PCB設(shè)計(jì) (PCB design)
PCB設(shè)計(jì) 圖
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PCB設(shè)計(jì)是以電路原理圖為根據(jù)，實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)者所需要的功能。PCB設(shè)計(jì)主要指版圖設(shè)計(jì)，需要考慮外部連接的布局，內(nèi)部電子元件的優(yōu)化布局，金屬連線和通孔的優(yōu)化布局，電磁保護(hù)，熱耗散等各種因素。優(yōu)秀的版圖設(shè)計(jì)可以節(jié)約生產(chǎn)成本，達(dá)到良好的電路性能和散熱性能。簡單的版圖設(shè)計(jì)可以用手工實(shí)現(xiàn)，復(fù)雜的版圖設(shè)計(jì)需要借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)實(shí)現(xiàn)。
目錄
1 PCB設(shè)計(jì)簡介
在PCB設(shè)計(jì)中，元器件布局和電路連接的布線是關(guān)鍵的兩個(gè)環(huán)節(jié)。
布局，是把電路器件放在印制電路板布線區(qū)內(nèi)。布局是否合理不僅影響后面的布線工作，而且對(duì)整個(gè)電路板的性能也有重要影響。在保證電路功能和性能指標(biāo)后，要滿足工藝性、檢測和維修方面的要求，元件應(yīng)均勻、整齊、緊湊布放在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接，以得到均勻的組裝密度。
按電路流程安排各個(gè)功能電路單元的位置，輸入和輸出信號(hào)、高電平和低電平部分盡可能不交叉，信號(hào)傳輸路線最短。
元器件的位置應(yīng)按電源電壓、數(shù)字及模擬電路、速度快慢、電流大小等進(jìn)行分組，以免相互干擾。
電路板上同時(shí)安裝數(shù)字電路和模擬電路時(shí)，兩種電路的地線和供電系統(tǒng)完全分開，有條件時(shí)將數(shù)字電路和模擬電路安排在不同層內(nèi)。電路板上需要布置快速、中速和低速邏輯電路時(shí)，應(yīng)安放在緊靠連接器范圍內(nèi)；而低速邏輯和存儲(chǔ)器，應(yīng)安放在遠(yuǎn)離連接器范圍內(nèi)。這樣，有利于減小共阻抗耦合、輻射和交擾的減小。時(shí)鐘電路和高頻電路是主要的騷擾輻射源，一定要單獨(dú)安排，遠(yuǎn)離敏感電路。
熱磁兼顧：發(fā)熱元件與熱敏元件盡可能遠(yuǎn)離，要考慮電磁兼容的影響。
2 PCB設(shè)計(jì)步驟
電路原理圖的設(shè)計(jì)是整個(gè)電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它的設(shè)計(jì)的好壞直接決定后面PCB設(shè)計(jì)的效果。一般來說，電路原理圖的設(shè)計(jì)如下：
第一步，啟動(dòng)ProtelDXP原理圖編輯器
第二步，設(shè)置電路原理圖的大小與版面
第三步，從元件庫取出所需元件放置在工作平面
第四步，根據(jù)設(shè)計(jì)需要連接元器件
第五步，對(duì)布線后的元器件進(jìn)行調(diào)整
第六步，保存已繪好的原理圖文檔
第七步，打印輸出圖紙
3 PCB設(shè)計(jì)布局檢查
1、電路板尺寸和圖紙要求加工尺寸是否相符合。
2、元器件的布局是否均衡、排列整齊、是否已經(jīng)全部布完。
3、各個(gè)層面有無沖突。如元器件、外框、需要私印的層面是否合理。
4、常用到的元器件是否方便使用。如開關(guān)、插件板插入設(shè)備、須經(jīng)常更換的元器件等。
5、熱敏元器件與發(fā)熱元器件距離是否合理。
6、散熱性是否良好。
7、線路的干擾問題是否需要考慮。
4 PCB設(shè)計(jì)主要順序
系統(tǒng)規(guī)格：首先要先規(guī)劃出該電子設(shè)備的各項(xiàng)系統(tǒng)規(guī)格。包含了系統(tǒng)功能，成本限制，大小，運(yùn)作情形等等。
