多類似的法術,以後會陸續寫出。
合理安排信號線,將板上的重要地帶,尤其是"腹地"(這裏關係到整個板地線的溝通)"讓"給地線,隻要精心設計,這一點還是能做到的。
正麵與反麵的配合:有時在板的某一麵,地線實在是"走投無路"了,這時可設法使兩麵的布線相互協調,"此處不留爺,自有留爺處",在反麵的相對應位置空出一塊足夠的地盤鋪設地線,再通過數量足夠、位置合理的過孔(考慮到過孔有較大的電阻),通過這?quot;橋梁"將被橫行而過的信號線強行分割卻又戀戀不舍、盼望統一的兩岸連成一個導電性能足夠的整體。
狗急跳牆的著數:實shi在zai滕teng不bu出chu地di方fang而er又you不bu甘gan心xin龐pang大da的de地di線xian被bei區qu區qu一yi根gen信xin號hao線xian攔lan腰yao切qie斷duan時shi,就jiu讓rang這zhe個ge信xin號hao委wei屈qu一yi點dian,走zou跨kua接jie線xian吧ba。有you時shi,我wo不bu甘gan心xin僅jin僅jin拉la一yi根gen光guang禿tu禿tu的de導dao線xian,這zhe個ge信xin號hao恰qia好hao又you要yao經jing過guo一yi個ge電dian阻zu或huo其qi它ta"長腳"的器件,我就可以名正言順的延長這個器件的管腳,使之兼任跨接線的職務,既通過了信號,又避免了跨接線這個不體麵的稱呼:-(當然,在大多數情況下,我總可以讓這樣的信號從合適的地方通過而避免與地線的交叉,唯一需要的是觀察力和想象力。
起碼的原則:地di電dian流liu的de路lu徑jing要yao合he理li,大da電dian流liu與yu微wei弱ruo的de信xin號hao電dian流liu決jue不bu能neng並bing肩jian前qian進jin。有you時shi,選xuan擇ze合he理li的de路lu徑jing,一yi個ge排pai的de地di線xian抵di得de上shang不bu合he理li配pei置zhi的de一yi個ge集ji團tuan軍jun。
最後,順便說明一點,有一句名言:"你可以相信你的母親,但永遠不要相信你的地"。在極微弱信號處理的場合(微伏以下),即ji使shi不bu擇ze手shou段duan保bao證zheng了le地di電dian位wei的de一yi致zhi,電dian路lu上shang關guan鍵jian點dian的de地di電dian位wei差cha別bie仍reng然ran要yao超chao過guo被bei處chu理li信xin號hao的de幅fu度du,至zhi少shao是shi同tong一yi量liang級ji,即ji使shi靜jing態tai電dian位wei合he適shi了le,瞬shun時shi的de電dian位wei差cha仍reng然ran可ke能neng很hen大da。對dui於yu這zhe樣yang的de場chang合he,首shou先xian要yao在zai原yuan理li上shang使shi電dian路lu的de工gong作zuo盡jin可ke能neng的de不bu依yi賴lai於yu地di電dian位wei。
2.3.電源線布置與電源濾波
一般的文獻都認為電源線應盡可能粗,對此我不敢完全苟同。隻有在大功率(1秒內平均電源電流可能達到1A)的場合,才必須保證足夠的電源線寬度(我的經驗,每1A電流對應50mil能夠滿足大多數場合的需求)。如果隻為了防止信號的竄擾的話,電源線的寬度不是關鍵。甚至,有時細一些的電源線更有利!電源的質量一般主要不在於其絕對值,而在於電源的波動和迭加的幹擾。解決電源幹擾的關鍵在於濾波電容!如果你的應用場合對電源質量的確有苛刻的要求,就不要吝嗇濾波電容的錢!使用濾波電容時要注意以下幾條:
整個電路的電源輸入端應該有"總"的濾波措施,而且各種類型的電容要互相搭配,"一樣都不能少",至少不會壞事的J對於數字係統至少要有100uF電解+10uF片鉭+0.1uF貼片+1nF貼片。較高頻(100kHz)100uF電解+10uF片鉭+0.47uF貼片+0.1uF貼片。交流模擬係統:對於直流及低頻模擬係統:1000uF|1000uF電解+10uF片鉭+1uF貼片+0.1uF貼片。
每個重要芯片身邊都應該有"一套"濾波電容。對於數字係統,一個0.1uF貼片一般就夠了,重要的或工作電流較大的芯片還應並上一個10uF片鉭或1uF貼片,工作頻率最高的芯片(CPU、晶振)還要並10nF|470pF或一個1nF。該電容應盡可能接近芯片的電源管腳並盡可能直接連接,越小的應越靠近。
對於芯片濾波電容,以內(濾波電容至芯片電源管腳)的一段應盡可能粗,如能采用多根細線並排就更好。有了濾波電容提供低(交流)阻抗電壓源並抑製交流耦合幹擾,電容管腳以外(指從總電源至濾波電容的一段)的電源線就不那幺重要了,線寬不必太粗,至少不必為此占用大量的板麵積。某些模擬係統中還要求電源輸入采用RC濾波網絡以進一步抑製幹擾,而較細的電源線有時恰好就兼具RC濾波器中電阻的作用,反而有利。
對(dui)於(yu)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)範(fan)圍(wei)較(jiao)大(da)的(de)係(xi)統(tong),要(yao)注(zhu)意(yi)鋁(lv)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)在(zai)低(di)溫(wen)下(xia)性(xing)能(neng)會(hui)降(jiang)低(di)甚(shen)至(zhi)喪(sang)失(shi)濾(lv)波(bo)作(zuo)用(yong),此(ci)時(shi)要(yao)用(yong)適(shi)當(dang)的(de)鉭(tan)電(dian)容(rong)代(dai)替(ti)之(zhi)。例(li)如(ru),用(yong)100uF鉭|1000uF鋁代替470uF鋁,或用22uF片鉭代替100uF鋁。
注意鋁電解電容不要離大功率發熱器件太近。
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