開關(guān)電源SCH版圖的設(shè)計(jì)與開關(guān)電源PCB版圖的設(shè)計(jì)

開關(guān)電源SCH版圖的設(shè)計(jì)

1 Protel簡(jiǎn)介

CAD是Computer Aided Design（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）的簡(jiǎn)稱，早在20世紀(jì)70年代軍工部門就利用計(jì)算機(jī)來完成飛機(jī)、火箭等航空器的設(shè)計(jì)工作。電子線路CAD基本含義是使用計(jì)算機(jī)來完成電子線路的設(shè)計(jì)過程，包含電原理圖的編輯、電路功能仿真、工作環(huán)境模擬、印制板設(shè)計(jì)（自動(dòng)布局、自動(dòng)布線）與檢測(cè)等。電子線路CAD軟件還能迅速形成各種各樣的報(bào)表文件，如元件清單報(bào)表，為元器件的采購及工程預(yù)決算等提供了方便。美國ACCEL Technologies公司于1998年推出了在當(dāng)時(shí)非常受歡迎的電子線路CAD軟件包——TANGO，它具有操作方便、易學(xué)、實(shí)用、高效的特點(diǎn)，但隨著集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步─集成度越來越高，引腳數(shù)目越來越多，封裝形勢(shì)也趨于多樣化，使電子線路越來越復(fù)雜，TANGO軟件的局限性也越來越明顯。

為此，澳大利亞Protel Technology公司推出Protel CAD軟件，以作為TANGO的升級(jí)版本。Protel上市后迅速取代了TANGO成為當(dāng)時(shí)影響最大、用戶最多的電子線路CAD軟件包。但早期的Protel均屬于DOS應(yīng)用程序，只能通過鍵盤命令完成相應(yīng)的操作，操作起來并不方便，1998年推出32位軟件的Protel98，1999年又先后推出了Protel99，Protel service pack，Protel99SE等版本，Protel 99SE功能很強(qiáng)，將電原理圖編輯、電路功能仿真測(cè)試、PLD設(shè)計(jì)及印刷電路板設(shè)計(jì)等功能融合在一起，從而實(shí)現(xiàn)了電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）。Protel 99SE具有Windows應(yīng)用程序的一切特性，在Protel 99SE中引入了操作“對(duì)象”屬性感念，使所有“對(duì)象”（如連線、元件、IO端口、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)、焊盤、過空等）具有相同或相似的操作方式，實(shí)現(xiàn)了電子線路CAD軟件所期望的“簡(jiǎn)單、方便、易學(xué)、實(shí)用、高效”的操作要求。

2 單片開關(guān)電源SCH圖的設(shè)計(jì)

由于本文中所選擇的單片開關(guān)電源較為簡(jiǎn)單，而且選取的電路圖結(jié)構(gòu)也較為的清晰，所以在繪制SCH的過程中并沒有多大的問題，繪制后的如圖1-1所示。

2.1 節(jié)點(diǎn)的處理在Protel 99SE中，節(jié)點(diǎn)的作用就是，將兩個(gè)相交的導(dǎo)線連在一起；如果沒有節(jié)點(diǎn)，這兩根線就是相互獨(dú)立的。也可以這里理解，有節(jié)點(diǎn)的兩根導(dǎo)線為同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。Protel 99SE對(duì)于節(jié)點(diǎn)的默認(rèn)設(shè)置是只要繪制兩條相交的直線，就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)節(jié)點(diǎn)。這個(gè)節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)生有一些情況下是不需要的、也不應(yīng)該存在的，這時(shí)候就需要對(duì)其進(jìn)行刪除的處理，至于哪些節(jié)點(diǎn)是需要的、哪些是不需要的，這就要根據(jù)電路圖來具體問題具體分析了。像本文所選則的單片開關(guān)電源圖來說，很明顯在電壓輸出端，VDZ2連接到“+”級(jí)，但是在經(jīng)過“-”級(jí)那根線的時(shí)候，由于是兩條相交的直線，Protel 99SE就對(duì)其進(jìn)行默認(rèn)的添加節(jié)點(diǎn)，就出現(xiàn)了如圖1-2所示的情況。但是，根據(jù)電路圖的分析可知，此處VDZ2不應(yīng)該與電壓輸出端“-”極相連。

對(duì)于像圖1-2的這種情況，就需要?jiǎng)h除節(jié)點(diǎn)，單擊需要?jiǎng)h除的節(jié)點(diǎn)，在其選中狀態(tài)下，按下“Delete”，就能對(duì)其進(jìn)行刪除操作。當(dāng)然，還有極少部分的情況下，需要對(duì)繪制的SCH圖進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的添加，這時(shí)候只需要通過【Place/Junction】，就可以放置節(jié)點(diǎn)了。在繪圖的時(shí)候需要對(duì)這一點(diǎn)尤為的注意，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的存在與否可能直接導(dǎo)致了整個(gè)電路的通斷、以及其后PCB版圖的制作成敗。對(duì)圖1-1進(jìn)行修改后，如圖1-3所示。

開關(guān)電源PCB版圖的設(shè)計(jì)

