PCB走線佈局

一.電路板設計步驟

 一般而言,設計電路板最基本的過程可以分爲三大步驟。

(1). 電路原理圖的設計: 電路原理圖的設計主要是PROTEL099的原理圖設計系統(Advanced Schematic)來繪製一張電路原理圖。在這一過程中,要充分利用PROTEL99所提供的各種原理圖繪圖工具、各種編輯功能,來實現我們的目的,即得到一張正確、精美的電路原理圖。

(2). 產生網絡表: 網絡表是電路原理圖設計(SCH)與印製電路板設計(PCB)之間的一座橋樑,它是電路板自動的靈魂。網絡表可以從電路原理圖中獲得,也可從印製電路板中提取出來。

(3). 印製電路板的設計: 印製電路板的設計主要是針對PROTEL99的另外一個重要的部分PCB而言的,在這個過程中,我們藉助PROTEL99提供的強大功能實現電路板的版面設計,完成高難度的等工作。

  二.繪製簡單電路圖 

  2.1 原理圖設計過程原理圖的設計可按下面過程來完成。

 

(1)設計圖紙大小 Protel 99/ Schematic後,首先要構思好零件圖,設計好圖紙大小。圖紙大小是根據電路圖的規模和複雜程度而定的,設置合適的圖紙大小是設計好原理圖的第一步。 

(2)設置Protel 99/Schematic設計環境 設置Protel 99/Schematic設計環境,包括設置格點大小和類型,光標類型等等,大多數參數也可以使用系統默認值。 

(3)旋轉零件 用戶根據電路圖的需要,將零件從零件庫裏取出放置到圖紙上,並對放置零件的序號、零件封裝進行定義和設定等工作。 

(4)有原理圖佈線 利用Protel 99/Schematic提供的各種工具,將圖紙上的元件用具有電氣意義的導線、符號連接起來,構成一個完整的原理圖。 

(5)調整線路 將初步繪製好的電路圖作進一步的調整和修改,使得原理圖更加美觀。 

(6)報表輸出 通過Protel 99/Schematic提供的各種報表工具生成各種報表,其中最重要的報表是網絡表,通過網絡表爲後續的電路板設計作準備。 

(7)文件保存及打印輸出 最後的步驟是文件保存及打印輸出。

  單片機控制板的設計原則需要遵循的原則如下: 

 

(1) 在元器件的佈局方面,應該把相互有關的元件儘量放得靠近一些,例如,時鐘發生器、晶振、CPU的時鐘輸入端都易產生噪聲,在放置的時候應把它們近些。對於那些易產生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路開關電路等,應儘量使其遠離單片機的邏輯控制電路和存儲電路(ROM、RAM),如果可能的話,可以將這些電路另外製成電路板,這樣有利於抗干擾,提高電路工作的可靠性。

(2) 儘量在關鍵元件,如ROM、RAM等芯片旁邊安裝去耦電容。實際上,印製電路板走線、引腳連線和接線等都可能含有較大的電感效應。大的電感可能會在Vcc走線上引起嚴重的開關噪聲尖峯。防止Vcc走線上開關噪聲尖峯的唯一方法,是在VCC與電源地之間安放一個0.1uF的電子去耦電容。如果電路板上使用的是表面貼裝元件,可以用片狀電容直接緊靠着元件,在 Vcc引腳上固定。最好是使用瓷片電容,這是因爲這種電容具有較低的靜電損耗(ESL)和高頻阻抗,另外這種電容溫度和時間上的介質穩定性也很不錯。儘量不要使用鉭電容,因爲在高頻下它的阻抗較高。在安放去耦電容時需要注意以下幾點:

  在印製電路板的電源輸入端跨接100uF左右的電解電容,如果體積允許的話,電容量大一些則更好。

  原則上每個集成電路芯片的旁邊都需要放置一個0.01uF的瓷片電容,如果電路板的空隙太小而放置不下時,可以每10個芯片左右放置一個1~10的鉭電容。

對於抗干擾能力弱、關斷時電流變化大的元件和RAM、ROM等存儲元件,應該在電源線(Vcc)和地線之間接入去耦電容。

  電容的引線不要太長,特別是高頻旁路電容不能帶引線。

(3) 在單片機控制系統中,地線的種類有很多,有系統地、屏蔽地、邏輯地、模擬地等,地線是否佈局合理,將決定電路板的抗干擾能力。在設計地線和接地點的時候,應該考慮以下問題:

  邏輯地和模擬地要分開佈線,不能合用,將它們各自的地線分別與相應的電源地線相連。在設計時,模擬地線應儘量加粗,而且儘量加大引出端的接地面積。一般來講,對於輸入輸出的模擬信號,與單片機電路之間最好通過光耦進行隔離。

