印制電路板pcb的設(shè)計(jì)與抗電磁干擾技術(shù)

0組件布局設(shè)計(jì)和封裝工藝結(jié)構(gòu)的聯(lián)合隨著數(shù)字、計(jì)算機(jī)科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的進(jìn)步，人們的工作和生活發(fā)生了很大變化?？茖W(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,特別是電子技術(shù)的發(fā)展,從生產(chǎn)到生活的各個(gè)領(lǐng)域,電氣產(chǎn)品的使用越來(lái)越廣泛。而電氣產(chǎn)品的重要組件——印制電路板的設(shè)計(jì)和抗電磁干擾技術(shù)也日益受到人們的重視。印制電路板(PCB)是在通用基材上,按預(yù)定設(shè)計(jì)形成點(diǎn)間連接元件的電路板。PCB一般按用途、基材和結(jié)構(gòu)又分為軍用印制板、民用印制板、工業(yè)用印制板等。PCB設(shè)計(jì)是其從電原理圖變成一個(gè)電子產(chǎn)品必經(jīng)的過(guò)程,其設(shè)計(jì)的合理性與產(chǎn)品生產(chǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量緊密相關(guān)。而對(duì)于許多從事電子設(shè)計(jì)的人員來(lái)說(shuō),由于組件布局設(shè)計(jì)和布線方向的不同,結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大的差異。在電路設(shè)計(jì)的過(guò)程中,由于電子元器件的分布密度大,連接元器件之間的布線間隔愈來(lái)愈小,加上模塊電路大大縮小了電子產(chǎn)品的體積。雖然電路會(huì)變得很靈巧,但勢(shì)必會(huì)有更多的元件集中在一個(gè)小空間內(nèi),必然會(huì)導(dǎo)致電路間的互相干擾,其中以電磁干擾及噪聲頗令設(shè)計(jì)工程師感到困擾。因而,必須把如何正確設(shè)計(jì)PCB組件布局和正確選擇布線方向及整體儀器的工藝結(jié)構(gòu)三方面聯(lián)合考慮。合理的工藝結(jié)構(gòu),既可消除因布線不當(dāng)而產(chǎn)生的電磁干擾及噪聲,同時(shí)也便于生產(chǎn)中的安裝和調(diào)試。1高頻區(qū)域內(nèi)元件的布置要求電子線路要想獲得最佳的性能,元器件的布局及導(dǎo)線的布設(shè)是非常重要的一環(huán)。在印制電路板總體設(shè)計(jì)時(shí),首先要考慮PCB板尺寸大小。PCB板尺寸過(guò)大時(shí),印制線條長(zhǎng),阻抗增加,抗噪聲能力下降,成本也相應(yīng)增加;如果尺寸過(guò)小,則散熱不好,且鄰近線條易受干擾。總的來(lái)說(shuō),確定PCB板尺寸后,根據(jù)電路的功能單元,對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行總體布局時(shí),應(yīng)滿足以下要求:(1)在電路板上有高壓電路和低壓電路時(shí),高壓電路與低壓電路的元器件要分隔放置,隔離距離與要承受的耐壓有關(guān),通常情況下,在2000V時(shí)板上的線間距不小于2mm。(2)以每個(gè)功能電路的核心元件為中心,圍繞它來(lái)進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在線路板上,盡量減少和縮短各元器件之間的引線。(3)對(duì)元器件重量超過(guò)20g的應(yīng)當(dāng)采取固定措施,固定完畢后再進(jìn)行焊接。有些元器件又大又重、散熱量大的應(yīng)盡量布置在印制板的上端,熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。(4)對(duì)照電路的流程,安排各個(gè)功能電路單元的位置,使布局便于信號(hào)流通,并使信號(hào)流向盡可能保持一致的方向。(5)一般電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列。這樣,不但美觀,而且方便裝焊。在高頻下工作的電路,要考慮元器件之間的分布參數(shù)。(6)PCB板邊緣的元器件,離PCB板邊緣一般不小于2mm。PCB板的最佳形狀為矩形,長(zhǎng)寬比為3∶2。電路板面尺寸大于150mm×200mm時(shí)應(yīng)考慮電路板的機(jī)械強(qiáng)度。(7)個(gè)別元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差,應(yīng)加大它們之間的距離,以免放電引起短路。帶高電壓的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時(shí)手不易觸及的地方,避免造成高壓電擊。(8)對(duì)于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動(dòng)開關(guān)等可調(diào)元件的布局應(yīng)考慮整機(jī)的結(jié)構(gòu)要求,應(yīng)放置在與調(diào)節(jié)旋鈕相適應(yīng)的位置。(9)盡可能縮短高頻元器件之間的連線,設(shè)法減少其分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能放置太近,輸出和輸入元件應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離。2提高數(shù)字電路的準(zhǔn)確度隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的使用使PCB的布線愈加精密和復(fù)雜,PCB布線設(shè)計(jì)的好壞對(duì)印制電路板的影響很大。