開發(fā)線路板印制1.布局首先,要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過大時(shí),印制線條長(zhǎng),阻抗增加,抗噪聲能力下降,成本也增加;過小,線路板印制加工廠則散熱不好,且鄰近線條易受干擾。在確定PCB尺寸后.再確定特殊元件的位置。最后,根據(jù)電路的功能單元,對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局。在確定特殊元件的位置時(shí)要遵守以下原則:(1)盡可能縮短高頻元器件之間的連線,設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近,輸入和輸出元件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。(2)某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差,應(yīng)加大它們之間的距離,以免放電引出意外短路。帶高電壓的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時(shí)手不易觸及的地方。(3)應(yīng)留出印制扳定位孔及固定支架所占用的位置。根據(jù)電路的功能單元.對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局時(shí),要符合以下原則:(1)按照電路的流程安排各個(gè)功能電路單元的位置,使布局便于信號(hào)流通,并使信號(hào)盡可能保持一致的方向。(2)以每個(gè)功能電路的核心元件為中心,圍繞它來進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上.盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。(3)在高頻下工作的電路,要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列。這樣,不但美觀.而且裝焊容易.易于批量生產(chǎn)。(4)位于電路板邊緣的元器件,離電路板邊緣一般不小于2mm。電路板的最佳形狀為矩形。
隨著集成電路輸出開關(guān)速度提高以及PCB板密度增加,信號(hào)完整性已經(jīng)成為高速數(shù)字PCB設(shè)計(jì)必須關(guān)心的問題之一。元器件和PCB板的參數(shù)、元器件在PCB板上的布局、高速信號(hào)的布線等因素,都會(huì)引起信號(hào)完整性問題,導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定,甚至完全不工作。如何在PCB板的設(shè)計(jì)過程中充分考慮到信號(hào)完整性的因素,并采取有效的控制措施,已經(jīng)成為當(dāng)今PCB設(shè)計(jì)業(yè)界中的一個(gè)熱門課題?;谛盘?hào)完整性計(jì)算機(jī)分析的高速數(shù)字PCB板設(shè)計(jì)方法能有效地實(shí)現(xiàn)PCB設(shè)計(jì)的信號(hào)完整性。1. 信號(hào)完整性問題概述信號(hào)完整性(SI)是指信號(hào)在電路中以正確的時(shí)序和電壓作出響應(yīng)的能力。如果電路中信號(hào)能夠以要求的時(shí)序、持續(xù)時(shí)間和電壓幅度到達(dá)IC,則該電路具有較好的信號(hào)完整性。反之,當(dāng)信號(hào)不能正常響應(yīng)時(shí),就出現(xiàn)了信號(hào)完整性問題。從廣義上講,信號(hào)完整性問題主要表現(xiàn)為5個(gè)方面:延遲、反射、串?dāng)_、同步切換噪聲(SSN)和電磁兼容性(EMI)。延遲是指信號(hào)在PCB板的導(dǎo)線上以有限的速度傳輸,信號(hào)從發(fā)送端發(fā)出到達(dá)接收端,其間存在一個(gè)傳輸延遲。