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一、印刷線路元件布局結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)討論
一臺性能優(yōu)良的儀器,除選擇高質(zhì)量的元器件,合理的電路外,印刷線路板的元件布局和電氣連線方向的正確結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是決定儀器能否可靠工作的一個(gè)關(guān)鍵問題,對同一種元件和參數(shù)的電路,由于元件布局設(shè)計(jì)和電氣連線方向的不同會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果,其結(jié)果可能存在很大的差異。因而,必須把如何正確設(shè)計(jì)印刷線路板元件布局的結(jié)構(gòu)和正確選擇布線方向及整體儀器的工藝結(jié)構(gòu)三方面聯(lián)合起來考慮,合理的工藝結(jié)構(gòu),既可消除因布線不當(dāng)而產(chǎn)生的噪聲干擾,同時(shí)便于生產(chǎn)中的安裝、調(diào)試與檢修等。
下面我們針對上述問題進(jìn)行討論,由于優(yōu)良“結(jié)構(gòu)”沒有一個(gè)嚴(yán)格的“定義”和“模式”,因而下面討論,只起拋磚引玉的作用,僅供參考。每一種儀器的結(jié)構(gòu)必須根據(jù)具體要求(電氣性能、整機(jī)結(jié)構(gòu)安裝及面板布局等要求),采取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,并對幾種可行設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較和反復(fù)修改。印刷板電源、地總線的布線結(jié)構(gòu)選擇—-系統(tǒng)結(jié)構(gòu):模擬電路和數(shù)字電路在元件布局圖的設(shè)計(jì)和布線方法上有許多相同和不同之處。模擬電路中,由于放大器的存在,由布線產(chǎn)生的極小噪聲電壓,都會(huì)引起輸出信號的嚴(yán)重失真,在數(shù)字電路中,TTL噪聲容限為0.4V~0.6V,CMOS噪聲容限為Vcc的0.3~0.45倍,故數(shù)字電路具有較強(qiáng)的抗干擾的能力。良好的電源和地總線方式的合理選擇是儀器可靠工作的重要保證,相當(dāng)多的干擾源是通過電源和地總線產(chǎn)生的,其中地線引起的噪聲干擾最大。
二、印刷電路板圖設(shè)計(jì)的基本原則要求
? ? ? 1.印刷電路板的設(shè)計(jì),從確定板的尺寸大小開始
印刷電路板的尺寸因受機(jī)箱外殼大小限制,以能恰好安放入外殼內(nèi)為宜,其次,應(yīng)考慮印刷電路板與外接元器件(主要是電位器、插口或另外印刷電路板)的連接方式。印刷電路板與外接元件一般是通過塑料導(dǎo)線或金屬隔離線進(jìn)行連接。但有時(shí)也設(shè)計(jì)成插座形式。即:在設(shè)備內(nèi)安裝一個(gè)插入式印刷電路板要留出充當(dāng)插口的接觸位置。對于安裝在印刷電路板上的較大的元件,要加金屬附件固定,以提高耐振、耐沖擊性能。
2.布線圖設(shè)計(jì)的基本方法
首先需要對所選用元件器及各種插座的規(guī)格、尺寸、面積等有完全的了解;對各部件的位置安排作合理的、仔細(xì)的考慮,主要是從電磁場兼容性、抗干擾的角度,走線短,交叉少,電源,地的路徑及去耦等方面考慮。各部件位置定出后,就是各部件的連線,按照電路圖連接有關(guān)引腳,完成的方法有多種,印刷線路圖的設(shè)計(jì)有計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與手工設(shè)計(jì)方法兩種。
最原始的是手工排列布圖。這比較費(fèi)事,往往要反復(fù)幾次,才能最后完成,這在沒有其它繪圖設(shè)備時(shí)也可以,這種手工排列布圖方法對剛學(xué)習(xí)印刷板圖設(shè)計(jì)者來說也是很有幫助的。計(jì)算機(jī)輔助制圖,現(xiàn)在有多種繪圖軟件,功能各異,但總的說來,繪制、修改較方便,并且可以存盤貯存和打印。
接著,確定印刷電路板所需的尺寸,并按原理圖,將各個(gè)元器件位置初步確定下來,然后經(jīng)過不斷調(diào)整使布局更加合理,
印刷電路板中各元件之間的接線安排方式如下:
(1)印刷電路中不允許有交叉電路,對于可能交叉的線條,可以用“鉆”、“繞”兩種辦法解決。即,讓某引線從別的電阻、電容、三極管腳下的空隙處 “鉆”過去,或從可能交叉的某條引線的一端“繞”過去,在特殊情況下如何電路很復(fù)雜,為簡化設(shè)計(jì)也允許用導(dǎo)線跨接,解決交叉電路問題。
(2)電阻、二極管、管狀電容器等元件有“立式”,“臥式”兩種安裝方式。立式指的是元件體垂直于電路板安裝、焊接,其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省空間,臥式指的是元件體平行并緊貼于電路板安裝,焊接,其優(yōu)點(diǎn)是元件安裝的機(jī)械強(qiáng)度較好。這兩種不同的安裝元件,印刷電路板上的元件孔距是不一樣的。
(3)同一級電路的接地點(diǎn)應(yīng)盡量靠近,并且本級電路的電源濾波電容也應(yīng)接在該級接地點(diǎn)上。特別是本級晶體管基極、發(fā)射極的接地點(diǎn)不能離得太遠(yuǎn),否則因兩個(gè)接地點(diǎn)間的銅箔太長會(huì)引起干擾與自激,采用這樣“一點(diǎn)接地法”的電路,工作較穩(wěn)定,不易自激。
(4)總地線必須嚴(yán)格按高頻-中頻-低頻一級級地按弱電到強(qiáng)電的順序排列原則,切不可隨便翻來復(fù)去亂接,級與級間寧肯可接線長點(diǎn),也要遵守這一規(guī)定。特別是變頻頭、再生頭、調(diào)頻頭的接地線安排要求更為嚴(yán)格,如有不當(dāng)就會(huì)產(chǎn)生自激以致無法工作。調(diào)頻頭等高頻電路常采用大面積包圍式地線,以保證有良好的屏蔽效果。
(5)強(qiáng)電流引線(公共地線,功放電源引線等)應(yīng)盡可能寬些,以降低布線電阻及其電壓降,可減小寄生耦合而產(chǎn)生的自激。
(6)阻抗高的走線盡量短,阻抗低的走線可長一些,因?yàn)樽杩垢叩淖呔€容易發(fā)笛和吸收信號,引起電路不穩(wěn)定。電源線、地線、無反饋元件的基極走線、發(fā)射極引線等均屬低阻抗走線,射極跟隨器的基極走線、收錄機(jī)兩個(gè)聲道的地線必須分開,各自成一路,一直到功效末端再合起來,如兩路地線連來連去,極易產(chǎn)生串音,使分離度下降。
三、印刷板圖設(shè)計(jì)中應(yīng)注意下列幾點(diǎn)
1.布線方向:從焊接面看,元件的排列方位盡可能保持與原理圖相一致,布線方向最好與電路圖走線方向相一致,因生產(chǎn)過程中通常需要在焊接面進(jìn)行各種參數(shù)的檢測,故這樣做便于生產(chǎn)中的檢查,調(diào)試及檢修(注:指在滿足電路性能及整機(jī)安裝與面板布局要求的前提下)。
2.各元件排列,分布要合理和均勻,力求整齊,美觀,結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓に囈蟆?/p>
3.電阻,二極管的放置方式:分為平放與豎放兩種:
(1)平放:當(dāng)電路元件數(shù)量不多,而且電路板尺寸較大的情況下,一般是采用平放較好;對于1/4W以下的電阻平放時(shí),兩個(gè)焊盤間的距離一般取4/10 英寸,1/2W的電阻平放時(shí),兩焊盤的間距一般取5/10英寸;二極管平放時(shí),1N400X系列整流管,一般取3/10英寸;1N540X系列整流管,一般取4~5/10英寸。
(2)豎放:當(dāng)電路元件數(shù)較多,而且電路板尺寸不大的情況下,一般是采用豎放,豎放時(shí)兩個(gè)焊盤的間距一般取1~2/10英寸。
4.電位器:IC座的放置原則
(1)電位器:在穩(wěn)壓器中用來調(diào)節(jié)輸出電壓,故設(shè)計(jì)電位器應(yīng)滿中順時(shí)針調(diào)節(jié)時(shí)輸出電壓升高,反時(shí)針調(diào)節(jié)器節(jié)時(shí)輸出電壓降低;在可調(diào)恒流充電器中電位器用來調(diào)節(jié)充電電流折大小,設(shè)計(jì)電位器時(shí)應(yīng)滿中順時(shí)針調(diào)節(jié)時(shí),電流增大。電位器安放位軒應(yīng)當(dāng)滿中整機(jī)結(jié)構(gòu)安裝及面板布局的要求,因此應(yīng)盡可能放軒在板的邊緣,旋轉(zhuǎn)柄朝外。
(2)IC座:設(shè)計(jì)印刷板圖時(shí),在使用IC座的場合下,一定要特別注意IC座上定位槽放置的方位是否正確,并注意各個(gè)IC腳位是否正確,例如第1腳只能位于IC座的右下角線或者左上角,而且緊靠定位槽(從焊接面看)。
5.進(jìn)出接線端布置
(1)相關(guān)聯(lián)的兩引線端不要距離太大,一般為2~3/10英寸左右較合適。
(2)進(jìn)出線端盡可能集中在1至2個(gè)側(cè)面,不要太過離散。