在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí),不但要按照PCB設(shè)計(jì)的基本規(guī)則,而且還要考慮如何降低電板的電磁輻射和抗干擾性能。在PCB布線設(shè)計(jì)時(shí),通過(guò)合理的電源布線設(shè)計(jì)、信號(hào)布線設(shè)計(jì),也是提高電磁兼容的好辦法。(1)為了抑制PCB導(dǎo)線之間的串?dāng)_,在設(shè)計(jì)布線時(shí)應(yīng)盡量避免長(zhǎng)距離的平行走線,盡可能拉開線與線之間的距離,信號(hào)線與地線及電源線盡可能不交叉,在一些對(duì)干擾十分敏感的信號(hào)線之間設(shè)置一根接地的印制線,可以有效地抑制信號(hào)串?dāng)_。(2)PCB導(dǎo)線的最小寬度主要由導(dǎo)線與絕緣基板間的粘附強(qiáng)度和流過(guò)它們的電流值決定。當(dāng)銅箔厚度為0.05mm、寬度為1~3mm時(shí),可通過(guò)2A的電流。對(duì)于集成電路,尤其是數(shù)字電路,通常選0.25~0.4mm導(dǎo)線寬度。當(dāng)然,只要允許,還是盡可能用寬線,尤其是電源線和地線。導(dǎo)線的最小間距主要由線間絕緣電阻和擊穿電壓決定。對(duì)于集成電路,尤其是數(shù)字電路,只要工藝允許,可使間距小至5mm。(3)PCB導(dǎo)線拐彎處一般取圓弧形,而直角或銳角在高頻電路中會(huì)影響電氣性能。此外,應(yīng)盡量避免使用大面積銅箔,否則長(zhǎng)時(shí)間受熱時(shí),易發(fā)生銅箔膨脹和脫落現(xiàn)象。必須用大面積銅箔時(shí),最好用網(wǎng)眼形狀布設(shè),這有利于排除銅箔與基板間粘合劑受熱產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體。(4)焊盤中心孔要比器件引線直徑稍大一些。焊盤太大易形成虛焊。焊盤外徑D一般不小于(d+1.2)mm,其中d為引線孔徑。對(duì)高密度的數(shù)字電路,焊盤最小直徑可取(d+1.0)mm。(5)輸入輸出端用的PCB導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行,最好在輸入輸出端加線間地線,以免發(fā)生反饋耦合。3電子設(shè)備的工作環(huán)境在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,人們?nèi)菀缀鲆曉谠O(shè)計(jì)中融入抗干擾技術(shù),這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)者常常把主要精力都集中在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能設(shè)計(jì)方面,而忽視了電子產(chǎn)品內(nèi)部或電子產(chǎn)品之間還會(huì)出現(xiàn)互相的電磁干擾問(wèn)題,尤其是在進(jìn)行高頻電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),一旦忽視了抗電磁干擾技術(shù),就會(huì)出現(xiàn)電子設(shè)備因受到系統(tǒng)的電磁干擾,而最終不得不進(jìn)行重新設(shè)計(jì)的尷尬地步?，F(xiàn)在的電子工程師及線路的設(shè)計(jì)者,除了要確認(rèn)設(shè)計(jì)的電路能工作于理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境外,還要使電路能工作在有電磁干擾或噪聲的實(shí)際環(huán)境中。好的電路設(shè)計(jì),電路在工作中不被外來(lái)的噪聲所干擾,而且本身也不成為干擾源。從設(shè)計(jì)的角度看,PCB的抗干擾設(shè)計(jì)與具體電路有著密切的關(guān)系。3.1抗噪聲設(shè)計(jì)電源和地線方式的合理選擇是儀器可靠工作的重要保證。相當(dāng)多的干擾源來(lái)自電源和地線,其中地線引起的噪聲干擾最大。根據(jù)PCB電流的大小,電源線、地線線條的設(shè)計(jì)要盡量粗而短,尤其是地線,這樣可減少環(huán)路電阻,同時(shí)使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致,這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。在條件允許的情況下盡量采用多層板。實(shí)踐證明,四層板比雙面板噪聲低20dB,六層板又比四層板噪聲低10dB。3.2接地電路的設(shè)計(jì)接地問(wèn)題是一個(gè)表面上看似簡(jiǎn)單但實(shí)質(zhì)上卻很復(fù)雜的系統(tǒng)工程。接地的實(shí)施與系統(tǒng)其他電路的設(shè)計(jì)同樣重要,良好的接“地”設(shè)計(jì),不僅可以有效地抑制外來(lái)電磁干擾的侵入,而且還保證設(shè)備和系統(tǒng)安全穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。在地線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮系統(tǒng)地、機(jī)殼地(屏蔽地)、數(shù)字地(邏輯地)和模擬地等。在地線設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn):(1)正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地在低頻電路中,信號(hào)的工作頻率小于1MHz,它的布線和器件間的電感影響較小,而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大,因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地。