搜索
超强PCB布线设计经验谈附原理图(一）在当今激烈竞争的电池供电市场中，由于成本指标限制，设计人员常常使用双面板。尽管多层板(4层、6层及8层)方案在尺寸、噪声和性能方面具有明显优势，成本压力却促使工程师们重新考虑其布线策略，采用双面板。在本文中，我们将讨论自动布线功能的正确使用和错误使用，有无地平面时电流回路的设计策略，以及对双面板元件布局的建议。自动布线的优缺点以及模拟电路布线的注意事项设计PCB时，往往很想使用自动布线。通常，纯数字的电路板(尤其信号电平比较低，电路密度比较小时)采用自动布线是没有问题的。但是，在设计模拟、混合信号或高速电路板时，如果采用布线软件的自动布线工具，可能会出现一些问题，甚至很可能带来严重的电路性能问题。例如，图1中显示了一个采用自动布线设计的双面板的顶层。此双面板的底层如图2所示，这些布线层的电路原理图如图3a和图3b所示。设计此混合信号电路板时，经仔细考虑，将器件手工放在板上，以便将数字和模拟器件分开放置。采用这种布线方案时，有几个方面需要注意，但最麻烦的是接地。如果在顶层布地线，则顶层的器件都通过走线接地。器件还在底层接地，顶层和底层的地线通过电路板最右侧的过孔连接。当检查这种布线策略时，首先发现的弊端是存在多个地环路。另外，还会发现底层的地线返回路径被水平信号线隔断了。这种接地方案的可取之处是，模拟器件(12位A/D转换器MCP3202和2.5V参考电压源MCP4125)放在电路板的最右侧，这种布局确保了这些模拟芯片下面不会有数字地信号经过。图3a和图3b所示电路的手工布线如图4、图5所示。在手工布线时，为确保正确实现电路，需要遵循一些通用的设计准则：尽量采用地平面作为电流回路；将模拟地平面和数字地平面分开；如果地平面被信号走线隔断，为降低对地电流回路的干扰，应使信号走线与地平面垂直；模拟电路尽量靠近电路板边缘放置，数字电路尽量靠近电源连接端放置，这样做可以降低由数字开关引起的di/dt效应。这两种双面板都在底层布有地平面，这种做法是为了方便工程师解决问题，使其可快速明了电路板的布线。厂商的演示板和评估板通常采用这种布线策略。但是，更为普遍的做法是将地平面布在电路板顶层，以降低电磁干扰。图1采用自动布线为图3所示电路原理图设计的电路板的顶层图2采用自动布线为图3所示电路原理图设计的电路板的底层图3a图1、图2、图4和图5中布线的电路原理图图3b图1、图2、图4和图5中布线的模拟部分电路原理图有无地平面时的电流回路设计对于电流回路，需要注意如下基本事项：1.如果使用走线，应将其尽量加粗PCB上的接地连接如要考虑走线时，设计应将走线尽量加粗。这是一个好的经验法则，但要知道，接地线的最小宽度是从此点到末端的有效宽度，此处“末端”指距离电源连接端最远的点。2.应避免地环路3.如果不能采用地平面，应采用星形连接策略(见图6)通过这种方法，地电流独立返回电源连接端。图6中，注意到并非所有器件都有自己的回路，U1和U2是共用回路的。如遵循以下第4条和第5条准则，是可以这样做的。4.数字电流不应流经模拟器件数字器件开关时，回路中的数字电流相当大，但只是瞬时的，这种现象是由地线的有效感抗和阻抗引起的。对于地平面或接地走线的感抗部分，计算公式为V=Ldi/dt，其中V是产生的电压，L是地平面或接地走线的感抗，di是数字器件的电流变化，dt是持续时间。对地线阻抗部分的影响，其计算公式为V=RI,其中，V是产生的电压，R是地平面或接地走线的阻抗，I是由数字器件引起的电流变化。经过模拟器件的地平面或接地走线上的这些电压变化，将改变信号链中信号和地之间的关系(即信号的对地电压)。5.高速电流不应流经低速器件与上述类似，高速电路的地返回信号也会造成地平面的电压发生变化。此干扰的计算公式和上述相同，对于地平面或接地走线的感抗，V=Ldi/dt；对于地平面或接地走线的阻抗，V=RI。与数字电流一样，高速电路的地平面或接地走线经过模拟器件时，地线上的电压变化会改变信号链中信号和地之间的关系。