6.設(shè)計(jì)布線圖時(shí)要注意管腳排列順序,元件腳間距要合理。
7.在保證電路性能要求的前提下,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)力求走線合理,少用外接跨線,并按一定順充要求走線,力求直觀,便于安裝,高度和檢修。
8.設(shè)計(jì)布線圖時(shí)走線盡量少拐彎,力求線條簡單明了。
9.布線條寬窄和線條間距要適中,電容器兩焊盤間距應(yīng)盡可能與電容引線腳的間距相符;
10.設(shè)計(jì)應(yīng)按一定順序方向進(jìn)行,例如可以由左往右和由上而下的順序進(jìn)行。
1 oz.銅即35微米厚,2 oz.70微米, 類推
舉例說,線寬0.025英寸,采用2 oz.盎斯的銅,而允許溫升30度,那查表可知,最大安全電流是 4.0A 。
一般而言,四層電路板可分為頂層、底層和兩個(gè)中間層。頂層和底層走信號線,
中間層首先通過命令DESIGN/LAYER STACK MANAGER用ADD PLANE 添加INTERNAL PLANE1和INTERNAL PLANE2 分別作為用的最多的電源層如VCC和地層如GND(即連接上相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號。注意不要用ADD LAYER,這會(huì)增加MIDPLAYER,后者主要用作多層信號線放置),這樣PLNNE1和PLANE2就是兩層連接電源VCC和地GND的銅皮。
如果有多個(gè)電源如VCC2等或者地層如GND2等,先在PLANE1或者PLANE2中用較粗導(dǎo)線或者填充FILL(此時(shí)該導(dǎo)線或FILL對應(yīng)的銅皮不存在,對著光線可以明顯看見該導(dǎo)線或者填充)劃定該電源或者地的大致區(qū)域(主要是為了后面PLACE/SPLIT PLANE命令的方便),然后用PLACE/SPLIT PLANE在INTERNAL PLANE1和INTERNAL PLANE2相應(yīng)區(qū)域中劃定該區(qū)域(即VCC2銅皮和GND2銅片,在同一PLANE中此區(qū)域不存在VCC了)的范圍(注意同一個(gè)PLANE中不同網(wǎng)絡(luò)表層盡量不要重疊。設(shè)SPLIT1和SPLIT2是在同一PLANE中重疊兩塊,且SPLIT2在SPLIT1內(nèi)部,制版時(shí)會(huì)根據(jù)SPLIT2的邊框自動(dòng)將兩塊分開(SPLIT1分布在SPLIT的外圍)。只要注意在重疊時(shí)與SPLIT1同一網(wǎng)絡(luò)表的焊盤或者過孔不要在SPLIT2的區(qū)域中試圖與SPLIT1相連就不會(huì)出問題)。這時(shí)該區(qū)域上的過孔自動(dòng)與該層對應(yīng)的銅皮相連,DIP封轉(zhuǎn)器件及接插件等穿過上下板的器件引腳會(huì)自動(dòng)與該區(qū)域的PLANE讓開。點(diǎn)擊DESIGN/SPLIT PLANES可查看各SPLIT PLANES。
protel99的圖層設(shè)置與內(nèi)電層分割
PROTEL99的電性圖層分為兩種,打開一個(gè)PCB設(shè)計(jì)文檔按,快捷鍵L,出現(xiàn)圖層設(shè)置窗口。左邊的一種(SIGNAL LAYER)為正片層,包括TOP LAYER、BOTTOM LAYER和MIDLAYER,中間的一種(INTERNAL PLANES)負(fù)片層,即INTERNAL LAYER。這兩種圖層有著完全不同的性質(zhì)和使用方法。正片層一般用于走純線路,包括外層和內(nèi)層線路。負(fù)片層則多用來做地層和電源層。因?yàn)樵诙鄬影逯械牡貙雍碗娫磳右话愣际怯谜你~皮來作為線路(或做為幾個(gè)較大塊的分割區(qū)域),如果用MIDLAYER即正片層來做的畫則必須用鋪銅的方式來實(shí)現(xiàn),這樣將使整個(gè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)量非常大,不利于數(shù)據(jù)交流傳遞,且會(huì)影響設(shè)計(jì)刷新速度。而用負(fù)片則只需在外層與內(nèi)層的連接處生成一個(gè)花孔(THERMAL PAD)即可,對于設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)傳遞都非常有利。
內(nèi)層的添加與刪除
在一個(gè)設(shè)計(jì)中,有時(shí)會(huì)遇到變換板層的情況。如把較復(fù)雜的雙面板改為四層板,或把對信號要求較高的四層板升級為六層板等等。這時(shí)需要新增電氣圖層,可以如下*作:
DESIGN-LAYER STACK MANAGER,在左邊有當(dāng)前層疊結(jié)構(gòu)的示意圖。點(diǎn)擊想要添加新層位置的上面一個(gè)圖層,如TOP,然后點(diǎn)擊右邊的ADD LAYER(正片)或ADD PLANE(負(fù)片),即可完成新圖層的添加。
注意如果新增的圖層是PLANE(負(fù)片)層的話,一定要給這個(gè)新層分配相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)(雙擊該層名)!這里分配的網(wǎng)絡(luò)只能有一個(gè)(一般地層分配一個(gè)GND就可以了),如果想要在此層(如作為電源層)中添加新網(wǎng)絡(luò),則要在后面的操作中做內(nèi)層分割才能達(dá)到,所以這里先分配一個(gè)連接數(shù)量較多的網(wǎng)絡(luò)即可。如點(diǎn)擊ADD LAYER則會(huì)新增一個(gè)MIDLAYER(正片),應(yīng)用方法和外層線路完全相同。如果想應(yīng)用混合電氣層,即既有走線又有電源地大銅面的方法,則必須使用ADD LAYER來生成的正片層來設(shè)計(jì)(原因見下)。
內(nèi)電層的分割
如果在設(shè)計(jì)中有不只一組電源,那可以在電源層中使用內(nèi)層分割來分配電源網(wǎng)絡(luò)。這里要用到的命令是:PLACE-SPLIT PLANE,在出現(xiàn)的對話框中設(shè)定圖層,并在CONNECT TO NET處指定此次分割要分配的網(wǎng)絡(luò),然后按照鋪銅的方法放置分割區(qū)域。放置完成后,在此分割區(qū)域中的有相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的孔將會(huì)自動(dòng)生成花孔焊盤,即完成了電源層的電氣連接??梢灾貜?fù)操作此步驟直到所有電源分配完畢。當(dāng)內(nèi)電層需要分配的網(wǎng)絡(luò)較多時(shí),做內(nèi)層分割比較麻煩,需要使用一些技巧來完成。
此處還需要注意一個(gè)問題:PROTEL中有兩種大銅皮的電氣連接方式(不包括PLACE FILL),一種為POLYGON PLANE,即普通的覆銅,此命令只能應(yīng)用于正片層,包括TOP/BOT/MIDLAYER,另一種為 SPLIT PLANE,即內(nèi)電層分割,此命令只能應(yīng)用于負(fù)片層即INTERNAL PLANE。應(yīng)注意區(qū)分這兩個(gè)命令的使用范圍。修改分割鋪銅的命令:EDIT-MOVE-SPLIT PLANE VERTICES
◇ 避免在PCB邊緣安排重要的信號線,如時(shí)鐘和復(fù)位信號等。
◇ 將PCB上未使用的部分設(shè)置為接地面。
◇ 機(jī)殼地線與信號線間隔至少為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)。
◇ 用TVS二極管來保護(hù)所有的外部連接。
◇ 已確定位置的器件、線等用LOCK功能將其鎖定,使之以后不被誤動(dòng)。
◇ 高低壓線路應(yīng)分隔放置,之間的距離應(yīng)在3.5mm以上;許多情況下為避免爬電,還在印制線路板上的高低壓之間開槽。
◇ 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。
◇ 當(dāng)銅箔厚度為50μm、導(dǎo)線寬度1~1.5mm、通過電流2A時(shí),溫升很小。
◇ 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。
◇ 焊盤孔徑:通常情況下以金屬引腳直徑值加上0.2mm作為焊盤內(nèi)孔直徑,如電阻的金屬引腳直徑為0.5mm時(shí),其焊盤內(nèi)孔直徑對應(yīng)為0.7mm。而焊盤直徑取決于內(nèi)孔直徑,如下表:
△ 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,此種焊盤在集成電路引腳焊盤中最常見。
△ 對于超出上表范圍的焊盤直徑可用下列公式選取:
直徑小于0.4mm的孔:D/d=0.5~3 ;直徑大于2mm的孔:D/d=1.5~2 ;式中:(D-焊盤直徑,d-內(nèi)孔直徑)
◇ 焊盤邊緣到印制板邊的距離要大于1mm,這樣可以避免加工時(shí)導(dǎo)致焊盤缺損。
◇ 焊盤補(bǔ)淚滴:當(dāng)與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。