1 印制線路板的一般設(shè)計(jì)步驟

（1） 繪制原理圖；（2） 元件庫的創(chuàng)建；（3） 建立原理圖與印制板上元件的網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系；（4） 布線和布局；（5） 創(chuàng)建印制板生產(chǎn)使用數(shù)據(jù)和貼裝生產(chǎn)使用數(shù)據(jù)。

2 印制線路板的分類

印制線路板根據(jù)其層數(shù)的多少，可以分為：?jiǎn)蚊姘?、雙面板和多層板。2.1 單層板對(duì)于一塊電路板來說，已經(jīng)有兩個(gè)面的存在，而單面板則是指所有的原件、走線和文字等對(duì)象，都在一個(gè)面上進(jìn)行放置，而另一個(gè)面上則什么都沒有。一般Protel 99SE默認(rèn)的單層板的放置層為Toplayer。2.2 雙層板雙層板是在電路板的兩個(gè)面上都進(jìn)行布線工作，其一是作為頂層的Top Layer，其二就是作為底層的Bottom Layer。至于上下層間的電氣連接主要是通過過孔來完成。當(dāng)然一般式在頂層上放置元件，在底層上進(jìn)行元件引腳的焊接。當(dāng)然，也可以在兩個(gè)工作層上都放置元器件。2.3 多層板多層板包含兩個(gè)以上的工作層面，除了電路板本身的兩面之外，在電路板的中間，還設(shè)置有多個(gè)中間層進(jìn)行布線。

3 印制線路板工作層的分類

在Protel 99SE中，主要使用的有以下一些工作層：

（1） 信號(hào)層：Protel 99SE中提供了一共16個(gè)信號(hào)層，包括Top Layer（頂層）、Bottom Layer（底層）、Mid Layer1（中間層1）~Mid Layer14（中間層14）。該層主要是用來放置元件（頂層和底層）和走線；

（2） Multi Layer（多層）：該層代表所有的信號(hào)層，在他上面放置的原件會(huì)自動(dòng)的放到所有的信號(hào)層上，所以可以通過Multi Layer，將焊盤或過孔快速的放置到所有的信號(hào)層上；

（3） 絲印層：絲印層包括Top Over Layer和Bottom Over Layer兩層，該兩層主要是用于繪制元件的外形輪廓、放置元件的編號(hào)或其他相關(guān)的文本信息；

（4） Keep Out Layer（禁止布線層）：該層通常是用于定義元件放置的區(qū)域的，一般在該層上放置線段（Track）或弧線（Arc）來構(gòu)成一個(gè)閉合的區(qū)域，只有在這個(gè)閉合區(qū)域內(nèi)才能進(jìn)行元件的自動(dòng)布局和自動(dòng)布線。

4 單片開關(guān)電源元器件封裝的選擇

4.1 電容封裝的選取本論文選取的單片開關(guān)電源電路圖中有4種不同種類的容值，根據(jù)容值的不同，則電容的外形直徑也會(huì)不同，則選取的PCB封裝也就不盡相同了。

（1）直插式：根據(jù)其元件尺寸的不同，常選用的封裝為RB.2/.4、RB.3/.6、RB.4/.8、RB.5/1.0，其中RB后面的兩個(gè)數(shù)值前者指的是電容兩腳間的距離，后者指的是該電容的外形直徑。就如RB.2/.4，其中.2表示該元件封裝兩個(gè)引腳間的距離為200mil，.4表示的是該電容的外形直徑為400mil。同時(shí)，這里牽涉到了公英制的轉(zhuǎn)換問題，通常10mil=0.245mm，而在Protel 99SE中常用的單位是mil，也就是英制。但是，當(dāng)我們需要根據(jù)尺寸繪制元件的時(shí)候，需要的度量單位就是公制，這是就可以通過Protel 99SE中【View/Toggle Units】來進(jìn)行公英制的轉(zhuǎn)換。這里根據(jù)容值的不同，查閱資料后確定C1=C2=CF=0.1uF，選擇的分裝時(shí)RB.2/.4；CT=47uF，選擇的封裝為RB.3/.6；CIN=130uF，選擇的封裝為RB.3/.6；COUT=1000uF，選擇的封裝為RB.5/1.0。

（2）貼片式：根據(jù)其元件尺寸的不同，常選用的封裝為RAD0.1~RAD0.4，其中RAD0.1中的0.1和RAD0.4中的0.4所表示的含義均是兩個(gè)焊盤之間的距離，前者為100mil，后者為400mil。這里根據(jù)容值的不同，查閱資料后確定C1=C2=CF=0.1uF，選擇的分裝時(shí)RAD0.1；CT=47uF，選擇的封裝為RAD0.2；CIN=130uF，選擇的封裝為RAD0.2；COUT=1000uF，選擇的封裝為RAD0.4。4.2 二極管（1）直插式：根據(jù)二極管型號(hào)以及功率大小的不同，其封裝形式有DIODE-0.4（小功率）和DIODE-0.7（大功率）。同樣，這里的0.4和0.7表示的是只二極管的長短，分別為400mil和700mil。根據(jù)電路功率等的要求，這里選擇VD1的封裝為DIODE-0.7。隨后經(jīng)過查閱元器件手冊(cè)及收索相關(guān)資料，確定VDZ1、VDZ2、VD2和VD3的封裝也均為DIODE-0.7。

