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四层电路板的 PCB 设计

发布时间:2015-11-12 08:25:48 分类:企业新闻

 关键词 四层 PCB,抗干扰,嵌入式系统

摘 要
摘 要 详细介绍有关电路板的 PCB 设计过程以及应注意的问题。在设计过程中针对普通元
器件及一些特殊元器件采用不同的布局原则; 比较手工布线、 自动布线及交互式布线的优点
及不足之处; 介绍 PCB 电路以及为了减小电路之间的干扰所采取的相关措施。 结合亲身设计
经验,以基于 ARM、自主移动的嵌入式系统核心板的 PCB 设计为例,简单介绍有关四层电路
板的 PCB 设计过程以及应注意的相关问题。
印制电路板(PCB)在电子产品中,起到支撑电路元件和器件的作用,同时还提供电路元
件和器件之间的电气连接。其实,PCB 的设计不仅是排列、固定元器件,连通器件的引脚这
样简单,它的好坏对产品的抗干扰能力影响很大.甚至对今后产品的性能起着决定性作用。
随着电子技术的飞速发展,元器件和产品的外形尺寸变得越来越小,工作频率越来越高,使
得 PCB 上元器件的密度大幅提高, 这也就增加了 PCB 设计、 加工的难度。 因此, 可以这样说,
PCB 设汁始终是电子产品开发设计中重要的内容之一。
1 布局
所谓布局就是把电路图中所有元器件都合理地安排在面积有限的 PCB 上。 从信号的角度
讲,主要有数字信号电路板、模拟信号电路板以及混合信号电路板 3 种。在设计混合信号电
路板时,一定要仔细考虑,将元器件通过手工方式摆放在电路板的合适位置,以便将数字和
模拟器件分开,如图 l 所示。
在安排 PCB 的布局过程巾, 关键的问题是: 开关、 按钮、 旋钮等操作件以及结构件(简
称“特殊元件”)等,必须事先安排到指定(合适)的位置上。放置好之后,可以设置元器什
的属性,将 LOCK 项选中,这样就可以避免以后的操作误将其移动;而对于其他元器件的位
置安排, 必须同时兼顾布线的布通率和电气性能的优化, 以及今后的生产工艺和造价等多
方面因素.所谓的“兼顾”往往是对设计工作人员水平和经验的挑战。
1.1 特殊元件的布局原则
①应当尽可能地缩短元器件之间的连线, 设法减小它们的分布参数和相互之间的电磁干
扰。那些易受电磁干扰的元器件不能挨得太近,输入和输出元件应尽量彼此远离。
②某些元器件或导线之间可能有较高的电位差, 因此应加大它们之间的距离, 以避免放
电而引起意外的短路; 同时从安全的角度考虑, 带高压的元器件应尽量布置在调试时手不易
触及的地方。
③对于质量超过 15g 的兀器件, 应当使用支架加以固定后, 再进行焊接。 那些又大又重、
发热量大的元器件,不宜装在印制板上,而应装在整机的机箱底板上;且要考虑散热问题,
热敏元器件应当远离发热元件。
④对于电位器、可凋电感线、可变电容器、微动开关等可调元件的布局,应考虑整机的
结构要求。若是机内调节,则应放在印制板上方便调节的地方;若是机外调节,则其位置要
与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。
1.2 普通元器件的布局
①按照电路的流程安排各个电路单元的位置, 使布局便于信号的流通, 并且尽量使信号
能够保持一致的方向。
②以每个功能电路的核心元件为中心,围绕它来进行布局。元器件应当均匀、整齐、紧
凑地排列在 PCB 上.尽量减少和缩短各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。一般情况下,电路应尽可能使
元器件平行排列,不仅可以达到美观的效果,而且易于装焊和批量生产。
④位于电路板边缘的元器件, 离电路板边缘一般不小于 2mm; 电路板的佳形状为矩形,
其长宽比可为 3:2 或 4:3。当电路板面尺寸大于 200mm×150mm 时,应考虑电路板所承受
的机械强度。若在实际设计过程中,开始时并不能确定 PCB 板所需的尺寸,则可以设计得稍