图4采用手工走线为图3所示电路原理图设计的电路板的顶层图5采用手工走线为图3所示电路原理图设计的电路板的底层图6如果不能采用地平面，可以采用“星形”布线策略来处理电流回路图7分隔开的地平面有时比连续的地平面有效，图b)接地布线策略比图a)的接地策略理想6.不管使用何种技术，接地回路必须设计为最小阻抗和容抗7.如使用地平面，分隔开地平面可能改善或降低电路性能，因此要谨慎使用分开模拟和数字地平面的有效方法如图7所示图7中，精密模拟电路更靠近接插件，但是与数字网络和电源电路的开关电流隔离开了。这是分隔开接地回路的非常有效的方法，我们在前面讨论的图4和图5的布线也采用了这种技术。PCB设计的经验（一）一般PCB基本设计流程如下:前期准备-PCB结构设计-PCB布局-布线-布线优化和丝印-网络和DRC检查和结构检查-制版.第一:前期准备.这包括准备元件库和原理图.“工欲善其事,必先利其器”,要做出一块好的板子,除了要设计好原理之外,还要画得好.在进行PCB设计之前,首先要准备好原理图SCH的元件库和PCB的元件库.元件库可以用peotel自带的库,但一般情况下很难找到合适的,最好是自己根据所选器件的标准尺寸资料自己做元件库.原则上先做PCB的元件库,再做SCH的元件库.PCB的元件库要求较高,它直接影响板子的安装;SCH的元件库要求相对比较松,只要注意定义好管脚属性和与PCB元件的对应关系就行.PS:注意标准库中的隐藏管脚.之后就是原理图的设计,做好后就准备开始做PCB设计了.第二:PCB结构设计.这一步根据已经确定的电路板尺寸和各项机械定位,在PCB设计环境下绘制PCB板面,并按定位要求放置所需的接插件、按键/开关、螺丝孔、装配孔等等.并充分考虑和确定布线区域和非布线区域(如螺丝孔周围多大范围属于非布线区域).第三:PCB布局.布局说白了就是在板子上放器件.这时如果前面讲到的准备工作都做好的话,就可以在原理图上生成网络表(Design-CreateNetlist),之后在PCB图上导入网络表(Design-LoadNets).就看见器件哗啦啦的全堆上去了,各管脚之间还有飞线提示连接.然后就可以对器件布局了.一般布局按如下原则进行:①．按电气性能合理分区,一般分为:数字电路区(即怕干扰、又产生干扰)、模拟电路区(怕干扰)、功率驱动区(干扰源);②．完成同一功能的电路,应尽量靠近放置,并调整各元器件以保证连线最为简洁;同时,调整各功能块间的相对位置使功能块间的连线最简洁;③．对于质量大的元器件应考虑安装位置和安装强度;发热元件应与温度敏感元件分开放置,必要时还应考虑热对流措施;④．I/O驱动器件尽量靠近印刷板的边、靠近引出接插件;⑤．时钟产生器(如:晶振或钟振)要尽量靠近用到该时钟的器件;⑥．在每个集成电路的电源输入脚和地之间,需加一个去耦电容(一般采用高频性能好的独石电容);电路板空间较密时,也可在几个集成电路周围加一个钽电容.⑦．继电器线圈处要加放电二极管(1N4148即可);⑧．布局要求要均衡,疏密有序,不能头重脚轻或一头沉——需要特别注意,在放置元器件时,一定要考虑元器件的实际尺寸大小(所占面积和高度)、元器件之间的相对位置,以保证电路板的电气性能和生产安装的可行性和便利性同时,应该在保证上面原则能够体现的前提下,适当修改器件的摆放,使之整齐美观,如同样的器件要摆放整齐、方向一致,不能摆得“错落有致”.这个步骤关系到板子整体形象和下一步布线的难易程度,所以一点要花大力气去考虑.布局时,对不太肯定的地方可以先作初步布线,充分考虑.第四:布线.布线是整个PCB设计中最重要的工序.这将直接影响着PCB板的性能好坏.在PCB的设计过程中,布线一般有这么三种境界的划分:首先是布通,这时PCB设计时的最基本的要求.如果线路都没布通,搞得到处是飞线,那将是一块不合格的板子,可以说还没入门.其次是电器性能的满足.这是衡量一块印刷电路板是否合格的标准.这是在布通之后,认真调整布线,使其能达到最佳的电器性能.接着是美观.