  在設計邏輯電路的印製電路版時,其地線應構成閉環形式,提高電路的抗干擾能力。

  地線應儘量的粗。如果地線很細的話,則地線電阻將會較大,造成接地電位隨電流的變化而變化,致使信號電平不穩,導致電路的抗干擾能力下降。在佈線空間允許的情況下,要保證主要地線的寬度至少在2~3mm以上,元件引腳上的接地線應該在1.5mm左右。

要注意接地點的選擇。當電路板上信號頻率低於1MHz時,由於佈線和元件之間的電磁感應影響很小,而接地電路形成的環流對干擾的影響較大,所以要採用一點接地,使其不形成迴路。當電路板上信號頻率高於10MHz時,由於佈線的電感效應明顯,地線阻抗變得很大,此時接地電路形成的環流就不再是主要的問題了。所以應採用多點接地,儘量降低地線阻抗。


  電源線的佈置除了要根據電流的大小盡量加粗走線寬度外,在佈線時還應使電源線、地線的走線方向與數據線的走線方身一致在佈線工作的最後,用地線將電路板的底層沒有走線的地方鋪滿,這些方法都有助於增強電路的抗干擾能力。

  數據線的寬度應儘可能地寬,以減小阻抗。數據線的寬度至少不小於0.3mm(12mil),如果採用0.46~0.5mm(18mil~20mil)則更爲理想。

  由於電路板的一個過孔會帶來大約10pF的電容效應,這對於高頻電路,將會引入太多的干擾,所以在佈線的時候,應儘可能地減少過孔的數量。再有,過多的過孔也會造成電路板的機械強度降低。

 

附加:

一、走線 :

  輸入輸出走線應儘量避免平行,以免產生干擾。兩信號線平行走線必要是應加地線隔離,兩相鄰層佈線要儘量互相垂直,平行容易產生寄生耦合。電源與地線應儘量分在兩層互相垂直。

二、線寬 :

  通常信號線寬 :0.2~0.3mm ,電源與地線 :1.2~2.5mm

       電源與地線應儘量加寬,三者關係:地線  電源線  信號線

       對數字電路PCB可用寬的地線做一回路,即構成一地網(模擬電路不能這樣使用),用大面積鋪銅。

三、共地處理

       如果模擬與數字信號要求一個PCB上共地,則應該只在PCB與外部連接的端口處,模擬與數字地有一短接點。注意:只有一點短接,在板子內部兩者實際上是分開的!

 

 

 

板的佈局:

    印製線路板上的元器件放置的通常順序:

    放置與結構有緊密配合的固定位置的元器件,如電源插座、指示燈、開關、連接件之類,這些器件放置好後用軟件的LOCK功能將其鎖定,使之以後不會被誤移動;
放置線路上的特殊元件和大的元器件,如發熱元件、變壓器、IC等;
放置小器件。元器件離板邊緣的距離:可能的話所有的元器件均放置在離板的邊緣3mm以內或至少大於板厚,這是由於在大批量生產的流水線插件和進行波峯焊時,要提供給導軌槽使用,同時也爲了防止由於外形加工引起邊緣部分的缺損,如果印製線路板上元器件過多,不得已要超出3mm範圍時,可以在板的邊緣加上3mm的輔邊,輔邊開V形槽,在生產時用手掰斷即可。

    高低壓之間的隔離:在許多印製線路板上同時有高壓電路和低壓電路,高壓電路部分的元器件與低壓部分要分隔開放置,隔離距離與要承受的耐壓有關,通常情況下在2000kV時板上要距離2mm,在此之上以比例算還要加大,例如若要承受3000V的耐壓測試,則高低壓線路之間的距離應在3.5mm以上,許多情況下爲避免爬電,還在印製線路板上的高低壓之間開槽。

印製線路板的走線:
    印製導線的佈設應儘可能的短,在高頻迴路中更應如此;印製導線的拐彎應成圓角,而直角或尖角在高頻電路和佈線密度高的情況下會影響電氣性能;當兩面板佈線時,兩面的導線宜相互垂直、斜交、或彎曲走線,避免相互平行,以減小寄生耦合;作爲電路的輸入及輸出用的印製導線應儘量避免相鄰平行,以免發生回授,在這些導線之間最好加接地線。

印製導線的寬度:
    導線寬度應以能滿足電氣性能要求而又便於生產爲宜,它的最小
值以承受的電流大小而定,但最小不宜小於0.2mm,在高密度、高精度的印製線路中,導線寬度和間距一般可取0.3mm;導線寬度在大電流情況下還要考慮其溫升,單面板實驗表明,當銅箔厚度爲50μm、導線寬度1~1.5mm、通過電流2A時,溫升很小,因此,一般選用1~1.5mm寬度導線就可能滿足設計要求而不致引起溫升;印製導線的公共地線應儘可能地粗,可能的話,使用大於2~3mm的線條,這點在帶有微處理器的電路中尤爲重要,因爲當地線過細時,由於流過的電流的變化,地電位變動,微處理器定時信號的電平不穩,會使噪聲容限劣化;在DIP封裝的IC腳間走線,可應用10-10與12-12原則,即當兩腳間通過2根線時,焊盤直徑可設爲50mil、線寬與線距都爲10mil,當兩腳間只通過1根線時,焊盤直徑可設爲64mil、線寬與線距都爲12mil。