◇ 相鄰的焊盤要避免大面積的銅箔,因散熱過快會(huì)導(dǎo)致不易焊接。 可以采用星型連接,即保證連接的低阻抗又便于焊接。
◇ 大面積敷銅:印制線路板上的大面積敷銅常用于兩種作用,一種是散熱,一種用于屏蔽來減小干擾。大面積敷銅上應(yīng)有開窗口,加散熱孔,應(yīng)將其開窗口設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀。
◇ 印制線路板的厚度應(yīng)根據(jù)印制板的功能及所裝元件的重量、印制板插座規(guī)格、印制板的外形尺寸和所承受的機(jī)械負(fù)荷來決定。多層印制板總厚度及各層間厚度的分配應(yīng)根據(jù)電氣和結(jié)構(gòu)性能的需要以及覆箔板的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格來選取。常見的印制線路板厚度有0.5mm、1mm、1.5mm、2mm等。
◇ PCB尺寸面積過大時(shí),印制線條長,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。電路板面尺寸大于200x150mm時(shí).應(yīng)考慮電路板所受的機(jī)械強(qiáng)度。但實(shí)際情況是設(shè)計(jì)者選用了一定的殼體容積,從而必須在一定形狀的板上完成所有的功能。在保證各種性能完整穩(wěn)定的同時(shí),有可能還要考慮到放置一些擴(kuò)展功能部件,這就對設(shè)計(jì)者提出了更高的要求,在關(guān)鍵功能芯片封裝選擇、功率計(jì)算、散熱等方面都要綜合考慮。
◇ 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)盡量離。
◇ 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。
◇ 重量超過15g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,不宜裝在印制板上,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。
◇ 根據(jù)印制線路板電流的大小,盡量加租電源線寬度,減少環(huán)路電阻。同時(shí)、使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致,這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。
◇ 地線設(shè)計(jì)的原則:
?、贁?shù)字地與模擬地分開。低頻電路的地應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地,實(shí)際布線有困難時(shí)可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地。高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地,地線應(yīng)短而租,高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積地箔。
②接地線應(yīng)盡量加粗。若接地線用很細(xì)的線條,則接地電位隨電流的變化而變化,使抗噪性能降低。因此應(yīng)將接地線加粗,使它能通過三倍于印制板上的允許電流。如有可能,接地線應(yīng)在2~3mm以上。
?、劢拥鼐€構(gòu)成閉環(huán)路。只由數(shù)字電路組成的印制板,其接地電路布成閉環(huán)路大多能提高抗噪聲能力。
◇ 退藕電容配置,配置原則是:
?、匐娫摧斎攵丝缃?0 ~100uf的電解電容器。如有可能,接100uf以上的更好。
?、谠瓌t上每個(gè)集成電路芯片都應(yīng)布置一個(gè)0.1uf的瓷片電容,如遇印制板空隙不夠,可每4~8個(gè)芯片布置一個(gè)1 ~ 10uf的鉭電容。
?、蹖τ诳乖肽芰θ酢㈥P(guān)斷時(shí)電源變化大的器件,如 ram、rom存儲器件,應(yīng)在芯片的電源線和地線之間直接入退藕電容。
?、茉谟≈瓢逯杏薪佑|器、繼電器、按鈕等元件時(shí).操作它們時(shí)均會(huì)產(chǎn)生較大火花放電,必須采用rc 電路來吸收放電電流。一般 r 取 1 ~ 2k,c取2.2 ~ 47uf。
◇ CMOS管腳的輸入阻抗很高,且易受感應(yīng),因此在使用時(shí)對不用端要接地或接正電源。
◇ 凡能不用高速邏輯電路的就不用;在電源與地之間加去耦電容;注意長線傳輸中的波形畸變。
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