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每個設(shè)計(jì)師都應(yīng)該知道的五個PCB設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識
每個設(shè)計(jì)師都應(yīng)該知道的五個PCB設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識
工程師的PCB設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
良好的設(shè)計(jì)實(shí)踐將確保您的設(shè)計(jì)能夠大批量生產(chǎn)并以高速工作，無論您是設(shè)計(jì)印刷電路板還是高速移動。本指南包含現(xiàn)代電路板最重要的PCB設(shè)計(jì)指南。雖然某些專業(yè)設(shè)計(jì)可能需要遵守額外的布局指南，但此處介紹的PCB設(shè)計(jì)指南是一個很好的起點(diǎn)。
這些指南旨在幫助您進(jìn)行布線和可制造性以及基本的信號完整性和組裝。
定義設(shè)計(jì)規(guī)則以確保制造和裝配良率
組件放置是組件放置的目標(biāo)是確保可解決性以及布線的簡易性
為避免在電路板上布線，請按類型對組件進(jìn)行分組。
PCB疊層中接地和電源的位置。這包括混合信號PCB布局的一些要點(diǎn)。
尊重機(jī)械限制，例如外殼限制和連接器位置
#1 - 在布局PCB設(shè)計(jì)規(guī)則之前，請確定以下內(nèi)容：
當(dāng)您開始新設(shè)計(jì)時，很容易忘記指導(dǎo)您的印刷電路板項(xiàng)目的設(shè)計(jì)規(guī)則。通過在設(shè)計(jì)早期建立簡單的間隙，可以消除組件移位和重新布線。在哪里可以找到這些信息？
首先與您的PCB制造商聯(lián)系。優(yōu)秀的制造商通常會在網(wǎng)上發(fā)布他們的能力，或在文檔中提供這些信息。如果郵件不在他們網(wǎng)站的顯眼位置，請向他們發(fā)送電子郵件以詢問他們的能力。在開始放置組件之前，這是一個好主意。當(dāng)您使用它時，請?zhí)峤荒寞B加以供審核。或者，查找要使用的標(biāo)準(zhǔn)疊加數(shù)據(jù)。
在您編制了它們的功能列表后，您可以將它們與您將使用的行業(yè)可靠性標(biāo)準(zhǔn)（2 類與 3 類或特殊標(biāo)準(zhǔn)）進(jìn)行比較。在確定了這些點(diǎn)之后，您將需要選擇可制造性或可靠性所需的最保守的設(shè)計(jì)布局限制。這些可以編碼到您的設(shè)計(jì)規(guī)則中。
您的設(shè)計(jì)規(guī)則將指導(dǎo)您完成布局過程，并幫助消除可能導(dǎo)致裝配或制造問題的任何設(shè)計(jì)錯誤。一旦您建立了設(shè)計(jì)規(guī)則，就該開始放置過程了。
#2 - 微調(diào)你的組件布局
元件放置是PCB設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵階段。它需要對董事會上所有可用的房地產(chǎn)進(jìn)行戰(zhàn)略評估。元件放置是關(guān)于創(chuàng)建一個易于布線的電路板，盡可能少的層過渡。設(shè)計(jì)必須遵守設(shè)計(jì)規(guī)則并滿足組件放置的要求。盡管這些點(diǎn)很難平衡，但一個簡單的過程可以幫助設(shè)計(jì)人員放置滿足這些要求的組件。
必須先放置使用必備組件。有時，由于機(jī)械外殼限制或其尺寸，組件必須位于特定位置。這些組件應(yīng)首先放置，然后鎖定到位，然后再繼續(xù)布局的下一部分。
使用大型處理器和集成電路。將高引腳數(shù) IC 連接到您設(shè)計(jì)中的其他組件。通過集中定位這些組件，可以更輕松地跟蹤PCB的布局。