信號(hào)的延遲會(huì)對(duì)系統(tǒng)的時(shí)序產(chǎn)生影響,在高速數(shù)字系統(tǒng)中,傳輸延遲主要取決于導(dǎo)線的長(zhǎng)度和導(dǎo)線周圍介質(zhì)的介電常數(shù)。另外,當(dāng)PCB板上導(dǎo)線(高速數(shù)字系統(tǒng)中稱為傳輸線)的特征阻抗與負(fù)載阻抗不匹配時(shí),信號(hào)到達(dá)接收端后有一部分能量將沿著傳輸線反射回去,使信號(hào)波形發(fā)生畸變,甚至出現(xiàn)信號(hào)的過沖和下沖。信號(hào)如果在傳輸線上來回反射,就會(huì)產(chǎn)生振鈴和環(huán)繞振蕩。
一、快速確定PCB外形設(shè)計(jì)PCB先要確定電路板的外形,通常就是在禁止布線層畫出電氣的布線范圍。除非有特殊要求,一般電路板的形狀都為矩形,長(zhǎng)寬比一般為3:2或者4:3較為理想。在畫之前可以任意畫出兩條橫線和兩條豎線,然后利用“放置工具條”里的“設(shè)置原點(diǎn)”工具將某一條線段的端點(diǎn)設(shè)為原點(diǎn)即坐標(biāo)為(0,0),之后雙擊每一條線段,對(duì)其起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)值進(jìn)行相應(yīng)的更改,使4條線段首尾相接,形成一個(gè)封閉的矩形框,電路板的外型確定也就完成了。如果在畫圖的過程中需要調(diào)整電路板的大小,只要修改每條線段的相應(yīng)坐標(biāo)值即可。從成本、敷銅線長(zhǎng)度、抗噪聲能力考慮,電路板尺寸越小越好,但是板尺寸太小,則散熱不良,且相鄰的導(dǎo)線容易引起干擾。不過,當(dāng)電路板的尺寸大于200mm×150mm時(shí),應(yīng)該考慮電路板的機(jī)械強(qiáng)度,適當(dāng)加裝固定孔,以便起到支撐的作用。二、元件布局開始布局之前首先要通過網(wǎng)絡(luò)表載入元器件,這個(gè)過程中經(jīng)常會(huì)遇到網(wǎng)絡(luò)表無法完全載入的錯(cuò)誤,主要可歸為兩類:一類是找不到元件,解決方法是確認(rèn)原理圖中已定義元件的封裝形式,并確認(rèn)已添加相應(yīng)的PCB元件庫(kù),若仍找不到元件就要自己造一個(gè)元件封裝了;另一類是丟失引腳,最常見的就是二極管、三極管的引腳丟失,這是由于原理圖中的引腳一般是字母A、K、E、B、C,而PCB元件的引腳則是數(shù)字1、2、3,解決方法就是更改原理圖的定義,或者更改PCB元件的定義使其一致即可。有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者一般都會(huì)根據(jù)實(shí)際元件的封裝外形建立一個(gè)自己的PCB元件庫(kù),使用方便而且不易出錯(cuò)。進(jìn)行布局時(shí),必須要遵循一些基本規(guī)則:(1)特殊元件特殊考慮高頻元件之間要盡量靠近,連線越短越好;具有高電位差的元件之間距離盡量加大;重量大的元器件應(yīng)該有支架固定;發(fā)熱的元件應(yīng)遠(yuǎn)離熱敏元件并加裝相應(yīng)的散熱片或置于板外;電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容、微動(dòng)開關(guān)等可調(diào)元件的布局應(yīng)該考慮整機(jī)的結(jié)構(gòu)要求,以方便調(diào)節(jié)為準(zhǔn)。總之,一些特殊的元器件在布局時(shí)要從元件本身的特性、機(jī)箱的結(jié)構(gòu)、維修調(diào)試的方便性等多方面綜合考慮,以保證做出一塊穩(wěn)定、好用的PCB板。
