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印刷线路元件布局及结构设计

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一、印刷线路元件布局结构设计讨论 

  一台性能优良的仪器,除选择高质量的元器件,合理的电路外,印刷线路板的元件布局和电气连线方向的正确结构设计是决定仪器能否可靠工作的一个关键问题,对同一种元件和参数的电路,由于元件布局设计和电气连线方向的不同会产生不同的结果,其结果可能存在很大的差异。因而,必须把如何正确设计印刷线路板元件布局的结构和正确选择布线方向及整体仪器的工艺结构三方面联合起来考虑,合理的工艺结构,既可消除因布线不当而产生的噪声干扰,同时便于生产中的安装、调试与检修等。 

  下面我们针对上述问题进行讨论,由于优良“结构”没有一个严格的“定义”和“模式”,因而下面讨论,只起抛砖引玉的作用,仅供参考。每一种仪器的结构必须根据具体要求(电气性能、整机结构安装及面板布局等要求),采取相应的结构设计方案,并对几种可行设计方案进行比较和反复修改。印刷板电源、地总线的布线结构选择—-系统结构:模拟电路和数字电路在元件布局图的设计和布线方法上有许多相同和不同之处。模拟电路中,由于放大器的存在,由布线产生的极小噪声电压,都会引起输出信号的严重失真,在数字电路中,TTL噪声容限为0.4V~0.6V,CMOS噪声容限为Vcc的0.3~0.45倍,故数字电路具有较强的抗干扰的能力。良好的电源和地总线方式的合理选择是仪器可靠工作的重要保证,相当多的干扰源是通过电源和地总线产生的,其中地线引起的噪声干扰最大。

二、印刷电路板图设计的基本原则要求 

  1.印刷电路板的设计,从确定板的尺寸大小开始,

印刷电路板的尺寸因受机箱外壳大小限制,以能恰好安放入外壳内为宜,其次,应考虑印刷电路板与外接元器件(主要是电位器、插口或另外印刷电路板)的连接方式。印刷电路板与外接元件一般是通过塑料导线或金属隔离线进行连接。但有时也设计成插座形式。即:在设备内安装一个插入式印刷电路板要留出充当插口的接触位置。对于安装在印刷电路板上的较大的元件,要加金属附件固定,以提高耐振、耐冲击性能。 

  2.布线图设计的基本方法 

 

首先需要对所选用元件器及各种插座的规格、尺寸、面积等有完全的了解;对各部件的位置安排作合理的、仔细的考虑,主要是从电磁场兼容性、抗干扰的角度,走线短,交叉少,电源,地的路径及去耦等方面考虑。各部件位置定出后,就是各部件的连线,按照电路图连接有关引脚,完成的方法有多种,印刷线路图的设计有计算机辅助设计与手工设计方法两种。 

最原始的是手工排列布图。这比较费事,往往要反复几次,才能最后完成,这在没有其它绘图设备时也可以,这种手工排列布图方法对刚学习印刷板图设计者来说也是很有帮助的。计算机辅助制图,现在有多种绘图软件,功能各异,但总的说来,绘制、修改较方便,并且可以存盘贮存和打印。 

接着,确定印刷电路板所需的尺寸,并按原理图,将各个元器件位置初步确定下来,然后经过不断调整使布局更加合理,

印刷电路板中各元件之间的接线安排方式如下: 

  (1)印刷电路中不允许有交叉电路,对于可能交叉的线条,可以用“钻”、“绕”两种办法解决。即,让某引线从别的电阻、电容、三极管脚下的空隙处 “钻”过去,或从可能交叉的某条引线的一端“绕”过去,在特殊情况下如何电路很复杂,为简化设计也允许用导线跨接,解决交叉电路问题。 

  (2)电阻、二极管、管状电容器等元件有“立式”,“卧式”两种安装方式。立式指的是元件体垂直于电路板安装、焊接,其优点是节省空间,卧式指的是元件体平行并紧贴于电路板安装,焊接,其优点是元件安装的机械强度较好。这两种不同的安装元件,印刷电路板上的元件孔距是不一样的。 

  (3)同一级电路的接地点应尽量靠近,并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上。特别是本级晶体管基极、发射极的接地点不能离得太远,否则因两个接地点间的铜箔太长会引起干扰与自激,采用这样“一点接地法”的电路,工作较稳定,不易自激。 

  (4)总地线必须严格按高频-中频-低频一级级地按弱电到强电的顺序排列原则,切不可随便翻来复去乱接,级与级间宁肯可接线长点,也要遵守这一规定。特别是变频头、再生头、调频头的接地线安排要求更为严格,如有不当就会产生自激以致无法工作。调频头等高频电路常采用大面积包围式地线,以保证有良好的屏蔽效果。 

  (5)强电流引线(公共地线,功放电源引线等)应尽可能宽些,以降低布线电阻及其电压降,可减小寄生耦合而产生的自激。 

  (6)阻抗高的走线尽量短,阻抗低的走线可长一些,因为阻抗高的走线容易发笛和吸收信号,引起电路不稳定。电源线、地线、无反馈元件的基极走线、发射极引线等均属低阻抗走线,射极跟随器的基极走线、收录机两个声道的地线必须分开,各自成一路,一直到功效末端再合起来,如两路地线连来连去,极易产生串音,使分离度下降。 

  三、印刷板图设计中应注意下列几点 

  1.布线方向:从焊接面看,元件的排列方位尽可能保持与原理图相一致,布线方向最好与电路图走线方向相一致,因生产过程中通常需要在焊接面进行各种参数的检测,故这样做便于生产中的检查,调试及检修(注:指在满足电路性能及整机安装与面板布局要求的前提下)。 

