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技術(shù)專題
PCB設(shè)計(jì)需要知道的5個(gè)準(zhǔn)則
1、微調(diào)器件位置
2、放置電源、GND和信號(hào)線
3、分開(kāi)處理
4、解決發(fā)熱問(wèn)題
5、設(shè)計(jì)規(guī)則檢查布局
設(shè)計(jì)一個(gè)在紙上和物理上都真實(shí)的板子的關(guān)鍵是什么?讓我們來(lái)看看你需要知道的前5個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，來(lái)設(shè)計(jì)你的下一個(gè)可制造、功能和可靠的PCB。當(dāng)開(kāi)始一個(gè)新的設(shè)計(jì)時(shí)，很容易把PCB設(shè)計(jì)準(zhǔn)則作為事后的考慮，因?yàn)槟惆汛蟛糠謺r(shí)間花在電路設(shè)計(jì)和元件選擇上。但是在結(jié)束的時(shí)候，沒(méi)有提供足夠的時(shí)間和集中精力在PCB布局的基礎(chǔ)上可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)從數(shù)字領(lǐng)域到物理現(xiàn)實(shí)的轉(zhuǎn)換很差，并可能最終成為你造成麻煩。那么設(shè)計(jì)一個(gè)在紙上和物理上都真實(shí)的板子的關(guān)鍵是什么呢?讓我們來(lái)探討5個(gè)PCB設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，為你設(shè)計(jì)出可靠的PCB。
一、微調(diào)器件位置
PCB布局過(guò)程的組件放置階段既是一門藝術(shù)，也是一門科學(xué)，需要對(duì)板上可用的主要空間進(jìn)行戰(zhàn)略性考慮。電子元件位置放置良好，可減少PCB貼片制造的難度及制作費(fèi)用，提高可靠性。
在元件放置過(guò)程中，有許多PCB布局規(guī)則需要考慮。雖然一般的電路板布局準(zhǔn)則告訴你把元件按連接器、電源電路、精密電路、關(guān)鍵電路等分類，也有幾個(gè)具體的電路板布局準(zhǔn)則要記住。
1、取向，確保相似的元件方向相同，這將有助于在PCB設(shè)計(jì)中有效的布線。它還有助于確保有效和無(wú)錯(cuò)誤的焊接過(guò)程中組裝。
2、位置，避免將組件放置在板的焊料一側(cè)，否則將放置在鍍通孔組件的后面。
3、組織，建議將所有表面貼裝設(shè)備(SMD)組件按照SMD PCB設(shè)計(jì)規(guī)則放置在板的同一側(cè)。所有通孔(TH)組件應(yīng)放置在你的板的頂部一側(cè)，以盡量減少組裝步驟的數(shù)量。
4、重點(diǎn) ,當(dāng)使用混合器件組件(通孔和表面貼裝組件)時(shí)，貼片制作時(shí)貼片廠會(huì)增加價(jià)格。
良好組件方向(左)和糟糕芯片元件方向(右)
良好組件放置(左)和糟糕的組件放置(右)
二、放置電源、GND和信號(hào)線
放置好組件后，現(xiàn)在就可以對(duì)電源、接地和信號(hào)進(jìn)行布線，以確保信號(hào)有一個(gè)干凈、無(wú)故障的傳輸路徑。這里有一些指導(dǎo)方針，要記住這一階段的布局過(guò)程:
設(shè)置電源和地平面
建議電源線和地平面在pcb板內(nèi)部，同時(shí)也要對(duì)稱和居中。這將有助于防止板彎曲，這也將影響組件是否正確定位。注意，這在雙層板上是不可能的，因?yàn)闆](méi)有任何空間來(lái)放置組件，IC供電，建議為每個(gè)電源使用公共電源線。
PCB布線
接下來(lái)，連接信號(hào)線以匹配原理圖。建議器件到器件的連線最短。如果組件放置迫使水平跟蹤路由位于面板的一側(cè)，則將一側(cè)面板上的線垂直于另一側(cè)。這是2層PCB設(shè)計(jì)規(guī)則之一。
隨著堆疊層數(shù)的增加，印刷電路板設(shè)計(jì)規(guī)則和PCB布局規(guī)則變得更加復(fù)雜。你的走線策略將需要在交替層中交替使用水平和垂直布線，除非你使用參考平面將每個(gè)信號(hào)層分開(kāi)。在用于特殊應(yīng)用的非常復(fù)雜的電路板中，許多常用的PCB經(jīng)驗(yàn)可能不再適用，需要根據(jù)電路板的實(shí)際情況進(jìn)行分析。
定義網(wǎng)絡(luò)線寬
pcb設(shè)計(jì)需要不同的網(wǎng)絡(luò)，將攜帶大范圍的電流，這將規(guī)定所需的網(wǎng)寬。考慮到這一基本要求，建議為低電流模擬和數(shù)字信號(hào)提供0.01mm的寬度。攜帶0.3 A以上的線應(yīng)該更寬。
建議布線(箭頭表示焊料移動(dòng))
不建議布線(箭頭表示焊料移動(dòng))
三、分開(kāi)處理
電源電路和電流峰值中的高電壓會(huì)干擾低壓控制電路。為了盡量減少這種干擾問(wèn)題，電力電子PCB設(shè)計(jì)準(zhǔn)則往往建議如下:
1、分離，每個(gè)供電階段，務(wù)必將電源地和控制地分開(kāi)。如果你必須把它們綁在你的pcb上，確保它在你的供應(yīng)路徑的末端。