這里主要是說了從PCB設(shè)計(jì)封裝來解析選擇元件的技巧。元件的封裝包含很多信息,包含元件的尺寸,特別是引腳的相對(duì)位置關(guān)系,還有元件的焊盤類型。當(dāng)然我們根據(jù)元件封裝選擇元件時(shí)還有一個(gè)要注意的地方是要考慮元件的外形尺寸。引腳位置關(guān)系:主要是指我們需要將實(shí)際的元件的引腳和PCB元件的封裝的尺寸對(duì)應(yīng)起來。我們選擇不同的元件,雖然功能相同,但是元件的封裝很可能不一樣。我們需要保證PCB焊盤尺寸位置正確才能保證元件能正確焊接。焊盤的選擇:這個(gè)是我們需要考慮的比較多的地方。首先包括焊盤的類型。其類型包括兩種,一是電鍍通孔,一種是表貼類型。我們需要考慮的因素有器件成本、可用性、器件面積密度和功耗等因數(shù)。從制造角度看,表貼器件通常要比通孔器件便宜,而且一般可用性較高。對(duì)于我們一般設(shè)計(jì)來說,我們選擇表貼元件,不僅方便手工焊接,而且有利于查錯(cuò)和調(diào)試過程中更好的連接焊盤和信號(hào)。其次我們還應(yīng)該注意焊盤的位置。因?yàn)椴煌奈恢?,就代表元件?shí)際當(dāng)中不同的位置。我們?nèi)绻缓侠戆才藕副P的位置,很有可能就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)區(qū)域元件過密,而另外一個(gè)區(qū)域元件很稀疏的情況,當(dāng)然情況更糟糕的是由于焊盤位置過近,導(dǎo)致元件之間空隙過小而無法焊接,下面就是我失敗的一個(gè)例子,我在一個(gè)光耦開關(guān)旁邊開了通孔,但是由于它們的位置過近,導(dǎo)致光耦開關(guān)焊接上去以后,通孔無法再放置螺絲了。
如果阻抗變化只發(fā)生一次,例如線寬從8mil變到6mil后,一直保持6mil寬度這種情況,要達(dá)到突變處信號(hào)反射噪聲不超過電壓擺幅的5%這一噪聲預(yù)算要求,阻抗變化必須小于10%。這有時(shí)很難做到,以 FR4板材上微帶線的情況為例,我們計(jì)算一下。如果線寬8mil,線條和參考平面之間的厚度為4mil,特性阻抗為46.5歐姆。線寬變化到6mil后特性阻抗變成54.2歐姆,阻抗變化率達(dá)到了20%。反射信號(hào)的幅度必然超標(biāo)。至于對(duì)信號(hào)造成多大影響,還和信號(hào)上升時(shí)間和驅(qū)動(dòng)端到反射點(diǎn)處信號(hào)的時(shí)延有關(guān)。但至少這是一個(gè)潛在的問題點(diǎn)。幸運(yùn)的是這時(shí)可以通過阻抗匹配端接解決問題。如果阻抗變化發(fā)生兩次,例如線寬從8mil變到6mil后,拉出2cm后又變回8mil。那么在2cm長(zhǎng)6mil寬線條的兩個(gè)端點(diǎn)處都會(huì)發(fā)生反射,一次是阻抗變大,發(fā)生正反射,接著阻抗變小,發(fā)生負(fù)反射。如果兩次反射間隔時(shí)間足夠短,兩次反射就有可能相互抵消,從而減小影響。假設(shè)傳輸信號(hào)為1V,第Y次正反射有0.2V被反射,1.2V繼續(xù)向前傳輸,第二次反射有 -0.2*1.2 = 0.24v被反射回。再假設(shè)6mil線長(zhǎng)度極短,兩次反射幾乎同時(shí)發(fā)生,那么總的反射電壓只有0.04V,小于5%這一噪聲預(yù)算要求。因此,這種反射是否影響信號(hào),有多大影響,和阻抗變化處的時(shí)延以及信號(hào)上升時(shí)間有關(guān)。研究及實(shí)驗(yàn)表明,只要阻抗變化處的時(shí)延小于信號(hào)上升時(shí)間的20%,反射信號(hào)就不會(huì)造成問題。如果信號(hào)上升時(shí)間為1ns,那么阻抗變化處的時(shí)延小于0.2ns對(duì)應(yīng)1.2英寸,反射就不會(huì)產(chǎn)生問題。也就是說,對(duì)于本例情況,6mil寬走線的長(zhǎng)度只要小于3cm就不會(huì)有問題。