（2）貼片式：在Protel 99SE中貼片二極管的封裝可以套用貼片電容的封裝形式。由于在選擇直插式的過程中，5個(gè)二極管的封裝均為DIODE-0.7，所以在貼片的選擇中，也將5個(gè)二極管的封裝均選擇為RAD0.44.3 電阻

（1）直插式：電阻在電路圖繪制的過程中出現(xiàn)的頻率非常的高，但是本論文的單片開關(guān)電源電路中只有一個(gè)電阻。但是對(duì)于電阻的選型還是不能掉以輕心。常見的直插式電阻的封裝有AXIAL0.3-AXIAL1.0。對(duì)于電路板而言，電阻的選取與其電阻值根本不相關(guān)，完全是按該電阻的功率數(shù)來決定的，1/4W和1/2W的電阻，都可以用AXIAL0.3元件封裝，而功率數(shù)大一點(diǎn)的話，可用AXIAL0.4或AXIAL0.5等等。由于是高速電路，所以對(duì)于R1選擇封裝為AXIAL-0.5。

（2）貼片式：在Protel 99SE中常用的貼片電阻的封裝有0402、0603、0805、1206等七種，對(duì)于不同功率下的貼片電阻，其選擇就各不相同。這里由于前面我們對(duì)于R1的直插式封裝選擇的是AXIAL-0.5，所以相應(yīng)的，他的貼片式封裝選擇的也應(yīng)該符合相應(yīng)的功率要求，這里選擇的是0805。這里所謂的0603、0805等這些數(shù)值表示的都是元器件的外形尺寸，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

4.4 其他元器件

由于如圖1-3的電路圖中有些元件的封裝在Protel 99SE的PCB封裝庫里面找不到，這時(shí)候就需要通過查閱相關(guān)的數(shù)據(jù)、資料，確定元器件的外形尺寸，然后在PCB元件庫中新建一些元器件。

5 自制單片開關(guān)電源的元器件封裝

如4.4小節(jié)所言，在繪制本論文的開關(guān)電源的PCB版圖的時(shí)候，有些許的PCB元器件的封裝需要自制，這里就繪制圖1-3中的整流橋。雙擊新建的PCB文件后，點(diǎn)擊左邊【Browse PCB/Components】下的“Edit”按鈕，進(jìn)入PCB元件庫繪制區(qū)域。通過【Tools/New Components】新建一個(gè)元器件，并對(duì)其進(jìn)行命名。接著就在右邊的繪制區(qū)繪制整流橋的封裝。根據(jù)查閱的信息可以整流橋的4個(gè)引腳間的尺寸均為10mm，這樣對(duì)于繪制就顯得異常的方便。

（1）點(diǎn)擊“Place Pad”按鈕，如右圖所示。將Pad放置于（0,0），隨后依次在（0,10）、（-10,0）和（-10,-10）。

（2）根據(jù)查閱到的整流橋的外形和符號(hào)標(biāo)示，對(duì)其進(jìn)行外形的繪制，這里需要注意的是，由于繪制外形，所以不應(yīng)在導(dǎo)線布置層，即不應(yīng)在“Top Layer”、“Bottom Layer”上繪制外形線，而應(yīng)該在“Top Overlay”上繪制元器件封裝的外形。繪制后如圖1所示。

（3）根據(jù)整流橋的性能，對(duì)其四個(gè)引腳進(jìn)行標(biāo)示處理，通過【Place/String】，然后點(diǎn)擊“Tab”鍵，彈出如圖2所示的【String】對(duì)話框。

（4）在“Text”旁的框中輸入引腳的標(biāo)示——“+”，然后將“Layer”旁的下拉列表選擇為“Top Overlay”，點(diǎn)擊OK，隨后將鼠標(biāo)指針帶領(lǐng)的“+”放置在1號(hào)引腳旁。如圖3所示。

（5）用同樣的方法，對(duì)2、3、4號(hào)引腳分別進(jìn)行標(biāo)示，其繪制后的效果如圖4所示。（6）引腳焊盤的處理：由于橋式整流的輸出電流較大，所以焊盤的直徑要加大至7.5mm左右，相當(dāng)于300mil，最終效果如圖5所示。

（7）然后點(diǎn)擊左邊【Browse PCBLIB】下的“UpdatePCB”按鈕，并保存，這樣繪制的整流橋的封裝就會(huì)出現(xiàn)在PCB的元件庫內(nèi)。用相同的方法對(duì)變壓器進(jìn)行繪制，最終通過整理可以得到圖1-3單片開關(guān)電源的元器件封裝列表。如表2所示。

6 單片開關(guān)電源PCB版圖的布局設(shè)計(jì)

Protel 99SE在PCB布線中提供了兩種布線的方式：手動(dòng)布局和自動(dòng)布局。6.1 自動(dòng)布局自動(dòng)布局是通過SCH圖的電氣連接借助網(wǎng)絡(luò)表這一媒介，將電路圖轉(zhuǎn)化為PCB版圖的一個(gè)方法。（1）網(wǎng)絡(luò)表的建立建立網(wǎng)絡(luò)表前有個(gè)準(zhǔn)備工作要做，就是對(duì)每個(gè)元器件要進(jìn)行其封裝的設(shè)置，雙擊圖1-2中的整流橋，會(huì)出現(xiàn)【Part】對(duì)話框，在【Attributes】選項(xiàng)卡中的“Footprint”旁輸入該整流橋的封裝，在本論文的單片開關(guān)電源中，由于整流橋是自己繪制的，根據(jù)自己對(duì)元器件封裝的命名，此處應(yīng)為“BRIDGE”（如圖6所示），輸入后點(diǎn)擊OK即可。