微大一些。 待 PCB 设计工作结束后, 可在 Protel DXP 中选择 Design→Board Shape→Redefine
Board Shape 操作,对原先的 PCB 进行适当的裁剪。
另外,根据本人的实际工作经验,若要对已有的电路板进行某些功能的扩充或缩减,需
要重新设计新的 PCB,则在实际布局时可以参照母板上的布局,通过手工方式将元器件安排
在恰当的位置上;在布线过程中,再根据实际需要进行调整,以进一步提高布通率。
2 布线
布线是在布局之后,通过设汁铜箔的走线图,按照原理图连通所有的走线。显然,布局
的合理程度将直接影响到布线的成功率, 因而往往在布线的整个过程中, 都需要对布局进行
适当的调整。布线设计可以采用双层走线和单层走线;对于极其复杂的设计,也可以考虑多
层布线方案。
在 PCB 设计中,布线足完成产品设计的重要步骤。可以这样说,前面各项准备工作都是
为它而做的。PCB 布线有单面布线、双面布线和多层布线。布线的方式有两种:自动布线和
交互式布线。
在 PCB 设计中,设计人员往往希望能够采用自动布线的方式。在通常情况下,对于纯数
字信号电路板(尤其信号电平比较低, 电路板密度比较小时)采用自动布线是没有问题的。 但
是,在设计模拟信号.混合信号或高速电路板时,如果也完全采用自动布线,可就要出问题
了,甚至可能带来严重的电路性能问题。
目前,虽然已经有一些自动布线的工具功能非常强大,通常可以达到 100%的布通率,
但是整体外观效果不是很美观, 有时连线排列杂乱无章, 两个引脚之间的连线并不是短(
优)路径。
对于电路相对比较复杂的设计, 请尽量不要完全采用自动布线方式。 建议在采用自动布
线之前, 首先采用交互式方式预先对那些要求比较严格的线进行布线。 同时输入端和输出端
的边线应避免相邻平行,以免产生反射干扰;两相邻层的布线要相互垂直,平行容易产生寄
生耦合,这一约束条件可以在布线规则中添加。
自动布线的布通率,依赖于良好的布局。布线规则要预先设定,包括走线的弯曲次数、
导通孔的数目和步进的数目等。一般先进行探索式市线,快速地把短线先连通;然后再进行
迷宫式布线,先把要布的线进行全局的布线路径优化,它可以根据需要断开已布的线,并重
新布线,以改进总体效果。
在手工布线时,为了确保正确实现电路,需要遵循一些通用的设计规则:尽量采用地平
面作为电流回路;将模拟地平面与数字地平面分开;如果地平面被信号线隔断,那么为减少
对地电流回路的干扰,应使信号走线与地平面垂直;模拟电路尽量靠近电路扳边缘放置,数
字电路尽量靠近电源连接端放置,这样做町以减小由数字开关引起的 di/dt 出效应。
3 PCB 电路及电路抗干扰措施
抗干扰设计与具体电路有着密切的关系,也是一个很复杂的技术问题。这里结合在 PCB
设计过程中的经验做一些简单的介绍。
①电源线的设计。根据 PCB 电流的大小,尽量加粗电源线的宽度(在布线设计规则中,
可以单独为电源线和地线的线宽做新的约束规则),减少环路电阻,尤其要注意使电源线、
地线的供电方向与数据、信号的传递方向相反,有助于增强抗噪声能力。
②地线的设计。 地线既是特殊的电源线, 又是信号线。 除了要遵循电源线的设计原则外,
还应做到:数字地与模拟地分开;若线路板上既有逻辑电路又有线性电路,则应使它们尽量
分开; 低频电路的地应尽量采用单点并联接地, 实际布线有困难时可部分串联后再并联接地;
高频电路宜采用多点串联接地, 地线应短而粗, 高频元件周围尽量用栅格状进行大面积地敷
铜;尽量加宽电源和地线宽度,好是地线要比电源线宽一些,它们的宽度关系是,地线>
电源线>信号线。
③数字电路系统的接地构成闭环路,即构成一个地网,能提高抗噪声能力。
④数字电流不应流经模拟器件,高速电流不应流经低速器件。
⑤在电源地线之间加上去耦电容,以提高电源回路的抗干扰能力。
4 具体实例
以下实例是基于 ARM、自主移动的嵌入式系统核心板的 PCB 设计
4.1 核心板原理图
在核心板原理图中,核心元件为 S3C44BOX。该元件是一款高性能的 16/32 位 RISC 微
