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電路板布線設計原則

2020-03-22

印制電路板是以絕緣基板為材料,按一定的尺寸進行切割,其上至少有一個用銅膜導線印制連接的導電圖形,并且具有加工好的元件安裝孔和電路板安裝孔,其目的是用來安裝電子元器件和固定電路板,以實現電子元器件的連接。電路板主要的作用是固定和安裝各種元器件、實現元器件之間的電氣連接以及標注注釋文字。

隨著電子系統的盛行,其高密度、高頻率以及高集成等特點的電路板越來越多。當前許多電子工程師必然會經歷PCB印制電路板的設計。與此同時,因為科技的發展,當前對印制電路板的要求越來越苛刻,其要求的布線工藝越來越高。

一、印制電路板的種類

根據印制電路板板層劃分為:

(1)單面板:在電路板的一面放置電子元器件,在另一面對元件進行焊接,適用于電子元器件較少的電子電路。

(2)雙面板:在電路板的兩面均可以放置元器件、焊接元件,適用于電子元器件較多的電路。

(3)多層板:由絕緣材料層層壓粘合及導電圖形層合成,一般層數在兩層以上,并用金屬化過孔實現層間電氣的相互連接性,其印制板工藝制作復雜,它常用于計算機的板卡中。

二、電路板設計中的基本組件

(1)板層:分為敷銅層和非敷銅層。

(2)焊盤:用于元器件引腳的焊接,有圓形、方形等形狀。

(3)過孔:作為連接各個電路板層之間的印制導線,一般存在于雙面板和多層板之間,在導線的連接交匯地方進行鉆孔,具有公用性特征。

(4)封裝:焊接電路板時,確定出封裝的位置和區域,元件封裝的命名一般與管腳間距或管腳數有關。

(5)安全間距:在設計時,必須在導線、過孔、焊盤和元件之間留有足夠的間距,防止各個元器件之間相互干擾,出現一些不安全隱患。

(6)網絡表:通常從電路原理圖中獲取,主要的作用是連接PCB設計和原理圖,體現電路中元器件之間的屬性和電氣元件之間的關系。

(7)飛線:要求供布線者要確保網絡飛線是用來連接虛擬線應用的,把握好網絡連接關系,避免出現混淆現象發生。

三、印制電路板設計原理圖

設計原理圖是電路板設計的最初項目也是最重要的環節之一。優秀的設計原理圖能夠使后續的PCB電路板的設計打下殷實基礎。經過筆者調查,許多設計者為了減少工作量,便省去了PCB電路板的設計,這樣的方式一方面是極容易養成非常惡劣的設計習慣,另一方面在設計較為復雜的電路時,出現錯誤是難免的。對此,原理圖的設計非常重要,首先需要保障原理圖的合理性,才能夠保障之后電路板的性能正常性,如此才能夠制作有用的電路板。

四、印制電路板網絡與元器件的加載

在網絡與元器件加載之前,首先需要保障PCB板的邊框,PCB板的邊框必須是大小正好符合。此外,還需要保障之后的安裝過程中不會發生任何問題。其次,還需要保障元件的分布位置具備合理性、方便性以及易修改性。在邊框確定并安裝之后,需要將元件與元件之間的網絡連接加載到邊框當中。在這個過程中,必須要保障元件一直處于封裝的形式。因為只有封裝形式的元器件才能夠保障元器件的焊盤、外觀大小尺寸的合理性,只有在保障元器件的尺寸合理性之后才能夠保障電路板之后的正確安裝性能。

五、印制電路板布局和布線原則

總電路原理圖繪制完成后,因為原理圖中的各個元器件都使用的是圖形符號,從原理上是能實現的,但是在制作電路板時,使用的卻是真正的元器件實物,對于元器件的外形尺寸、特性參數等方面均有區別,若是在印制電路板布局過程中,元件布局不合理或走線存在問題,都會大大影像電路的使用性能,甚至出現一些安全隱患,無法實現預期功能,筆者通過自身多年實踐工作經驗,以及自身對印制電路的了解,總結并歸納出一些印制電路板布局和布線的原則,具體包含以下幾點。

1、印制電路板布局原則

印制電路板布局的原則主要包含兩大原則:

(1)元件排列原則。通常遇到元件比較少時,在布局時可以將元件布置在同一印制板上,還可以將同類元件盡量要集中放置;對一些具有較高電位差的元器件或者是導線在布局過程中,布線人員要拉大元器件或者是導線之間的距離,避免出現不安全隱患發生;布局要注意均勻性,防止線路交叉。

(2)按照信號走向布局原則,一般按照各個元器件功能模塊電路單元設置信號流通方向,在布局中,以元件為核心進行,確保電路信號流通方向的一致性,在布局中,要防止電磁干擾,對輻射電磁場較強或對電磁感應較靈敏的元件,應增大它們之間的間距或對個別元件進行屏蔽,且元件的擺放方向應與周圍的印制導線交叉,對于會產生磁場的元器件,布局時應考慮磁力線對印制導線的切割,相鄰元件的磁場方向應設置為相互垂直,以減少彼此間的耦合。