功能區(qū)塊：接下來必須要制作出系統(tǒng)的功能方塊圖。方塊間的關(guān)系也必須要標(biāo)示出來。將系統(tǒng)分割幾個(gè)PCB 將系統(tǒng)分割數(shù)個(gè)PCB的話，不僅在尺寸上可以縮小，也可以讓系統(tǒng)具有升級(jí)與交換零件的能力。系統(tǒng)功能方塊圖就提供了我們分割的依據(jù)。像是計(jì)算機(jī)就可以分成主機(jī)板、顯示卡、聲卡、軟盤驅(qū)動(dòng)器和電源等等。
決定使用封裝方法，和各PCB的大小 當(dāng)各PCB使用的技術(shù)和電路數(shù)量都決定好了，接下來就是決定板子的大小了。如果PCB設(shè)計(jì)的過大，那么封裝技術(shù)就要改變，或是重新作分割的動(dòng)作。在選擇技術(shù)時(shí)，也要將線路圖的品質(zhì)與速度都考量進(jìn)去。
5 PCB設(shè)計(jì)的一般原則
PCB設(shè)計(jì)特殊元器件布局
首先，要考慮PCB尺寸的大小：PCB尺寸過大時(shí)，印刷線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加;過小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。在確定PCB尺寸后，再確定特殊元器件的位置。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。
在確定特殊元器件的位置時(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 重量超過15 g的元器件，應(yīng)當(dāng)用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、發(fā)熱量多的元器件，不宜裝在印刷板上，而應(yīng)裝在整機(jī)的機(jī)箱底板上，且應(yīng)考慮散熱問題。熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。
④ 對(duì)于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動(dòng)開關(guān)等可調(diào)元件的布局，應(yīng)考慮整機(jī)的結(jié)構(gòu)要求。若是機(jī)內(nèi)調(diào)節(jié)，應(yīng)放在印刷板上方便調(diào)節(jié)的地方;若是機(jī)外調(diào)節(jié)，其位置要與調(diào)節(jié)旋鈕在機(jī)箱面板上的位置相適應(yīng)。
⑤ 留出印刷板定位孔及固定支架所占用的位置。
PCB設(shè)計(jì)一般元器件布局
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2 mm。電路板的最佳形狀為矩形。長寬比為3:2或4:3。電路板面尺寸大于200 mm×150 mm時(shí)，應(yīng)考慮電路板所受的機(jī)械強(qiáng)度。
PCB設(shè)計(jì)布線
布線的原則如下：
① 輸入輸出端用的導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行，最好加線間地線，以免發(fā)生反饋耦合。
② 印刷板導(dǎo)線的最小寬度主要由導(dǎo)線與絕緣基板間的粘附強(qiáng)度和流過它們的電流值決定。當(dāng)銅箔厚度為0.5 mm、寬度為1～15 mm時(shí)，通過2 A的電流，溫升不會(huì)高于3℃。因此，導(dǎo)線寬度為1.5 mm可滿足要求。對(duì)于集成電路，尤其是數(shù)字電路，通常選0.02～0.3 mm導(dǎo)線寬度。當(dāng)然，只要允許，還是盡可能用寬線，尤其是電源線和地線。導(dǎo)線的最小間距主要由最壞情況下的線間絕緣電阻和擊穿電壓決定。對(duì)于集成電路，尤其是數(shù)字電路，只要工藝允許，可使間距小于0.1～0.2 mm。