當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10MHz時(shí),地線阻抗變得很大,此時(shí)應(yīng)盡量降低地線阻抗,應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。當(dāng)工作頻率在1~10MHz時(shí),如果采用一點(diǎn)接地,其地線長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)波長(zhǎng)的1/20,否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地法。(2)數(shù)字地與模擬地設(shè)計(jì)要分開若線路板上既有邏輯電路又有線性電路,應(yīng)使它們盡量分開,而兩者的地線不要相混,分別與電源端地線相連。要盡量加大線性電路的接地面積。低頻電路的地應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地,實(shí)際布線有困難時(shí)可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地。高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地,地線應(yīng)短而粗,高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積接地。(3)接地線應(yīng)盡量加粗,地線寬度應(yīng)是信號(hào)、控制線的1~3倍若接地線用很細(xì)的線條,則接地電位會(huì)隨電流的變化而變化,使抗噪性能降低。因此應(yīng)將接地線加粗,使它能通過(guò)三倍于印制板上的允許電流。如印制板條件允許,接地線應(yīng)在2~3mm以上。(4)接地線構(gòu)成閉環(huán)路當(dāng)只有數(shù)字電路組成的PCB時(shí),其接地電路布線成團(tuán)環(huán)路,大多能提高抗噪聲能力。其原因在于:PCB上有很多集成電路元件,尤其遇到能耗高的元件時(shí),因受接地線粗細(xì)的限制,會(huì)產(chǎn)生較大的電位差,引起抗噪聲能力下降,若將接地結(jié)構(gòu)成環(huán)路,則會(huì)縮小電位差值,提高電子設(shè)備的抗噪聲能力。(5)CMOS運(yùn)放電路的輸入阻抗很高,且易受感應(yīng),在使用時(shí)對(duì)不用端要接地或接正電源。信號(hào)線間設(shè)置地線,在PCB允許的條件下,地線布設(shè)得越多抗串?dāng)_越好。3.3電容的選擇和布置在直流電源回路中,負(fù)載的變化會(huì)引起電源噪聲。如在數(shù)字電路中,當(dāng)電路從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)時(shí),就會(huì)在電源線上產(chǎn)生一個(gè)很大的尖峰電流,形成瞬變的噪聲電壓。為消除公共阻抗有害耦合,PCB設(shè)計(jì)的常規(guī)做法之一是,在印制板的各個(gè)關(guān)鍵部位配置適當(dāng)?shù)娜ヱ铍娙?去耦電容的一般配置原則是:(1)電源輸入端跨接10~100μF的電解電容器。如有可能,接100μF以上的效果更好。(2)各元件的電源輸入端對(duì)地VDD-VSS,VBB-VSS間接入高頻特性好的0.1μF的陶瓷電容作為高頻去耦。(3)每個(gè)集成電路芯片都應(yīng)布置一個(gè)0.01μF的陶瓷電容,如果印制板空隙不夠,可每3~6個(gè)芯片布置一個(gè)1~10μF的鉭電容。(4)對(duì)于抗噪能力弱、關(guān)斷時(shí)電源變化較大的ROM、RAM存儲(chǔ)器件,應(yīng)在芯片的電源線和地線的進(jìn)線端接入退耦電容,電容選擇10~100μF,以提高電路的抗噪聲能力。(5)電容引線不宜太長(zhǎng),尤其是高頻旁路電容不能有引線。4器件的排列和布置電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)除了整機(jī)的熱設(shè)計(jì)外,PCB板的熱設(shè)計(jì)也十分重要。在設(shè)計(jì)PCB裝配工藝時(shí),要從有利于散熱的角度出發(fā),PCB板最好是直立安裝,板與板之間的距離一般不應(yīng)小于2cm,對(duì)于采用空氣自由對(duì)流冷卻的器件,最好是將集成電路按縱長(zhǎng)方式排列;對(duì)于采用強(qiáng)制空氣冷卻的器件,最好是將集成電路按橫長(zhǎng)方式排列。同一塊PCB上的器件應(yīng)盡可能按其發(fā)熱量大小及散熱程度分區(qū)排列,發(fā)熱量小或耐熱性差的器件(如小規(guī)模集成電路、電解電容等)放在冷卻氣流的入口處,發(fā)熱量大或耐熱性好的器件(如功率晶體管、大規(guī)模集成電路等)放在冷卻氣流走向的下方。在水平方向上,大功率器件盡量靠近印制板邊沿布置,以便縮短傳熱路徑;在垂直方向上,大功率器件盡量靠近印制板上方布置,以便減少這些器件工作時(shí)對(duì)其他器件溫度的影響。對(duì)溫度比較敏感的器件最好安置在溫度最低的區(qū)域,不能將它放在發(fā)熱器件的正上方,多個(gè)器件最好是在水平面上交錯(cuò)布設(shè)。設(shè)備內(nèi)PCB的散熱主要依靠空氣流動(dòng),所以在設(shè)計(jì)時(shí)要研究空氣流動(dòng)路徑,合理配置器件?？諝饬鲃?dòng)時(shí)總是趨向于阻力小的地方流動(dòng),因此,在PCB上配置器件時(shí),要避免在某個(gè)區(qū)域留有較大的空間,整機(jī)在配置時(shí)也應(yīng)注意同樣的問(wèn)題。大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,設(shè)計(jì)合理的