2、印制電路板布線原則

(1)基本布線方法。通常印制電路板布線方法主要有直接布線和X-Y坐標布線法兩種。

(2)印制板布線的一般原則。板層選擇原則:元件較多時,為了電路板的尺寸不致過大,應選用雙面板,在仍不能滿足設計要求時才選用多層板,元件比較少時要選用單面板;導線寬度設置原則:根據導線與絕緣基板之間的粘附強度和電流值確定導線的具體寬度,通常二者之間的寬度小于彼此連接的焊盤的直徑,控制好導線間距;走線信號線的布線原則:通常在輸入端和輸出端布線時要最大限度留有平行信號之間的間距,起到一定的屏蔽作用,避免信號交叉現象發生,此外在信號線路布線時,針對信號線比較高的線路,要盡可能加大導線之間的距離,對布線密度小的線路,在布線時可以通過加粗導線來達到增強信號的目的。

六、印制電路板布線設計方法

元件的布局必須要按照先關鍵后次要、先大后小的原則,先安裝有位置要求的元器件為主要的元件布局原則。在布局過程中,除了考慮布線不會影響電路板的工作效率以外,還需要對加工、測試等問題進行多方面的考慮,盡可能的方便后續的整改,權衡多個方面的影響因素,保障其能夠達到最佳的效果。

PCB的布線有雙面布線、單面布線以及多層布線。布線的主要方式有兩種:交互式布線與自動布線。依據筆者經驗,主要有以下幾個布線技巧:

(1)必須要保障電源線與地線之間不會沖突。地線與電源線之問極有可能產生噪音,這些噪音將會對電路板的性能造成極大程度的影響,為了盡可能的降低這些噪音對電路板的影響,可以通過3種方式改變。一種方式為,盡量將電源線與地線之間的距離增大,第二種方式為,在數字電路當中,可以將地線做成一個回路,利用地網的形式消除噪音,第三種方式為,可以在PCB板的空余地方將地線敷上一層銅,利用銅的隔絕效果降低噪音。對于數字電路與模擬電路而言,最好的方式便是設計獨立地線,這樣能夠從根本上降低噪音。

(2)對于頻率較高的電路而言,普遍會呈現布線密度較高、集成程度較高的情況,對此,便可以使用多層板的方式設計電路板。與此同時,因為頻率較高的元器件的管腳越短越好,所以多層板的使用效果非常好。

(3)在對兩面板進行布線時,兩面板的導線最好呈現為彎曲走線或者垂直走線,盡可能避免出現平行的現象,平行極容易出現寄生耦合,這樣的方式極容易造成元器件之間的干擾。

(4)對于單面板而言,可以盡可能的擴大焊盤,與焊盤連接的線也盡量可以增粗,最好能夠補上幾個淚滴。除此之外,元器件與走線盡可能不要靠得過近,這樣的布線方式也便于之后的工藝能夠順利開展。

(5)在多層印制板的布線當中,因為信號線層的線并不多,其在加層數就會造成浪費并且也會提升較多的工作量,其成本也會提升不少。對此,為了有效的解決這一問題,可以考慮在地層或電層上進行布線。如果條件允許,可以優先在電源層進行布線;如果條件不允許,再在地層進行布線。因為在印制電路板的設計中,最好保障地層的完整。

(6)在走線轉彎的時,盡可能保障彎度大于直角,不得出現9O以下的拐角,也盡量不要使用90度拐角。

(7)當期那有許多的印制電路板都是由模擬電路與數字電路混合組成的。其因為在布線過程中,特別需要考慮電路之間的干擾問題,尤其是地線上的干擾信號。數字電路的頻率相對模擬電路會高出許多,但是模擬電路的敏感性又比前者高出許多。對于干擾信號而言,高頻率的信號線需要盡可能遠離較為敏感的模擬電路元器件。而對于地線而言,整個印制電路板對于外界而言只有一個結點,對此,就必須在PCB內部解決處理數、模共地的問題。但是,在印制電路板中模擬地線與數字地線是分開并且不相連的,只有在外界連接接口處與印制電路板有一點短接。

(8)印制電路板的布線過程中,必須要考慮網格系統的合理性,如果網格太過疏散,則會使用大量的資源,浪費資源。但是如果網絡太過密集,雖然能夠節省一定的資源,但是其對電路板的運行效果有非常大的影響,其主要會印象運行中的散熱以及運行速度。由此可見,在印制電路板的布線過程中,必須要嚴格考慮網絡的疏密程度。

(9)除以上多個布線技巧以外,還需要考慮調試、生產的便利性,確保印制電路板的布線符合實際,具備實用性。

總結

綜上所述,通過以上多個步驟布線完成之后,不能直接進入使用,必須需要經過全面、認真的檢查,檢查布線的最終情況是否合理,是否與使用者所需要的規定相符合。與此同時,還需要保障使用者的要求與印制板生產工藝沒有沖突,及時發現錯誤以及不足的地方,并采用針對性方案進行修改,在確認無誤之后便可以投入使用。

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