用同樣的方式，根據(jù)表2中各個(gè)元器件直插式的封裝號(hào)，對(duì)SCH圖中各個(gè)元件進(jìn)行參數(shù)的修改。隨后通過【Design/Creat Netlist…】創(chuàng)建圖1-2單片開關(guān)電源SCH圖的網(wǎng)絡(luò)表。

（2）將SCH轉(zhuǎn)化為PCB在通過網(wǎng)絡(luò)表將SCH轉(zhuǎn)化為PCB之前，先要在PCB中劃定需要制作的PCB板的范圍，即確定一個(gè)外框。其框的大小應(yīng)該根據(jù)設(shè)計(jì)的SCH圖進(jìn)行設(shè)置和設(shè)定。同時(shí)這個(gè)外框的應(yīng)該是在“KeepOut Layer”上繪制。確定了PCB板的外形范圍之后，通過【Design/Netlist…】會(huì)出現(xiàn)【Netlist】對(duì)話框，在點(diǎn)擊“Browse”后選擇剛剛由開關(guān)電源SCH圖生成的網(wǎng)絡(luò)表，在【Netlist】對(duì)話框下方的“No.”、“Action”和“Error”會(huì)出現(xiàn)在由SCH圖創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)表（如圖7所示）中的相關(guān)內(nèi)容，包括元器件、電氣連接、節(jié)點(diǎn)等。在這里需要注意的是，要將“Error”修改為零。根據(jù)不同的情況，“Error”下的表示會(huì)不同，但不管如何，最終都應(yīng)該將“Error”修改為0。隨后點(diǎn)擊下方的“Execute”按鈕，這時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)在本來已確定好的PCB版圖范圍的有房出現(xiàn)了相應(yīng)的元器件。它們之間還有根據(jù)SCH導(dǎo)線連接的電氣連接線，如圖8所示。

（3）自動(dòng)布局通過網(wǎng)絡(luò)表生成的PCB元件也竟全部排列整齊了，下面只需要通過【Tools/AutoPlace…】對(duì)彈出的【Auto Place】對(duì)話框進(jìn)行設(shè)置就可以了，在彈出的【Auto Place】對(duì)話框中有兩個(gè)選項(xiàng)，這需要根據(jù)不同電路板的要求來進(jìn)行選擇，而依照本論文的單片開關(guān)電源電路圖的屬性以及元器件的復(fù)雜程度、密集程度等，選擇“Cluster Placer”這個(gè)選項(xiàng)，然后點(diǎn)擊OK。這時(shí)Protel 99SE就會(huì)將剛出現(xiàn)的那些元器件開始布局，布局的位置是在一開始定義的PCB版圖的外框內(nèi)。本單片開關(guān)電源電路圖自動(dòng)布局后如圖9所示。

自動(dòng)布局之后，還需要對(duì)其進(jìn)行布線，同樣布線也有兩種方式：自動(dòng)布線和手動(dòng)布線。

（4）自動(dòng)布線圖8中有需要細(xì)線，這些線就是根據(jù)SCH圖連接所產(chǎn)生的預(yù)布線，如果采用自動(dòng)布線，則只需要通過【Auto Route/All】，然后對(duì)彈出的【Autorouter Setup】對(duì)話框進(jìn)行設(shè)置即可，一般性都是用Protel 99SE所提供的默認(rèn)設(shè)置，即如圖10所示。

隨后點(diǎn)擊下方的“Route All”按鈕，Protel 99SE就會(huì)對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)布線。

（5）手動(dòng)布線Protel 99SE對(duì)元器件進(jìn)行好自動(dòng)布局之后，我們可以手動(dòng)根據(jù)預(yù)布線的連接進(jìn)行布線，就如圖11對(duì)VDZ2的2號(hào)腳和整流橋的2號(hào)腳進(jìn)行手動(dòng)布線。

預(yù)布線已經(jīng)清晰的說明了哪兩個(gè)引腳之間需要進(jìn)行導(dǎo)線的連接，隨后通過【Place/Track】進(jìn)行導(dǎo)線的繪制，這時(shí)候需要注意的是選中的層應(yīng)該為“Top Layer”或“Bottom Layer”，先點(diǎn)擊VDZ2的2號(hào)腳，然后通過自己的布線，最終結(jié)束于整流管的2號(hào)腳。在連接的過程中，會(huì)發(fā)現(xiàn)在導(dǎo)線經(jīng)過的過程中，原來的預(yù)布線會(huì)逐漸消失，直至到把兩個(gè)引腳連接起來為止。用相同的方法就能對(duì)整個(gè)元器件布局進(jìn)行手動(dòng)布線的處理。