③ 印刷導(dǎo)線拐彎處一般取圓弧形，而直角或夾角在高頻電路中會(huì)影響電氣性能。此外，盡量避免使用大面積銅箔，否則，長時(shí)間受熱時(shí)，易發(fā)生銅箔膨脹和脫落現(xiàn)象。必須用大面積銅箔時(shí)，最好用柵格狀，這樣有利于排除銅箔與基板間粘合劑受熱產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體。
PCB設(shè)計(jì)焊盤
焊盤中心孔要比器件引線直徑稍大一些。焊盤太大易形成虛焊。焊盤外徑D一般不小于（d+1.2） mm，其中d為引線孔徑。對(duì)高密度的數(shù)字電路，焊盤最小直徑可取（d+1.0） mm。
6 PCB設(shè)計(jì)相關(guān)概念
過孔：
一旦選用了過孔，務(wù)必處理好它與周邊各實(shí)體的間隙，特別是容易被忽視的中間各層與過孔不相連的線與過孔的間隙，如果是自動(dòng)布線，可在“過孔數(shù)量最小化” （ Via Minimiz8tion）子菜單里選擇“on”項(xiàng)來自動(dòng)解決。需要的載流量越大，所需的過孔尺寸越大，如電源層和地層與其它層聯(lián)接所用的過孔就要大一些。
絲印層：
為方便電路的安裝和維修等，在印刷板的上下兩表面印刷上所需要的標(biāo)志圖案和文字代號(hào)等，例如元件標(biāo)號(hào)和標(biāo)稱值、元件外廓形狀和廠家標(biāo)志、生產(chǎn)日期等等。不少初學(xué)者設(shè)計(jì)絲印層的有關(guān)內(nèi)容時(shí)，只注意文字符號(hào)放置得整齊美觀，忽略了實(shí)際制出的PCB效果。他們?cè)O(shè)計(jì)的印板上，字符不是被元件擋住就是侵入了助焊區(qū)域被抹賒，還有的把元件標(biāo)號(hào)打在相鄰元件上，如此種種的設(shè)計(jì)都將會(huì)給裝配和維修帶來很大不便。正確的絲印層字符布置原則是：”不出歧義，見縫插針，美觀大方”。
SMD封裝：
Protel封裝庫內(nèi)有大量SMD封裝，即表面焊裝器件。這類器件除體積小巧之外的最大特點(diǎn)是單面分布元引腳孔。因此，選用這類器件要定義好器件所在面，以免“丟失引腳（Missing Plns）”。另外，這類元件的有關(guān)文字標(biāo)注只能隨元件所在面放置。
填充區(qū)：
網(wǎng)格狀填充區(qū)（External Plane ）和填充區(qū)（Fill)
正如兩者的名字那樣，網(wǎng)絡(luò)狀填充區(qū)是把大面積的銅箔處理成網(wǎng)狀的，填充區(qū)僅是完整保留銅箔。初學(xué)者設(shè)計(jì)過程中在計(jì)算機(jī)上往往看不到二者的區(qū)別，實(shí)質(zhì)上，只要你把圖面放大后就一目了然了。正是由于平常不容易看出二者的區(qū)別，所以使用時(shí)更不注意對(duì)二者的區(qū)分，要強(qiáng)調(diào)的是，前者在電路特性上有較強(qiáng)的抑制高頻干擾的作用，適用于需做大面積填充的地方，特別是把某些區(qū)域當(dāng)做屏蔽區(qū)、分割區(qū)或大電流的電源線時(shí)尤為合適。后者多用于一般的線端部或轉(zhuǎn)折區(qū)等需要小面積填充的地方。
焊盤：
焊盤是PCB設(shè)計(jì)中最常接觸也是最重要的概念，但初學(xué)者卻容易忽視它的選擇和修正，在設(shè)計(jì)中千篇一律地使用圓形焊盤。選擇元件的焊盤類型要綜合考慮該元件的形狀、大小、布置形式、振動(dòng)和受熱情況、受力方向等因素。Protel在封裝庫中給出了一系列不同大小和形狀的焊盤，如圓、方、八角、圓方和定位用焊盤等，但有時(shí)這還不夠用，需要自己編輯。例如，對(duì)發(fā)熱且受力較大、電流較大的焊盤，可自行設(shè)計(jì)成“淚滴狀”，在大家熟悉的彩電PCB的行輸出變壓器引腳焊盤的設(shè)計(jì)中，不少廠家正是采用的這種形式。一般而言，自行編輯焊盤時(shí)除了以上所講的以外，還要考慮以下原則：
