高速PCB布板原则

高速PCB布板原则随着系统设计复杂性和集成度的大规模提高，总线的工作频率己经达到或者超过50MHz，有的甚至超过100MHz。通常认为如果数字逻辑电路的频率达到或者超过45MHz~50MHz，而且工作在这个频率之上的电路己经占到了整个电子系统一定的份量（如1/3），就称为高速电路。目前世界上约有50%的设计时钟频率超过50MHz。将近20%的设计主频超过120MHz。当系统工作在50MHz时，将产生传输线效应和信号的完整性问题；而当系统时钟达到120MHz时，除非使用高速电路设计，否则基于传统方法设计的PCB将无法工作。因此，高速电路设计技术已经成为PCB板设计师必须采取的设计手段。在高速板的布局布线中，要使电子电路获得最佳性能，元器件的布局及导线的布线是很重要的。为了设计出质量高、造价低的PCB板，应遵循以下原则：①设计好最佳布局②调整好PCB板的走线和焊盘③处理好印制导线的屏蔽与接地④配置好去耦电容⑤选择好合适的板材与板厚要考虑PCB板尺寸的大小。PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后，确定特殊元件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。在确定特殊元件的位置及对电路的全部元器件进行布局时，要注意以下4点：①设计好最佳布局1）以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。2）是要尽可能缩短高频元器件之间的连线。设法减少高频元器件的分布参数和相互间的电磁干扰，易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。由于某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。3）是对于重量超过15g的元器件、应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且装焊容易，易于批量生产。4）是位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于5mm。电路板的最佳形状为矩形。长宽比为3:2或4:3。电路板面尺寸大于200mm×150mm时，应考虑电路板所受的机械强度。还要留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。②调整好PCB板的走线和焊盘印制导线的布设应尽可能的短，在高频回路中更应如此；印制导线的拐弯应成圆角，而直角或尖角在高频电路和布线密度高的情况下会影响电气性能：当双面板布线时，两面的导线应相互垂直、斜交、或弯曲走线，避免相互平行，以减小寄生藕合；作为电路的输入及输出用的印制导线应尽量避免相邻平行，以免发生回授，在这些导线之间最好加接地线。保持整块PCB板上布线密度的大体平衡密度，以控制串扰，局部过密的布线对避免串扰显然是不利的。导线宽度应以能满足电气性能要求而又便于生产为宜，它的最小值以承受的电流大小而定，但最小不宜小于0.2mm，在高密度、高精度的印制线路中，导线宽度和间距一般可取0.3mm；导线宽度在大电流情况下还要考虑其温升，保持整块电路板上功耗的大体平衡。如果板材区域冷热差别太大，信号线极易因板材的热胀冷缩而断裂。单面板实验表明，当铜箔厚度为50um、导线宽度1~1.5mm、通过电流2A时，温升很小，不会超过3摄氏度。因此，一般选用1~1.5mm宽度导线就可能满足设计要求而不致引起温升；印制导线的公共地线应尽可能地粗，可能的话，使用大于2~3mm的线条，这点在带有微处理器的电路中尤为重要，因为当地线过细时，由于流过的电流的变化，地电位变动，微处理器定时信号的电平不稳，会使噪声容限劣化；在DIP封装的IC脚间走线，当两脚间通过2根线时，焊盘直径可设为1.3mm、线宽与线距都为0.25mm，当两脚间只通过1根线时，焊盘直径可设为1.6mm、线宽与线距都为0.3mm。处理焊盘时，焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径D一般不小于(d+1.2)mm，其中d为引线孔径。对高密度的数字电路，焊盘最小直径可取(d+1.0)mm。③处理好印制导线的屏蔽与接地印制导线的公共地线，应尽量布置在印制线路板的边缘部分。在印制线路板上应尽可能多地保留铜箔做地线，这样得到的屏蔽效果，比一长条地线要好，传输线特性和屏蔽作用将得到改善，另外起到了减小分布电容的作用。