6.2 手動(dòng)布局手動(dòng)布局就不需要通過SCH導(dǎo)出網(wǎng)絡(luò)表，而是直接通過在PCB中放置元器件的封裝來進(jìn)行的。根據(jù)圖1-3的布局和連接，手動(dòng)放置元器件的封裝，并用導(dǎo)線對(duì)其進(jìn)行引腳間的連接，繪制出雙面直插式開關(guān)電源PCB版圖，如圖12所示。

6.3 PCB的優(yōu)化布線后，會(huì)發(fā)現(xiàn)有很多不合理之處，還需加以優(yōu)化。

（1）走線根據(jù)繪制高速電路PCB版圖的要求，所有的導(dǎo)線應(yīng)該越短越好，盡可能的精簡(jiǎn)，但是如圖13為圖12中截取的一小塊PCB版圖走線，其導(dǎo)線走線過于的復(fù)雜繁瑣，更造成了導(dǎo)線與導(dǎo)線之間不必要的電磁輻射干擾。這里就能把走線從原來的兩根還成T字型走線，如圖14所示。

（2）元器件附近的走線根據(jù)要求，一般在整流橋的四個(gè)孔周圍2.54mm不能有線條，而在圖15所示的電路中，在整流橋3號(hào)引腳的走線中，產(chǎn)生了對(duì)4號(hào)引腳的輻射干擾問題；同樣2號(hào)引腳的走線也對(duì)3號(hào)引腳產(chǎn)生了干擾問題。所以這些都是不正確的走線。應(yīng)該為如圖16所示的走線方式。

所以，在這修改之后的雙面直插式PCB版圖如圖17所示。

（3）布線寬度與線路電流的關(guān)系對(duì)于變壓器來說，一次側(cè)電流和二次側(cè)電流是不同的，本開關(guān)電源電路的一次測(cè)電流是1A，二次側(cè)電流是5A，所以其線寬也應(yīng)該是不一樣的，需要載流的值越大，走線的寬度也因該越大，而對(duì)于流過光耦的電流值較小，所以就不需要很粗的導(dǎo)線。對(duì)圖17進(jìn)行修改后，才能符合本單片開關(guān)電源的要求，如圖18所示。

6.4 雙面貼片式PCB版圖的繪制根據(jù)表1中元器件的貼片封裝的選擇，可以繪制出如圖19所示的

6.5 四面貼片式PCB版圖的繪制前面有介紹多層板，而本論文中的單片開關(guān)電源可以使用四層板，即Top layer層、Bottom layer層外，另一層為電源層、還有一層即是接地層。其繪制后如圖20和圖21所示，圖20是設(shè)置了整層Vcc顯示后的電路圖，圖21是設(shè)置了整層GND顯示后的電路圖。

開關(guān)電源PCB版圖的電磁兼容分析

1 電磁兼容的概述

自從1866年世界上第一臺(tái)發(fā)電機(jī)開始發(fā)電至今的一百多年里，人類在制造出越來越復(fù)雜的電氣設(shè)備的同時(shí)，也制造出越來越嚴(yán)重的電磁“污染”。如果不正視這種污染，研制出來的各種儀器設(shè)備在這種電磁污染嚴(yán)重的地方將無法正常工作。1881年英國科學(xué)家希維賽德發(fā)表了“論干擾”的文章，標(biāo)志著研究抗干擾問題的開端。早在20世紀(jì)40年代，人們就提出了電磁兼容性的概念。我國從20世紀(jì)80年代至今，已制定了上百個(gè)電磁兼容國家標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)制要求所有的電氣設(shè)備必須通過相關(guān)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的性能測(cè)試。電磁兼容（EMC）的定義也就是指一個(gè)產(chǎn)品和其他產(chǎn)品共存于特定的電磁環(huán)境中，而不會(huì)因引起其他產(chǎn)品或者自身性能下降或損壞的能力。

2 單片開關(guān)電源PCB版圖及其電磁兼容分析

2.1 雙面直插式PCB版圖及其電磁兼容分析如圖10所示，為單片開關(guān)電源雙面直插式的PCB版圖（其中元件均為直插式元件且在繪制過程中僅用了Top Layer和Bottom Layer兩層，故本文稱其為雙面直插式PCB版圖）。

（1）元器件的布局在繪制圖10的過程中，可以知道，本論文中的PCB版圖的繪制和SCH圖的布局類似，是按照電路的流程對(duì)電路中各個(gè)功能單元的位置進(jìn)行安排、放置的，這樣的布局便于信號(hào)流通，并使信號(hào)盡可能保持一致的方向。同時(shí)元器件也應(yīng)該均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上．盡可能的減少和縮短各元器件之間的引線和連接。

此外，元件的布局應(yīng)也應(yīng)該考慮以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：

A．對(duì)溫度比較敏感的器件最好安置在溫度最低的區(qū)域（如設(shè)備的底部），千萬不要將它放在發(fā)熱器件的正上方，多個(gè)器件最好是在水平面上交錯(cuò)布局；

B．在印制電路板上布置邏輯電路，原則上應(yīng)在輸出端子附近放置高速電路，如光電隔離器等，在稍遠(yuǎn)處放置低速電路和存儲(chǔ)器等，以便處理公共阻抗的耦合、輻射和串?dāng)_等問題。在輸入輸出端放置緩沖器，用于板間信號(hào)傳送，可有效防止噪聲干擾。