（1）形狀上長短不一致時(shí)要考慮連線寬度與焊盤特定邊長的大小差異不能過大；
（2）需要在元件引角之間走線時(shí)選用長短不對(duì)稱的焊盤往往事半功倍；
（3）各元件焊盤孔的大小要按元件引腳粗細(xì)分別編輯確定，原則是孔的尺寸比引腳直徑大0．2- 0．4毫米。
各類膜：
這些膜不僅是PB制作工藝過程中必不可少的，而且更是元件焊裝的必要條件。按“膜”所處的位置及其作用，“膜”可分為元件面（或焊接面）助焊膜（TOp or Bottom 和元件面（或焊接面）阻焊膜（TOp or BottomPaste Mask）兩類。顧名思義，助焊膜是涂于焊盤上，提高可焊性能的一層膜，也就是在綠色板子上比焊盤略大的各淺色圓斑。阻焊膜的情況正好相反，為了使制成的板子適應(yīng)波峰焊等焊接形式，要求板子上非焊盤處的銅箔不能粘錫，因此在焊盤以外的各部位都要涂覆一層涂料，用于阻止這些部位上錫。可見，這兩種膜是一種互補(bǔ)關(guān)系。由此討論，就不難確定菜單中類似“solder Mask En1argement”等項(xiàng)目的設(shè)置了。
飛線有兩重含義：
自動(dòng)布線時(shí)供觀察用的類似橡皮筋的網(wǎng)絡(luò)連線，在通過網(wǎng)絡(luò)表調(diào)入元件并做了初步布局后，用Show 命令就可以看到該布局下的網(wǎng)絡(luò)連線的交叉狀況，不斷調(diào)整元件的位置使這種交叉最少，以獲得最大的自動(dòng)布線的布通率。這一步很重要。另外，自動(dòng)布線結(jié)束，還有哪些網(wǎng)絡(luò)尚未布通，也可通過該功能來查找。找出未布通網(wǎng)絡(luò)之后，可用手工補(bǔ)償，實(shí)在補(bǔ)償不了就要用到“飛線”的第二層含義，就是在將來的印板上用導(dǎo)線連通這些網(wǎng)絡(luò)。如果該電路板是大批量自動(dòng)線生產(chǎn)，可將這種飛線視為0歐阻值、具有統(tǒng)一焊盤間距的電阻元件來進(jìn)行設(shè)計(jì)。
7 PCB設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
（1）避免在PCB邊緣安排重要的信號(hào)線，如時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)等。
（2）機(jī)殼地線與信號(hào)線間隔至少為4毫米；保持機(jī)殼地線的長寬比小于5:1以減少電感效應(yīng)。
（3）已確定位置的器件和線用LOCK功能將其鎖定，使之以后不被誤動(dòng)。
（4）導(dǎo)線的寬度最小不宜小于0.2mm（8mil），在高密度高精度的印制線路中，導(dǎo)線寬度和間距一般可取12mil。
（5）在DIP封裝的IC腳間走線，可應(yīng)用10－10與12－12原則，即當(dāng)兩腳間通過2根線時(shí)，焊盤直徑可設(shè)為50mil、線寬與線距都為10mil，當(dāng)兩腳間只通過1根線時(shí)，焊盤直徑可設(shè)為64mil、線寬與線距都為12mil。
（6）當(dāng)焊盤直徑為1.5mm時(shí)，為了增加焊盤抗剝強(qiáng)度，可采用長不小于1.5mm，寬為1.5mm和長圓形焊盤。
（7）設(shè)計(jì)遇到焊盤連接的走線較細(xì)時(shí)，要將焊盤與走線之間的連接設(shè)計(jì)成水滴狀，這樣焊盤不容易起皮，走線與焊盤不易斷開。
（8）大面積敷銅設(shè)計(jì)時(shí)敷銅上應(yīng)有開窗口，加散熱孔，并將開窗口設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀。
（9）盡可能縮短高頻元器件之間的連線，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。
8 PCB設(shè)計(jì)裝配規(guī)則
在設(shè)計(jì)中，從PCB板的裝配角度來看，要考慮以下參數(shù)：
