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支招組件布置:如何設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的PCB板

發(fā)布時(shí)間:2016-10-20 責(zé)任編輯:susan

【導(dǎo)讀】組件布置合理是設(shè)計(jì)出優(yōu)質(zhì)的PCB圖的基本前提。關(guān)于組件布置的要求主要有安裝、受力、受熱、信號(hào)、美觀六方面的要求。本文盤點(diǎn)高質(zhì)量PCB設(shè)計(jì)應(yīng)該注意的事項(xiàng)。

1.組件布置
  
關(guān)于組件布置的要求主要有安裝、受力、受熱、信號(hào)、美觀六方面的要求。
  
1.1.安裝
  
指在具體的應(yīng)用場(chǎng)合下,為了將電路板順利安裝進(jìn)機(jī)箱、外殼、插槽,不致發(fā)生空間干涉、短路等事故,并使指定接插件處于機(jī)箱或外殼上的指定位置而提出的一系列基本要求。這里不再贅述。
  
1.2.受力
  
電路板應(yīng)能承受安裝和工作中所受的各種外力和震動(dòng)。為此電路板應(yīng)具有合理的形狀,板上的各種孔(螺釘孔、異型孔)的位置要合理安排。一般孔與板邊距離至少要大于孔的直徑。同時(shí)還要注意異型孔造成的板的最薄弱截面也應(yīng)具有足夠的抗彎強(qiáng)度。板上直接"伸"出設(shè)備外殼的接插件尤其要合理固定,保證長(zhǎng)期使用的可靠性。
  
1.3.受熱
  
對(duì)于大功率的、發(fā)熱嚴(yán)重的器件,除保證散熱條件外,還要注意放置在適當(dāng)?shù)奈恢?。尤其在精密的模擬系統(tǒng)中,要格外注意這些器件產(chǎn)生的溫度場(chǎng)對(duì)脆弱的前級(jí)放大電路的不利影響。一般功率非常大的部分應(yīng)單獨(dú)做成一個(gè)模塊,并與信號(hào)處理電路間采取一定的熱隔離措施。
  
1.4.信號(hào)
  
信號(hào)的干擾PCB版圖設(shè)計(jì)中所要考慮的最重要的因素。幾個(gè)最基本的方面是:弱信號(hào)電路與強(qiáng)信號(hào)電路分開(kāi)甚至隔離;交流部分與直流部分分開(kāi);高頻部分與低頻部分分開(kāi);注意信號(hào)線的走向;地線的布置;適當(dāng)?shù)钠帘?、濾波等措施。這些都是大量的論著反復(fù)強(qiáng)調(diào)過(guò)的,這里不再重復(fù)。
  
1.5.美觀
  
不僅要考慮組件放置的整齊有序,更要考慮走線的優(yōu)美流暢。由于一般外行人有時(shí)更強(qiáng)調(diào)前者,以此來(lái)片面評(píng)價(jià)電路設(shè)計(jì)的優(yōu)劣,為了產(chǎn)品的形象,在性能要求不苛刻時(shí)要優(yōu)先考慮前者。但是,在高性能的場(chǎng)合,如果不得不采用雙面板,而且電路板也封裝在里面,平時(shí)看不見(jiàn),就應(yīng)該優(yōu)先強(qiáng)調(diào)走線的美觀。下一小節(jié)將會(huì)具體討論布線的"美學(xué)"。
  
2.布線原則
  
下面詳細(xì)介紹一些文獻(xiàn)中不常見(jiàn)的抗干擾措施。考慮到實(shí)際應(yīng)用中,尤其是產(chǎn)品試制中,仍大量采用雙面板,以下內(nèi)容主要針對(duì)雙面板。
  
2.1.布線"美學(xué)"
  
轉(zhuǎn)彎時(shí)要避免直角,盡量用斜線或圓弧過(guò)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(zhì)信號(hào)的相互干擾,也便于檢查和修改。 對(duì)于數(shù)字系統(tǒng),同一陣營(yíng)的信號(hào)線(如數(shù)據(jù)線、地址線)之間不必?fù)?dān)心干擾的問(wèn)題,但類似讀、寫、時(shí)鐘這樣的控制性信號(hào),就應(yīng)該獨(dú)來(lái)獨(dú)往,最好用地線保護(hù)起來(lái)。
  
大面積鋪地(下面會(huì)進(jìn)一步論述)時(shí),地線(其實(shí)應(yīng)該是地"面")與信號(hào)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(duì)于弱電系統(tǒng),地線與電源線要盡量靠近。
  
使用表貼組件的系統(tǒng),信號(hào)線盡量全走正面。
 
2.2.地線布置
  
文獻(xiàn)中對(duì)地線的重要性及布置原則有很多論述,但關(guān)于實(shí)際PCB中的地線排布仍然缺乏詳細(xì)準(zhǔn)確的介紹。我的經(jīng)驗(yàn)是,為了提高系統(tǒng)的可靠性(而不只是做出一個(gè)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)),對(duì)地線無(wú)論怎樣強(qiáng)調(diào)都不為過(guò),尤其是在微弱信號(hào)處理中。為此,必須不遺余力地貫徹"大面積鋪地"的原則。
  
鋪地時(shí),一般必須是網(wǎng)格狀地,除非那些被其它線路分割出來(lái)的零星地盤。網(wǎng)格狀地的受熱性能和高頻導(dǎo)電性能都要大大優(yōu)于整塊的地線。在雙面板布線中,有時(shí)為了走信號(hào)線,不得不將地線分割開(kāi),這對(duì)于保持足夠低的地電阻是極為不利的。為此,必須采用一系列的"小聰明"手段來(lái)保證地電流的"通暢"。這些技巧包括:
  