C．電路板上裝有高壓、大功率器件時(shí)，與低壓、小功率器件應(yīng)保持一定間距，盡量分開布線。在大功率、大電流元器件周圍不宜布設(shè)熱敏器件或運(yùn)算放大器等，以免產(chǎn)生感應(yīng)或溫漂。

D．在高速印制板電路中，較為常出現(xiàn)的是數(shù)字電路和模擬電路同時(shí)出現(xiàn)的情況對(duì)于這種情況，盡可能的將數(shù)字電路集中、模擬電路集中，但兩者間需要保持一點(diǎn)的距離，以防數(shù)?；_，圖2-1所示為印制線路板元器件布局圖實(shí)例。

（2）電容的諧振頻率和高次諧波當(dāng)

時(shí)，會(huì)發(fā)生串聯(lián)諧振，這時(shí)電容器的阻抗最小，旁路效果最好。超過諧振點(diǎn)后，電容器的阻抗特性呈現(xiàn)電感阻抗（感抗）的特性，并且隨著頻率的升高而增加，旁路效果開始變差。這時(shí)，作為旁路器件使用的電容器就開始失去了旁路的作用。所以在電磁兼容設(shè)計(jì)中使用的電容要求諧振頻率盡量高，這樣才能夠在較寬的頻率范圍（10kHz~1GHz）內(nèi)起到有效的濾波作用。在未加濾波電容之前，整流電路中的二極管導(dǎo)通角θ為π。加濾波電容后，只有當(dāng)電容充電時(shí)，二極管才導(dǎo)通，因此，每只二極管的導(dǎo)通角均小于π。隨著濾波電容的增加，二極管的導(dǎo)通角將會(huì)越來越小，而根據(jù)傅里葉展開式1和圖2-2可知，當(dāng)導(dǎo)通角變小時(shí)，高次諧波就會(huì)增大，這樣頻率也就變大了，產(chǎn)生的輻射干擾也就增大了。

（3）導(dǎo)線寬度由于瞬變電流在印制線條上所產(chǎn)生的沖擊干擾主要是由印制導(dǎo)線的電感成分造成的，因此應(yīng)盡量減小印制導(dǎo)線的電感量。印制導(dǎo)線的電感量與其長度成正比，與其寬度成反比，因此短且精的導(dǎo)線對(duì)抑制干擾是有幫助的。時(shí)鐘引線、行驅(qū)動(dòng)器或總線驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)線常常載有更大的瞬變電流，此時(shí)印制導(dǎo)線要盡可能地短。而對(duì)于導(dǎo)線寬度的選擇常常是與承載的電流有關(guān)的，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2-1所示。

Protel 99SE對(duì)于導(dǎo)線寬度的默認(rèn)值是10mil，這類寬度的導(dǎo)線在繪制低速電路的時(shí)候還是可以使用的，但是到了高速電路，10mil寬度的導(dǎo)線將無法承載如此大的瞬變電流。同時(shí)由表2-1可知，對(duì)于不同厚度、不同寬度的銅箔的載流量也是不同的。需要注意的是，用銅皮作導(dǎo)線通過大電流時(shí)，銅箔寬度的載流量應(yīng)參考表中的數(shù)值降額50%去選擇。標(biāo)準(zhǔn)PCB板的銅箔厚度為35～40μm，本單片開關(guān)電源電路的載流值為1A，所以布線寬度至少要有25/20mm～28/20mm寬才行。這里，選取一個(gè)均值，為1.7mm?？紤]到2次諧波較大，電流的有效值較大，按2A來確定布線寬度，為3.4mm，相當(dāng)于120min。

（4） 電磁干擾根據(jù)電磁兼容（EMC）的定義可以知道，EMC包括EMI（電磁干擾）及EMS（電磁耐受性）兩部份，所謂EMI，是指機(jī)器本身在執(zhí)行應(yīng)有功能的過程中所產(chǎn)生不利于其它系統(tǒng)的電磁噪聲；而EMS是指機(jī)器在執(zhí)行應(yīng)有功能的過程中不受周圍電磁環(huán)境影響的能力。一般避免電磁干擾的方法，例如開關(guān)電源，就是在其外面加上一個(gè)金屬盒子，并且將其接地。而對(duì)于印制電路板來說，較為有效地控制電磁干擾的方法是減少導(dǎo)線的走線長度，即導(dǎo)線布線越短越好。

（5） 鋪地鋪地一般是用GND，因?yàn)檫@樣可以增加它的散熱性。鋪地之前肯定要先連接好，對(duì)應(yīng)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)連起來。鋪地它只是把所有的GND連一起，并加大它的面積，這樣可降低EMI和增加它的散熱性。圖2-3就是圖18全面鋪地后的效果（一定要注意地與線路之間的距離尤其是輸入部分，在這里只是隨便弄了個(gè)效果圖）。

（6） 導(dǎo)線的電阻和感抗印制電路板制造過程中，導(dǎo)線多為銅線，銅金屬本身的物理特性決定了其在導(dǎo)電過程中必然存在一定的阻抗，所以在印制電路板中，導(dǎo)線均可被看作是很規(guī)則的矩形銅條。而導(dǎo)線電阻可通過公式來計(jì)算：