假如你的布线布通了,也没有什么影响电器性能的地方,但是一眼看过去杂乱无章的,加上五彩缤纷、花花绿绿的,那就算你的电器性能怎么好,在别人眼里还是垃圾一块.这样给测试和维修带来极大的不便.布线要整齐划一,不能纵横交错毫无章法.这些都要在保证电器性能和满足其他个别要求的情况下实现,否则就是舍本逐末了.布线时主要按以下原则进行:①．一般情况下,首先应对电源线和地线进行布线,以保证电路板的电气性能.在条件允许的范围内,尽量加宽电源、地线宽度,最好是地线比电源线宽,它们的关系是:地线电源线信号线,通常信号线宽为:0.2~0.3mm,最细宽度可达0.05~0.07mm,电源线一般为1.2~2.5mm.对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路,即构成一个地网来使用(模拟电路的地则不能这样使用)②．预先对要求比较严格的线(如高频线)进行布线,输入端与输出端的边线应避免相邻平行,以免产生反射干扰.必要时应加地线隔离,两相邻层的布线要互相垂直,平行容易产生寄生耦合.③．振荡器外壳接地,时钟线要尽量短,且不能引得到处都是.时钟振荡电路下面、特殊高速逻辑电路部分要加大地的面积,而不应该走其它信号线,以使周围电场趋近于零;④．尽可能采用45º的折线布线,不可使用90º折线,以减小高频信号的辐射;(要求高的线还要用双弧线)⑤．任何信号线都不要形成环路,如不可避免,环路应尽量小;信号线的过孔要尽量少;⑥．关键的线尽量短而粗,并在两边加上保护地.⑦．通过扁平电缆传送敏感信号和噪声场带信号时,要用“地线-信号-地线”的方式引出.⑧．关键信号应预留测试点,以方便生产和维修检测用⑨．原理图布线完成后,应对布线进行优化;同时,经初步网络检查和DRC检查无误后,对未布线区域进行地线填充,用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用.或是做成多层板,电源,地线各占用一层.PCB布线设计经验谈附原理图(二）工程领域中的数字设计人员和数字电路板设计专家在不断增加，这反映了行业的发展趋势。尽管对数字设计的重视带来了电子产品的重大发展，但仍然存在，而且还会一直存在一部分与模拟或现实环境接口的电路设计。模拟和数字领域的布线策略有一些类似之处，但要获得更好的结果时，由于其布线策略不同，简单电路布线设计就不再是最优方案了。本文就旁路电容、电源、地线设计、电压误差和由PCB布线引起的电磁干扰(EMI)等几个方面，讨论模拟和数字布线的基本相似之处及差别。模拟和数字布线策略的相似之处旁路或去耦电容在布线时，模拟器件和数字器件都需要这些类型的电容，都需要靠近其电源引脚连接一个电容，此电容值通常为0.1mF。系统供电电源侧需要另一类电容，通常此电容值大约为10mF。这些电容的位置如图1所示。电容取值范围为推荐值的1/10至10倍之间。但引脚须较短，且要尽量靠近器件(对于0.1mF电容)或供电电源(对于10mF电容)。在电路板上加旁路或去耦电容，以及这些电容在板上的位置，对于数字和模拟设计来说都属于常识。但有趣的是，其原因却有所不同。在模拟布线设计中，旁路电容通常用于旁路电源上的高频信号，如果不加旁路电容，这些高频信号可能通过电源引脚进入敏感的模拟芯片。一般来说，这些高频信号的频率超出模拟器件抑制高频信号的能力。如果在模拟电路中不使用旁路电容的话，就可能在信号路径上引入噪声，更严重的情况甚至会引起振动。图1在模拟和数字PCB设计中，旁路或去耦电容(1mF)应尽量靠近器件放置。供电电源去耦电容(10mF)应放置在电路板的电源线入口处。所有情况下，这些电容的引脚都应较短图2在此电路板上，使用不同的路线来布电源线和地线，由于这种不恰当的配合，电路板的电子元器件和线路受电磁干扰的可能性比较大图3在此单面板中，到电路板上器件的电源线和地线彼此靠近。此电路板中电源线和地线的配合比图2中恰当。电路板中电子元器件和线路受电磁干扰(EMI)的可能性降低了679/12.