印製導線的間距:
     相鄰導線間距必須能滿足電氣安全要求,而且爲了便於操作和生產,間距也應儘量寬些。最小間距至少要能適合承受的電壓。這個電壓一般包括工作電壓、附加波動電壓以及其它原因引起的峯值電壓。如果有關技術條件允許導線之間存在某種程度的金屬殘粒,則其間距就會減小。因此設計者在考慮電壓時應把這種因素考慮進去。在佈線密度較低時,信號線的間距可適當地加大,對高、低電平懸殊的信號線應儘可能地短且加大間距。

印製導線的屏蔽與接地:
    印製導線的公共地線,應儘量佈置在印製線路板的邊緣部分。在印製線路板上應儘可能多地保留銅箔做地線,這樣得到的屏蔽效果,比一長條地線要好,傳輸線特性和屏蔽作用將得到改善,另外起到了減小分佈電容的作用。印製導線的公共地線最好形成環路或網狀,這是因爲當在同一塊板上有許多集成電路,特別是有耗電多的元件時,由於圖形上的限制產生了接地電位差,從而引起噪聲容限的降低,當做成迴路時,接地電位差減小。另外,接地和電源的圖形儘可能要與數據的流動方向平行,這是抑制噪聲能力增強的祕訣;多層印製線路板可採取其中若干層作屏蔽層,電源層、地線層均可視爲屏蔽層,一般地線層和電源層設計在多層印製線路板的內層,信號線設計在內層和外層。

焊盤:
    焊盤的直徑和內孔尺寸:焊盤的內孔尺寸必須從元件引線直徑和公差尺寸以及搪錫層厚度、孔徑公差、孔金屬化電鍍層厚度等方面考慮,焊盤的內孔一般不小於0.6mm,因爲小於0.6mm的孔開模衝孔時不易加工,通常情況下以金屬引腳直徑值加上0.2mm作爲焊盤內孔直徑,如電阻的金屬引腳直徑爲0.5mm時,其焊盤內孔直徑對應爲0.7mm,焊盤直徑取決於內孔直徑,如下表:
孔直徑:    0.4      0.5      0.6      0.8      1.0      1.2      1.6      2.0
焊盤直徑:1.5      1.5      2.0       2.5      3.0      3.5      4


1.當焊盤直徑爲1.5mm時,爲了增加焊盤抗剝強度,可採用長不小於1.5mm,寬爲1.5mm和長圓形焊盤,此種焊盤在集成電路引腳焊盤中最常見。
2.對於超出上表範圍的焊盤直徑可用下列公式選取:
直徑小於0.4mm的孔:D/d=0.5~3
直徑大於2mm的孔:D/d=1.5~2
式中:(D-焊盤直徑,d-內孔直徑)

有關焊盤的其它注意點:
焊盤內孔邊緣到印製板邊的距離要大於1mm,這樣可以避免加工時導致焊盤缺損。
焊盤的開口:有些器件是在經過波峯焊後補焊的,但由於經過波峯焊後焊盤內孔被錫封住,使器件無法插下去,解決辦法是在印製板加工時對該焊盤開一小口,這樣波峯焊時內孔就不會被封住,而且也不會影響正常的焊接。
焊盤補淚滴:當與焊盤連接的走線較細時,要將焊盤與走線之間的連接設計成水滴狀,這樣的好處是焊盤不容易起皮,而是走線與焊盤不易斷開。相鄰的焊盤要避免成銳角或大面積的銅箔,成銳角會造成波峯焊困難,而且有橋接的危險,大面積銅箔因散熱過快會導致不易焊接。
大面積敷銅:印製線路板上的大面積敷銅常用於兩種作用,一種是散熱,一種用於屏蔽來減小干擾,初學者設計印製線路板時常犯的一個錯誤是大面積敷銅上沒有開窗口,而由於印製線路闆闆材的基板與銅箔間的粘合劑在浸焊或長時間受熱時,會產生揮發性氣體無法排除,熱量不易散發,以致產生銅箔膨脹,脫落現象。因此在使用大面積敷銅時,應將其開窗口設計成網狀。
跨接線的使用:在單面的印製線路板設計中,有些線路無法連接時,常會用到跨接線,在初學者中,跨接線常是隨意的,有長有短,這會給生產上帶來不便。放置跨接線時,其種類越少越好,通常情況下只設6mm,8mm,10mm三種,超出此範圍的會給生產上帶來不便

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