印制导线的公共地线最好形成环路或网状，这是因为当在同一块板上有许多集成电路，特别是有耗电多的元件时，由于图形上的限制产生了接地电位差，从而引起噪声容限的降低，当做成回路时，接地电位差减小。另外，接地和电源的图形尽可能要与数据的流动方向平行，这样可以较好地抑制噪声；多层印制线路板可采取其中若干层作屏蔽层，电源层、地线层均可视为屏蔽层，一般地线层和电源层设计在多层印制线路板的内层，信号线设计在外层。④配置好去耦电容PCB设计的常规做法之一是在印制板的各个关键部位配置适当的去耦电容。去耦电容的一般配置原则是：电源输入端跨接10~100uF的电解电容器。如有可能，接100uF以上的更好：原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01pF的瓷片电容，如遇印制板空隙不够，可每4~8个芯片布置一个1~10pF的钽电容；对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如RAM，ROM存储器件，应在芯片的电源线和地线之间直接接入去耦电容：电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有太长引线。⑤选择好合适的板材与板厚印制线路板一般用覆箔层压板制成，常用的是覆铜箔层压板。板材选用时要从电气性能、可靠性、加工工艺要求、经济指标等方面考虑，常用的覆铜箔层压板有覆铜箔酚醛纸质层压板、覆铜箔环氧纸质层压板、覆铜箔环氧玻璃布层压板、覆铜箔环氧酚醛玻璃布层压板、覆铜箔聚四氟乙烯玻璃布层压板和多层印制线路板用环氧玻璃布等。由于环氧树脂与铜箔有极好的粘合力，因此铜箔的附着强度和工作温度较高，可以在260℃的熔锡中浸焊而无起泡。环氧树脂浸渍的玻璃布层压板受潮湿的影响较小。超高频印制线路最优良的材料是覆铜箔聚四氟乙烯玻璃布层压板。在有阻燃要求的电子设备上，还要使用阻燃性覆铜箔层压板，其原理是由绝缘纸或玻璃布浸渍了不燃或难燃性的树脂，使制得的覆铜箔层压板，除了具有同类覆铜箔层压板的相拟性能外，还有阻燃性。印制线路板的厚度应根据印制板的功能及所装元件的重量、印制板插座规格、印制板的外形尺寸和所承受的机械负荷来决定。多层印制板总厚度及各层间厚度的分配应根据电气和结构性能的需要以及覆箔板的标准规格来选取，常见的印制线路板厚度有0.5mm、1mm、1.5mm、2mm等。EPA控制器PCB板的设计与实现Protel99SE是Protel电路设计软件系列比较成熟的版本之一，它提供了一系列的电路设计工具、优秀的文件管理系统，以及客户/服务器电路设计系统。因为本系统试验板上的最高信号频率为50MHz，所以涉及到了高速板的设计问题。EPA控制器核心板PCB图EPA控制器通信底板PCB图DI/DO板卡PCB图在核心板上，电源芯片和Cyclone器件放在板的正面，SDRAM和Flash放到了板的背面；通信底板最终是要固定在铝盒之中，所以通信底板的背面没有放置原件。在核心板背面覆地，通信底板的正面和背面均覆地，信号线和数据线线宽选择为0.254mm和0.1778mm，安全线距最小为0.1778mm。DI/DO板卡是连接在通信底板上的拓展板，在通信地板上设计了与拓展板接口的标准的PCI接口，所以在DI/DO板卡的设计上也是采用的标准的PCI接口。DI/DO板卡内层是地线层和电源层，线宽0.2~0.3mm；信号线和数据线设计到了第一层和第四层，线宽选择0.381mm，线距最小为0.254mm。第一层和第四层布线时，基本上按照水平和垂直布线交叉进行。所有板卡的设计中注重了对IC电源的处理，保证了每个IC的电源管脚都有一个0.1uF的去耦电容。所有板卡均使用排阻做为上拉或下拉电阻。排阻的公共端接电源或地线，在实际使用过程中发现，如果排阻值较大则通过公共端耦合引起误动作。排阻值较小则增加系统功耗。排阻阻值要慎选，公共端接线或电源线要粗，本设计选用了10KΩ的排阻。系统布局布线完成后，还要对PCB板进行检查和复查。检查的项目有间距（Clearance）、连接（Connectivity）、高速规则（HighSpeed）和电源层（Plane），这些项目可以选择Tools中的VerifyDesign进行。检查出错误，必须修改布局和布线。复查根据“PCB检查表”，内容包括设计规则，层定义、线宽、间距、焊盘、过孔设置；还要重点复查器件布局的合理性，电源、地线网络的走线，高速时钟网络的走线与屏蔽，去藕电容的摆放和连接等。