式中L為導(dǎo)線長度（米），S為導(dǎo)線截面積（平方毫米），為電阻率。當(dāng)一段遠(yuǎn)離其他導(dǎo)體的導(dǎo)線，其長度遠(yuǎn)大于寬度時(shí)，導(dǎo)線的自感量為0.8μH/m，那么10cm長的導(dǎo)線則具有0.08μH的電感量。然后通過下面的公式可以求出該P(yáng)CB板導(dǎo)線所呈現(xiàn)出來的感抗：

式中π為常數(shù)，f為導(dǎo)線通過信號(hào)的頻率（Hz），L為單位長度導(dǎo)線的自感量（H）。分別計(jì)算出該導(dǎo)線在低頻和高頻下的感抗：當(dāng)f=10KHz時(shí)，XL=6.28×10×103×0.08×10-6≈0.005Ω；當(dāng)f=30MHz時(shí)，XL=6.28×30×106×0.08×10-6≈16Ω通過以上公式計(jì)算可以看到，在低頻信號(hào)傳輸中導(dǎo)線電阻大于導(dǎo)線感抗，而在高頻信號(hào)中導(dǎo)線感抗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于導(dǎo)線電阻。（7）走線的原則高速PCB設(shè)計(jì)中線路的走線也是其中很重要的一個(gè)部分，因?yàn)镻CB走線之間會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_現(xiàn)象，這種串?dāng)_不僅僅會(huì)在詩中和其周圍信號(hào)之間產(chǎn)生，也會(huì)發(fā)生在其他關(guān)鍵信號(hào)上，如數(shù)據(jù)、地址和輸入/輸出信號(hào)線等，都會(huì)受到串?dāng)_和耦合影響[14]。一般習(xí)慣性讓所有的信號(hào)走線的間距滿足以下三點(diǎn)規(guī)則：A．兩條走線中心之間的距離應(yīng)該大于或等于走線寬度的3倍；B．PCB邊緣的走線，PCB邊緣到走線邊緣的距離應(yīng)該大于3倍的走線寬度；C．如果走線之間有過孔，那么走線間距應(yīng)該大于或等于走線寬度的3倍，如圖2-4所示。

（8）拐角走線本文中的單片開關(guān)電源的頻率由于不到10GHz，所以在PCB版圖的繪制過程中，推薦使用的是45°拐角的繪制方式，當(dāng)然圓角拐角也是可以的。不推薦使用直角拐角的原因有兩個(gè)，其一是制作成PCB板后，直角拐角比較尖銳，在使用過程中較容易被剝落；其二就是對(duì)于電磁兼容而言，直角拐角會(huì)對(duì)其周圍產(chǎn)生輻射。在走線確實(shí)需要直角拐角的情況下，通常就用兩種方式來進(jìn)行改進(jìn)：其一是將90°拐角變成兩個(gè)45°拐角；其二就是用圓角來替代90°拐角，如圖2-5所示。

當(dāng)然這兩種拐角方式中圓角方式是最好的。45°拐角可以用到10GHz頻率上，而且對(duì)于45°拐角走線來說，拐角的長度最好滿足：L≥3W，如圖2-6所示。

（9）淚滴焊盤在高速電路中，為了使走線更加平穩(wěn)、迅速的傳遞電流，Protel 99SE為我們提供了“淚滴焊盤”的功能。通過這個(gè)功能，能減小電流對(duì)于元器件焊盤的瞬間損傷，也能使電流的傳遞更加的快捷和穩(wěn)定。在Protel 99SE中，可以設(shè)置兩種淚滴焊盤的方式，一種是“Arc”，另一種是“Track”。它們分別如圖2-7和圖2-8所示。

對(duì)于淚滴焊盤的設(shè)置則可以通過單擊【Tools/Teardrops/Add】后彈出【Teardrops】對(duì)話框，如圖2 -9所示。其中在左邊【General】選項(xiàng)卡中可以對(duì)需要淚滴焊盤的焊盤甚至是過孔進(jìn)行設(shè)置。

（10）過孔的使用過孔是由孔和孔周圍的焊盤區(qū)和內(nèi)層電氣隔離區(qū)組成的。過孔的寄生電感、寄生電容等會(huì)影響通過過孔的高速信號(hào)，同時(shí)過孔的尺寸和與之相連接的焊盤等都對(duì)過孔的屬性產(chǎn)生直接的影響。①寄生電容過孔本身存在著對(duì)地或電源的寄生電容，過孔的寄生電容可以用以下公式計(jì)算得到近似值：

式中：D2——地平面層孔直徑； D1——過孔焊盤直徑； T——PCB板的厚度； ——板基材的相對(duì)介電常數(shù)； C——寄生電容容量。當(dāng)D1與D2相當(dāng)接近時(shí)，寄生電容非常大。這樣它就延長了電路中信號(hào)的上升時(shí)間，降低了電路的速度。盡管單個(gè)過孔的寄生電容引起的上升沿變緩的效用不是很明顯，但是如果走線中多次使用過孔進(jìn)行層間的切換，還是需要加以考慮的。如圖2-10示，為有過孔的PCB版圖，但是通過更改線路的走向，完全可以避免此過孔的產(chǎn)生，修改后的如圖2-11。