（1）孔的直徑要根據(jù)最大材料條件( MMC) 和最小材料條件(LMC) 的情況來決定。一個(gè)無支撐元器件的孔的直徑應(yīng)當(dāng)這樣選取，即從孔的MMC 中減去引腳的MMC ，所得的差值在0.15 -0. 5mm 之間。而且對(duì)于帶狀引腳，引腳的標(biāo)稱對(duì)角線和無支撐孔的內(nèi)徑差將不超過0.5mm ，并且不少于0.15mm。
（2）合理放置較小元器件，以使其不會(huì)被較大的元器件遮蓋。
（3）阻焊的厚度應(yīng)不大于0.05mm。
（4）絲網(wǎng)印制標(biāo)識(shí)不能和任何焊盤相交。
（5）電路板的上半部應(yīng)該與下半部一樣，以達(dá)到結(jié)構(gòu)對(duì)稱。因?yàn)椴粚?duì)稱的電路板可能會(huì)變彎曲。
9 PCB設(shè)計(jì)相關(guān)技巧
PCB設(shè)計(jì)設(shè)置技巧
PCB設(shè)計(jì)在不同階段需要進(jìn)行不同的各點(diǎn)設(shè)置，在布局階段可以采用大格點(diǎn)進(jìn)行器件布局；
對(duì)于IC、非定位接插件等大器件，可以選用50~100mil的格點(diǎn)精度進(jìn)行布局，而對(duì)于電阻電容和電感等無源小器件，可采用25mil的格點(diǎn)進(jìn)行布局。大格點(diǎn)的精度有利于器件的對(duì)齊和布局的美觀。
PCB布局規(guī)則
1、在通常情況下，所有的元件均應(yīng)布置在電路板的同一面上，只有頂層元件過密時(shí)，才能將一些高度有限并且發(fā)熱量小的器件，如貼片電阻、貼片電容、貼片IC等放在底層。
2、在保證電氣性能的前提下，元件應(yīng)放置在柵格上且相互平行或垂直排列，以求整齊、美觀，在一般情況下不允許元件重疊；元件排列要緊湊，元件在整個(gè)版面上應(yīng)分布均勻、疏密一致。
3、電路板上不同組件相臨焊盤圖形之間的最小間距應(yīng)在1MM以上。
4、離電路板邊緣一般不小于2MM.電路板的最佳形狀為矩形，長寬比為3:2或4:3.電路板面尺大于200MM乘150MM時(shí)，應(yīng)考慮電路板所能承受的機(jī)械強(qiáng)度。
PCB設(shè)計(jì)布局技巧
在PCB的布局設(shè)計(jì)中要分析電路板的單元，依據(jù)起功能進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，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)功能單元的核心元器件為中心，圍繞他來進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整體、緊湊的排列在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)盡可能使元器件并行排列，這樣不但美觀，而且裝旱容易，易于批量生產(chǎn)。
PCB設(shè)計(jì)具體布線時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
（1）走線長度盡量短，以便使引線電感極小化。在低頻電路中，因?yàn)樗须娐返牡仉娏髁鹘?jīng)公共的接地阻抗或接地平面，所以避免采用多點(diǎn)接地。
（2）公共地線應(yīng)盡量布置在印制電路板邊緣部分。電路板上應(yīng)盡可能多保留銅箔做地線，可以增強(qiáng)屏蔽能力。
（3）雙層板可以使用地線面，地線面的目的是提供一個(gè)低阻抗的地線。
（4）多層印制電路板中，可設(shè)置接地層，接地層設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀。地線網(wǎng)格的間距不能太大，因?yàn)榈鼐€的一個(gè)主要作用是提供信號(hào)回流路徑，若網(wǎng)格的間距過大，會(huì)形成較大的信號(hào)環(huán)路面積。大環(huán)路面積會(huì)引起輻射和敏感度問題。另外，信號(hào)回流實(shí)際走環(huán)路面積小的路徑，其他地線并不起作用。
（5）地線面能夠使輻射的環(huán)路最小。