避免過網(wǎng)。當(dāng)元件放置在PCB布局中時，可以看到未布線的網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)盡量減少交叉網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)的每個交叉點(diǎn)都需要通過過孔進(jìn)行層轉(zhuǎn)換。如果您可以通過創(chuàng)造性的組件放置消除凈橫截面，您將更容易為您的PCB布局創(chuàng)建最佳布線指南。
SMDPCB設(shè)計(jì)規(guī)則。建議將所有表面貼裝器件 (SMD) 組件放置在同一側(cè)。這是因?yàn)槊總€板面都需要自己的SMD焊接線。因此，最好將所有SMD放置在同一側(cè)。
玩方向。旋轉(zhuǎn)零部件以消除交叉點(diǎn)。這可以通過定向連接的焊盤使它們彼此面對來簡化布線。
此PCB設(shè)計(jì)中的主處理器位于中央，走線從邊緣引出。這是較大IC和外圍設(shè)備的理想放置。
如果您遵循第 1 點(diǎn)和第 2 點(diǎn)，則可以更輕松地安排板的其余部分。您的板也將具有現(xiàn)代的外觀和感覺。中央處理器為電路板周邊的所有組件提供數(shù)據(jù)。
#3 - 使用電源、接地和信號走線
現(xiàn)在您已經(jīng)準(zhǔn)備好所有組件，是時候布置電源、接地和信號走線了。這將確保信號遵循清晰且無故障的路徑。這些是一些提示，可幫助您瀏覽布局過程的這一階段。
電源層和接地層的放置位置
電源和接地通常放置在內(nèi)部層內(nèi)的兩層上。這可能不適用于 2 層板。您可以在其中一層上放置一個大的接地層，然后將信號或電源走線路由到第二層。接地平面比嘗試布線接地走線更好。如果組件需要直接電源連接，建議您使用共軌。共軌適用于最小100密耳的組件。
一些指南規(guī)定平面層放置應(yīng)該是對稱的。然而，這不是制造的要求。這對于大型電路板來說可能是必要的，以盡量減少翹曲。但是，對于較小的電路板則不需要。首先，關(guān)注電源和接地。接下來，確保所有走線與最近的接地層具有強(qiáng)返回路徑耦合。然后，擔(dān)心 PCB疊層內(nèi)的完美對稱性。
PCB布局布線指南
接下來，連接您的信號跡線以匹配您的原理圖。PCB布局最佳實(shí)踐建議應(yīng)盡可能頻繁地將組件放置在彼此之間。但是，這可能并不總是適用于較大的電路板。如果組件放置需要水平走線，請將走線垂直布線到另一側(cè)。這只是眾多重要的PCB設(shè)計(jì)規(guī)則之一。
隨著疊層數(shù)量的增加，印刷電路板布局指南和設(shè)計(jì)印刷電路板的規(guī)則變得更加復(fù)雜。如果您不使用參考平面分隔信號層，您的布線策略將要求您在交替層中使用交替的水平和垂直線。復(fù)雜電路板中常用的許多PCB最佳實(shí)踐不適用于專業(yè)應(yīng)用。您將需要根據(jù)您的特定應(yīng)用設(shè)計(jì)您的PCB。
確定走線寬度
PCB的布局需要走線來連接組件。但是這些走線寬度應(yīng)該有多寬呢？三個因素會影響不同網(wǎng)絡(luò)所需的走線寬度：
制造業(yè)。走線不能太薄，否則將無法可靠地制造。大多數(shù)情況下，您需要使用比制造商可以生產(chǎn)的更大的走線寬度。
當(dāng)前的。這決定了防止走線升溫所需的最小寬度。如果電流更大，則跡線必須更大。
阻抗。高速數(shù)字信號或無線電波需要具有指定的跡線寬度才能達(dá)到所需的阻抗值。這不適用于所有信號和網(wǎng)絡(luò)。因此，您不必在設(shè)計(jì)指南中對每個網(wǎng)絡(luò)都設(shè)置阻抗控制。
對于大多數(shù)低電流模擬和數(shù)字信號來說，10 mil 的走線寬度就足夠了。可能需要使印刷電路板走線的寬度超過 0.3 A。您可以使用IPC-2152 nomograph進(jìn)行檢查。這將確定電流和溫升限制所需的PCB走線寬度。
平面連接器，用于通孔組件的散熱
接地層充當(dāng)散熱器并在整個電路板上均勻加熱。如果過孔連接到接地層，散熱焊盤將從該過孔移除，以允許熱量流到接地層。這將防止熱量逸出到表面。如果您使用波峰焊將通孔組件連接到板上，這可能會成為一個問題。你需要熱量才能停留在地表附近。