②寄生電感在數(shù)字信號(hào)中，尤其是高速電路中，過孔的寄生電感帶來的危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過寄生電容，寄生電感會(huì)削弱濾波電容和旁路電容的效果，減弱整個(gè)電源系統(tǒng)的濾波效果，并且影響信號(hào)的傳輸質(zhì)量。過孔的寄生電感可用下式計(jì)算：

式中：L——過孔的寄生電感； h——過孔的深度； d——過孔的直徑。式中包含對(duì)數(shù)計(jì)算，所以改變過孔直徑對(duì)過孔電感的影響很小，而改變過孔深度則對(duì)過孔電感的影響較大。正因?yàn)槿绱?，在高速PCB設(shè)計(jì)時(shí)，希望盡量減少過孔的數(shù)量，如果實(shí)在不行，則希望過孔越小越好，這樣板上就留出了更多的布線空間。此外，過孔越小，寄生電容也越小，更適合用于高速電路。很多情況就像圖2-10和圖2-11所示，前者走線簡(jiǎn)潔方便，但是卻要用過孔來進(jìn)行上層與下層的過渡；后者走線長度增加了，但是由于其附近并無特別的元器件，所以省去了一個(gè)過孔，可以減少相應(yīng)的寄生電容和寄生電感帶來的印象。所以，在設(shè)計(jì)PCB版圖，尤其是高速PCB版圖的時(shí)候?qū)τ谶^孔的使用需要特別的注意。

（11）引腳電容由于圖17所示的PCB版圖設(shè)計(jì)中的元器件均為直插式元件，所以其金屬引腳間會(huì)存在引腳電容的情況。通常大多數(shù)元器件引腳間距為0.1in，對(duì)地約有幾個(gè)pF的電容，高速印制電路板上的焊盤可能會(huì)在元器件的每邊各增加0.5pF的電容。主要起到了隔直傳交的功能，當(dāng)然只是電容最基本的功能。此外，如果在輸入端，此電容就叫做旁路電容，主要是通過實(shí)現(xiàn)交流旁路來消除無用的能量進(jìn)入敏感的部分，另外還可以提供基帶濾波的功能；如果0.5pF的電容在輸出端，則被稱為去耦電容，去耦電容可以為元件提供局部化的直流電壓源，并且減少跨板浪涌電流的干擾。而對(duì)于到底用多大容值的電容，表2-2可作為一個(gè)參考值。

2.2 雙面貼片式PCB版圖的電磁兼容分析由表2-1可知，相對(duì)于直插式（DIP）的安裝，元器件貼片式（STM）更為的優(yōu)越。如圖18，貼片式元器件比起直插式元器件，減少了連接腳的長度，這樣也就減少了干擾的產(chǎn)生以及傳遞。雖然貼片式元器件焊接起來的較為的困難，但是如果是在高速電路中使用，相信貼片式元器件絕對(duì)是“物超所值”。相信寧愿花費(fèi)多一點(diǎn)的時(shí)間進(jìn)行焊接，也比用直插式元器件快速焊接好，但是測(cè)試中出現(xiàn)大量的電磁干擾的問題。所以能用貼片式的元器件應(yīng)盡量使用貼片式，由其是電阻、電容、電感、集成電路等。2.3 四面貼片式PCB版圖及其電磁兼容分析雖然與雙面直插式相比，雙面貼片式更具優(yōu)勢(shì)。但是如果拿雙面貼片式和四面貼片式來進(jìn)行比較，會(huì)發(fā)現(xiàn)后者的優(yōu)勢(shì)和好處更大。當(dāng)然在高速電路設(shè)計(jì)中并不是PCB版圖的層數(shù)越多越好，而是應(yīng)該根據(jù)所設(shè)計(jì)的SCH圖進(jìn)行分析，隨后合理的選擇PCB版圖的層數(shù)。合理并且優(yōu)良的PCB多層設(shè)計(jì)可以提高整個(gè)系統(tǒng)的EMC性能，并減小PCB回路的輻射、干擾效應(yīng)。多層板常常出現(xiàn)在高速、高性能的系統(tǒng)中，其中的一些層是用來設(shè)置電源或地的，這些層將作為與之相鄰的信號(hào)走線的電流返回路徑。圖2-12所示為一種典型多層PCB疊層的配置。

表2-3為常用多層PCB層的設(shè)計(jì)配置，如果在繪制多層的情況下，可將其作為一種參考。

會(huì)在高速電路中推薦使用多層電路板，是因?yàn)槎鄬与娐钒逯杏袑ｉT分配給電源和地的層，因此也就具有了如下的優(yōu)點(diǎn)：電源非常穩(wěn)定；電路阻抗大幅降低；配線長度大幅縮短。而本論文中的單片開關(guān)電源可以使用四層板，即Top layer層、Bottom layer層外，另一層為電源層、還有一層即是接地層。其繪制后如圖20和圖21所示。而層數(shù)的設(shè)置可以通過【Design/ Layer Stack Manager】進(jìn)行層的添加、信號(hào)層的添加等，雙擊添加層的名字還能對(duì)層的屬性進(jìn)行修改，如圖2-13所示。