2、位置，如果你已經(jīng)把你的地平面放在中間層，一定要放置一個(gè)小的阻抗路徑，以減少任何電源電路干擾的風(fēng)險(xiǎn)，并幫助保護(hù)控制信號(hào)。同樣的方針可以遵循，以保持?jǐn)?shù)字和模擬地面分開(kāi)。
3、耦合，為了減少電容耦合，由于放置一個(gè)大的接地面和線路的布線上面和下面，盡量讓模擬地面只有模擬線路交叉。
四、解決發(fā)熱問(wèn)題
電路板發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致電路性能下降甚至電路板損壞，如果不考慮散熱問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題會(huì)影響電路板工作。以下是解決發(fā)熱問(wèn)題指導(dǎo)方針:
1、辨識(shí)組件
第一步是開(kāi)始考慮哪些組件將在你的板上消耗最多的熱量。通過(guò)組件的數(shù)據(jù)表，找到“熱阻”等級(jí)，然后按照推薦來(lái)轉(zhuǎn)移熱量。例如：散熱器和冷卻風(fēng)扇。同時(shí)讓關(guān)鍵的組件遠(yuǎn)離高熱源。
如果有多個(gè)組件產(chǎn)生大量熱量，將這些組件分布在整個(gè)板上，而不是將它們聚集在一個(gè)位置。這樣可以防止熱斑在板上形成。在設(shè)計(jì)路由策略時(shí)，必須小心地平衡這些組件的位置和走線長(zhǎng)短問(wèn)題，這是考驗(yàn)?zāi)愕募夹g(shù)。
2、添加散熱片
添加散熱片是電路板散熱常用手段。建議在通孔組件上使用散熱片，通過(guò)減緩?fù)ㄟ^(guò)組件板的熱下沉速度，使焊接過(guò)程盡可能容易。
一些設(shè)計(jì)師會(huì)告訴你使用熱浮雕圖案的任何通孔或洞連接到地面或動(dòng)力平面。這并不總是好的建議。電源/GND 出現(xiàn)在IC周邊，具有很快的開(kāi)關(guān)速度，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，將熱量從電路中轉(zhuǎn)移開(kāi)，有助于調(diào)節(jié)IC的溫度。
地平面可以作為一個(gè)大散熱器，然后輸送熱量均勻的整個(gè)板。因此，如果一個(gè)特定的通孔連接到一個(gè)地面，省略該通孔上的熱釋放墊將允許熱量傳導(dǎo)到地面。這比保持熱量被困在GND表更可取。然而，這可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題，如果你的板是使用波峰焊組裝，因?yàn)槟阈枰３譄崃渴占砻妗?span>
除了熱浮雕，也可以在痕跡連接處添加淚滴，以提供額外的銅箔/金屬支撐。這將有助于減少機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力。
五、根據(jù)PCB設(shè)計(jì)規(guī)則檢查布局
在設(shè)計(jì)項(xiàng)目快要結(jié)束的時(shí)候，你很容易因?yàn)橐咽Ｏ碌牟考丛谝黄疬M(jìn)行生產(chǎn)而不知所措。在這個(gè)階段，反復(fù)檢查你的工作中的任何錯(cuò)誤都可能意味著制造的成功或失敗。
為了幫助這個(gè)質(zhì)量控制過(guò)程，總是建議從你的電氣規(guī)則檢查(ERC)和設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)開(kāi)始，以驗(yàn)證你已經(jīng)滿足了所有已建立的約束條件。使用這兩個(gè)規(guī)則，可以輕松地為特定的工程定義間隙寬度、走線寬度、通用制造要求、高速電氣要求和其他物理要求。以自動(dòng)化PCB布局審查，驗(yàn)證布局。
注意，許多設(shè)計(jì)流程都聲明你應(yīng)該在設(shè)計(jì)階段結(jié)束時(shí)運(yùn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查，同時(shí)準(zhǔn)備進(jìn)行生產(chǎn)。如果你使用了正確的設(shè)計(jì)軟件，你可以在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中運(yùn)行檢查，這允許你盡早識(shí)別設(shè)計(jì)潛在的問(wèn)題并快速地糾正它們。
當(dāng)你最終的ERC和DRC產(chǎn)生了沒(méi)有錯(cuò)誤的結(jié)果時(shí)，建議檢查每個(gè)信號(hào)的走線，并確認(rèn)你沒(méi)有錯(cuò)過(guò)任何東西，一次通過(guò)原理圖中的一根線。當(dāng)然，確保PCB布局符合原理圖與設(shè)計(jì)工具的探測(cè)。
總結(jié)：這 5個(gè)PCB設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，每個(gè)PCB設(shè)計(jì)師都需要知道。通過(guò)遵循這一小部分的建議，很快就可以設(shè)計(jì)出一款功能強(qiáng)大、可制造的電路板，并生產(chǎn)出真正高質(zhì)量的印刷電路板。良好的PCB設(shè)計(jì)實(shí)踐是成功的關(guān)鍵。這些PCB設(shè)準(zhǔn)則只觸及了表面，但它們?yōu)樵谒性O(shè)計(jì)實(shí)踐中建立和鞏固持續(xù)改進(jìn)的實(shí)踐奠定了基礎(chǔ)。