处理器,66MHz 的主频,内部集成了 LCD 控制器,适用于手持设备,采用 160-QFP 封装。在
该系统中, 电源电路需要使用 5V 和 3. 3V 的直流稳压电源, 其中 S3C44BOX 使用 2. 5V 电源,
外围器件需 3.3V 电源,其他部分器件需 5V 电源;晶振电路用于向 CPU 以及其他电路提供
工作时钟,S3C44BOX 使用常用的无源晶振;U6、U7 和 U9 构成此系统的存储系统。
4.2 四层电路板布线规则
①本 PCB 设计使用的软件工具为 Protel DXP。该核心板为四层电路板,顶层和底层为
信号层,中间哺层分别为电源层和地层。顶层和底层的 PCB 图如图 2 和图 3 所示。
②母板的原始 PCB 尺寸为 55mm×70mm,但在实际设计过程中,若也将 PCB 尺寸设计
此值,则在布线过程中会遇到难以布通的实际困难,因此先将板尺寸设计得稍微大一些,在
布线成功之后,选择 Design→Board Shape→Redefine Roard Shape 对 PCB 板进行裁剪。
③在由原理图生成 PCB 图时,通过手工的方式,将一些要求比较严格的元器件(U5、U6、
U7 和 U9)放置在适当的位置,并将其锁定;同时要将晶振放置在 U5 的附近。在摆放其他元
器件时也要注意元器件之间的距离,如果两个元器件距离太近,则会产生干扰,并呈绿色显
示。
④在系统中,S3C44BOX 的片内工作频率为 66MHz。因此,在印刷电路板设计过程中,
应该遵循一些高频电路的设计基本原则,否则会使系统工作不稳定甚至不能正常工作。
⑤对于目前高密度的 PCB 设计, 已经感觉到贯通孔不太适应了, 浪费了许多宝贵的布线
通道。为解决这一矛盾,出现了盲孔和埋孔技术,它不仅实现了导通孔的作用,而且还省出
许多布线通道,使布线过程完成得更加方便、流畅,更加完善。在大多数教程中,也提倡在
多层电路板设计中采用盲孔和埋孔技术。 这样做虽然可以使布线工作变得容易, 但是同时
也增加了 PCB 设计的成本。 因此是否选取此技术, 要根据实际的电路复杂程度及经济能力来
决定。笔者在设计四层板的过程中并没有采用此技术,如果觉得贯通孔数目太多,则可以在
布线前在布线规则中限制打孔的上限值。
⑥在布线前, 预先在布线规则中设置顶层采用水平布线, 而底层则采用垂直布线的方式。
这样做可以使顶层和底层布线相互垂直, 从而避免产生寄生耦合; 同时在引脚间的连线拐弯
处尽避免使用直角或锐角,因为它们在高频电路中会影响电气性能。
⑦PCB 设计采用交互式布线方式。首先对元器件 J1、J2 与 U5 之间的引脚连线手工进行
预布线,在微处理器的输入/输出信号中,有相当一部分是相同类型的,如数据线、地址线
和信号线。对于这些相同类型的信号线应该成组、平行分布,并注意它们之间的长短差异不
要太大,这样既可以减小干扰,增强系统的稳定性,又可以使布线变得简单,印刷电路板
外观更加整齐美观。 然后对其余元器件采用自动布线(其问可以尝试不同的布线策略), 当布
线成功之后,对一些不理想的布线可以进行修改、优化。
⑧布线设计完成后, 须认真检查布线设计是否符合设计者所制定的规则, 同时电需要确
认所制定的规则是否符合印制板生产工艺的需求;然后对焊盘补泪滴,使焊盘不容易起皮,
走线与焊盘不易断开;后对印制线路板上进行大面积敷铜,这样有利于散热和屏蔽,减小
干扰。 由于印制线路板板材的基板与铜箔间的粘合剂在浸焊或长时间受热时, 会产生挥发性
气体无法排除,热量不易散发,以致产生铜箔膨胀、脱落现象,因此在大面积敷制时,应将
其开窗口设计成网状。
结语
本文中主要介绍丁有关电路板的 PcB 没汁过程以及注意事项, 并将亲身设计经验和大家
共同分享, 但由于本人能力有限, 尚存在许多不足之处, 望能够得到专业人士的指正和赐教。
总之,PCB 板的没计过程是一个既复杂而又简单的过程,还需广大电子工程设计人员自己去
体会,才能得到其中的真谛。
来源:四层电路板的 PCB 设计

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