大量使用表面貼裝組件,省去焊孔所占用的"本來(lái)"應(yīng)屬于地線的空間。
  
充分利用正面空間:在大量使用表面貼裝組件的場(chǎng)合下,設(shè)法使信號(hào)線盡量走頂層,將底層"無(wú)私"地讓給地線,這其中又涉及到無(wú)數(shù)細(xì)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(shù),以后會(huì)陸續(xù)寫出。
  
合理安排信號(hào)線,將板上的重要地帶,尤其是"腹地"(這里關(guān)系到整個(gè)板地線的溝通)"讓"給地線,只要精心設(shè)計(jì),這一點(diǎn)還是能做到的。
  
正面與反面的配合:有時(shí)在板的某一面,地線實(shí)在是"走投無(wú)路"了,這時(shí)可設(shè)法使兩面的布線相互協(xié)調(diào),"此處不留爺,自有留爺處",在反面的相對(duì)應(yīng)位置空出一塊足夠的地盤鋪設(shè)地線,再通過(guò)數(shù)量足夠、位置合理的過(guò)孔(考慮到過(guò)孔有較大的電阻),通過(guò)這?quot;橋梁"將被橫行而過(guò)的信號(hào)線強(qiáng)行分割卻又戀戀不舍、盼望統(tǒng)一的兩岸連成一個(gè)導(dǎo)電性能足夠的整體。
  
狗急跳墻的著數(shù):實(shí)在滕不出地方而又不甘心龐大的地線被區(qū)區(qū)一根信號(hào)線攔腰切斷時(shí),就讓這個(gè)信號(hào)委屈一點(diǎn),走跨接線吧。有時(shí),我不甘心僅僅拉一根光禿禿的導(dǎo)線,這個(gè)信號(hào)恰好又要經(jīng)過(guò)一個(gè)電阻或其它"長(zhǎng)腳"的器件,我就可以名正言順的延長(zhǎng)這個(gè)器件的管腳,使之兼任跨接線的職務(wù),既通過(guò)了信號(hào),又避免了跨接線這個(gè)不體面的稱呼:-(當(dāng)然,在大多數(shù)情況下,我總可以讓這樣的信號(hào)從合適的地方通過(guò)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:地電流的路徑要合理,大電流與微弱的信號(hào)電流決不能并肩前進(jìn)。有時(shí),選擇合理的路徑,一個(gè)排的地線抵得上不合理配置的一個(gè)集團(tuán)軍。
  
最后,順便說(shuō)明一點(diǎn),有一句名言:"你可以相信你的母親,但永遠(yuǎn)不要相信你的地"。在極微弱信號(hào)處理的場(chǎng)合(微伏以下),即使不擇手段保證了地電位的一致,電路上關(guān)鍵點(diǎn)的地電位差別仍然要超過(guò)被處理信號(hào)的幅度,至少是同一量級(jí),即使靜態(tài)電位合適了,瞬時(shí)的電位差仍然可能很大。對(duì)于這樣的場(chǎng)合,首先要在原理上使電路的工作盡可能的不依賴于地電位。
  
2.3.電源線布置與電源濾波
  
一般的文獻(xiàn)都認(rèn)為電源線應(yīng)盡可能粗,對(duì)此我不敢完全茍同。只有在大功率(1秒內(nèi)平均電源電流可能達(dá)到1A)的場(chǎng)合,才必須保證足夠的電源線寬度(我的經(jīng)驗(yàn),每1A電流對(duì)應(yīng)50mil能夠滿足大多數(shù)場(chǎng)合的需求)。如果只為了防止信號(hào)的竄擾的話,電源線的寬度不是關(guān)鍵。甚至,有時(shí)細(xì)一些的電源線更有利!電源的質(zhì)量一般主要不在于其絕對(duì)值,而在于電源的波動(dòng)和迭加的干擾。解決電源干擾的關(guān)鍵在于濾波電容!如果你的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)電源質(zhì)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(shí)要注意以下幾條:
  
整個(gè)電路的電源輸入端應(yīng)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(huì)壞事的J對(duì)于數(shù)字系統(tǒng)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。交流模擬系統(tǒng):對(duì)于直流及低頻模擬系統(tǒng):1000uF|1000uF電解+10uF片鉭+1uF貼片+0.1uF貼片。
 
每個(gè)重要芯片身邊都應(yīng)該有"一套"濾波電容。對(duì)于數(shù)字系統(tǒng),一個(gè)0.1uF貼片一般就夠了,重要的或工作電流較大的芯片還應(yīng)并上一個(gè)10uF片鉭或1uF貼片,工作頻率最高的芯片(CPU、晶振)還要并10nF|470pF或一個(gè)1nF。該電容應(yīng)盡可能接近芯片的電源管腳并盡可能直接連接,越小的應(yīng)越靠近。
  
對(duì)于芯片濾波電容,以內(nèi)(濾波電容至芯片電源管腳)的一段應(yīng)盡可能粗,如能采用多根細(xì)線并排就更好。有了濾波電容提供低(交流)阻抗電壓源并抑制交流耦合干擾,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面積。某些模擬系統(tǒng)中還要求電源輸入采用RC濾波網(wǎng)絡(luò)以進(jìn)一步抑制干擾,而較細(xì)的電源線有時(shí)恰好就兼具RC濾波器中電阻的作用,反而有利。
  
對(duì)于工作溫度變化范圍較大的系統(tǒng),要注意鋁電解電容在低溫下性能會(huì)降低甚至喪失濾波作用,此時(shí)要用適當(dāng)?shù)你g電容代替之。例如,用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(fā)熱器件太近。

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