需要PCB布局的散熱功能，以確保可以在波峰焊工藝中制造電路板。這是指直接連接到平面的通孔組件。當(dāng)通孔直接連接到平面時，可能難以維持工藝溫度。因此，建議使用散熱片。熱釋放會在焊接過程中減慢散熱到平面的速度，以防止出現(xiàn)冷接點(diǎn)。
設(shè)計(jì)人員通常會告訴您對連接到內(nèi)部電源或接地層的任何通孔或孔使用散熱圖案。這個建議通常過于籠統(tǒng)。在將您的電路板投入生產(chǎn)之前，請務(wù)必向您的制造商尋求指導(dǎo)。
#4 - 將事物分開
您可以找到PCB布線指南，這些指南將幫助您對組件和跟蹤進(jìn)行分組和分離，從而使您的布線變得簡單并防止電氣干擾。這些指南對于熱管理也很有用，因?yàn)槟赡苄枰蛛x高功率部件。
分組組件
最好將組件組合在PCB布局中的一個位置。因?yàn)樗鼈兛梢允请娐返囊徊糠郑⑶抑荒芟嗷ミB接，所以沒有必要將它們放置在不同的側(cè)面或區(qū)域。PCB布局是一個設(shè)計(jì)和布局電路的過程，以便于將它們與走線連接起來。
許多布局將同時具有模擬和數(shù)字組件。您應(yīng)該確保數(shù)字組件不會干擾模擬組件。這是過去幾十年的做法。然而，現(xiàn)代設(shè)計(jì)不允許這樣做。這是一種過時的設(shè)計(jì)選擇，可能會導(dǎo)致 EMI。
相反，在您的組件下方放置一個完整的平面圖。不要把它分成幾塊。您可以將模擬組件與以相同頻率運(yùn)行的其他模擬組件保持在一起。將數(shù)字組件與其他數(shù)字部件放在一起。這可以看作是每個組件在PCB布局中占據(jù)不同的區(qū)域。然而，地平面在大多數(shù)設(shè)計(jì)中應(yīng)該保持不變。
大功率元件的分離
分離在板上產(chǎn)生大量熱量的組件也是一個好主意。在PCB設(shè)計(jì)上分離高功率組件是一種平衡溫度并避免產(chǎn)生高溫組件聚集在一起的熱點(diǎn)的方法。為此，您可以先查看組件數(shù)據(jù)表的“熱阻”額定值，然后根據(jù)計(jì)算出的散熱量計(jì)算溫升。為了降低組件的溫度，可以使用散熱器或冷卻風(fēng)扇。在設(shè)計(jì)布線策略時，很難在這些部件的放置與保持走線長度之間取得平衡。
#5 - 增強(qiáng)您的PCB設(shè)計(jì)
當(dāng)您嘗試將最終部件組合在一起進(jìn)行制造時，很容易不知所措。它可以通過雙重和三重檢查來決定您的制造項(xiàng)目是成功還是失敗。
檢查電氣規(guī)則 (ERC)和設(shè)計(jì)規(guī)則 (DRC)是個好主意，以確保您滿足所有約束條件。這兩個系統(tǒng)允許您輕松定義間隙、走線寬度和常見的制造要求。這使您可以自動化PCB設(shè)計(jì)審查指南并驗(yàn)證您的布局。
許多設(shè)計(jì)過程要求您在設(shè)計(jì)過程的每個階段運(yùn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查。這是為了確保制造過程順利進(jìn)行。使用正確的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，您可以在整個設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行檢查。這使您可以快速識別潛在的設(shè)計(jì)問題并在它們變得嚴(yán)重之前對其進(jìn)行修復(fù)。在您的最終ERC或 DRC沒有產(chǎn)生任何錯誤后，您可以檢查每個信號的路由并確認(rèn)沒有任何遺漏。您也可以一次通過原理圖一根線來確認(rèn)您的發(fā)現(xiàn)。
這些是我們可以應(yīng)用于所有電路板設(shè)計(jì)的頂級PCB設(shè)計(jì)技巧。這些指南雖然數(shù)量不多，但可以作為設(shè)計(jì)功能性和可制造電路板的一個很好的起點(diǎn)。這些PCB設(shè)計(jì)指南只是整體情況的一小部分。但是，它們?yōu)闃?gòu)建和繼續(xù)改進(jìn)您的設(shè)計(jì)流程提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。