  2.各元件排列,分布要合理和均匀,力求整齐,美观,结构严谨的工艺要求。 

  3.电阻,二极管的放置方式:分为平放与竖放两种: 

  (1)平放:当电路元件数量不多,而且电路板尺寸较大的情况下,一般是采用平放较好;对于1/4W以下的电阻平放时,两个焊盘间的距离一般取4/10 英寸,1/2W的电阻平放时,两焊盘的间距一般取5/10英寸;二极管平放时,1N400X系列整流管,一般取3/10英寸;1N540X系列整流管,一般取4~5/10英寸。 

  (2)竖放:当电路元件数较多,而且电路板尺寸不大的情况下,一般是采用竖放,竖放时两个焊盘的间距一般取1~2/10英寸。 

  4.电位器:IC座的放置原则 

  (1)电位器:在稳压器中用来调节输出电压,故设计电位器应满中顺时针调节时输出电压升高,反时针调节器节时输出电压降低;在可调恒流充电器中电位器用来调节充电电流折大小,设计电位器时应满中顺时针调节时,电流增大。电位器安放位轩应当满中整机结构安装及面板布局的要求,因此应尽可能放轩在板的边缘,旋转柄朝外。 

  (2)IC座:设计印刷板图时,在使用IC座的场合下,一定要特别注意IC座上定位槽放置的方位是否正确,并注意各个IC脚位是否正确,例如第1脚只能位于IC座的右下角线或者左上角,而且紧靠定位槽(从焊接面看)。 

  5.进出接线端布置 

  (1)相关联的两引线端不要距离太大,一般为2~3/10英寸左右较合适。 

  (2)进出线端尽可能集中在1至2个侧面,不要太过离散。 

  6.设计布线图时要注意管脚排列顺序,元件脚间距要合理。 

  7.在保证电路性能要求的前提下,设计时应力求走线合理,少用外接跨线,并按一定顺充要求走线,力求直观,便于安装,高度和检修。 

  8.设计布线图时走线尽量少拐弯,力求线条简单明了。 

  9.布线条宽窄和线条间距要适中,电容器两焊盘间距应尽可能与电容引线脚的间距相符; 

10.设计应按一定顺序方向进行,例如可以由左往右和由上而下的顺序进行。

 

1 oz.铜即35微米厚,2 oz.70微米, 类推

举例说,线宽0.025英寸,采用2 oz.盎斯的铜,而允许温升30度,那查表可知,最大安全电流是 4.0A 。

 

Trace Carrying Capacity per mil std 275

Temp Rise

10C

20C

30C

Copper

1/2 oz.

1 oz.

2 oz.

1/2 oz.

1 oz.

2 oz.

1/2 oz.

1 oz.

2 oz.

Trace Width

Maximum Current Amps

0.010

0.5

1

1.4

0.6

1.2

1.6

0.7

1.5

2.2

0.015

0.7

1.2

1.6

0.8

1.3

2.4

1

1.6

3

0.020

0.7

1.3

2.1

1

1.7

3

1.2

2.4

3.6

0.025

0.9

1.7

2.5

1.2

2.2

3.3

1.5

2.8

4

0.030

1.1

1.9

3

1.4

2.5

4

1.7

3.2

5

0.050

1.5

2.6

4

2

3.6

6

2.6

4.4

7.3

0.075

2

3.5

5.7

2.8

4.5

7.8

3.5

6

10

0.100

2.6

4.2

6.9

3.5

6

9.9

4.3

7.5

12.5

0.200

4.2

7

11.5

6

10

11

7.5

13

20.5

 

This Javascript web calculator calculates the trace width for printed circuit boards based on a curve fit to IPC-2221 (formerly IPC-D-275 Also see the via calculator.

New features:

Results update as you type

Several choices of units

Units and other settings are saved between sessions

Blog format allows user comments

 

Notes:

The trace width is calculated as follows:

First, the Area is calculated:

Area[mils^2] = (Current[Amps]/(k*(Temp_Rise[deg. C])^b))^(1/c)

Then, the Width is calculated:

Width[mils] = Area[mils^2]/(Thickness[oz]*1.378[mils/oz])

For IPC-2221 internal layers: k = 0.0150, b = 0.5453, c = 0.7349

For IPC-2221 external layers: k = 0.0647, b = 0.4281, c = 0.6732

where k, b, and c are constants resulting from curve fitting to the IPC-2221 curves

一般而言,四层电路板可分为顶层、底层和两个中间层。顶层和底层走信号线,

   中间层首先通过命令DESIGN/LAYER STACK MANAGER用ADD PLANE 添加INTERNAL PLANE1和INTERNAL PLANE2 分别作为用的最多的电源层如VCC和地层如GND(即连接上相应的网络标号。注意不要用ADD LAYER,这会增加MIDPLAYER,后者主要用作多层信号线放置),这样PLNNE1和PLANE2就是两层连接电源VCC和地GND的铜皮。

   如果有多个电源如VCC2等或者地层如GND2等,先在PLANE1或者PLANE2中用较粗导线或者填充FILL(此时该导线或FILL对应的铜皮不存在,对着光线可以明显看见该导线或者填充)划定该电源或者地的大致区域(主要是为了后面PLACE/SPLIT PLANE命令的方便),然后用PLACE/SPLIT PLANE在INTERNAL PLANE1和INTERNAL PLANE2相应区域中划定该区域(即VCC2铜皮和GND2铜片,在同一PLANE中此区域不存在VCC了)的范围(注意同一个PLANE中不同网络表层尽量不要重叠。设SPLIT1和SPLIT2是在同一PLANE中重叠两块,且SPLIT2在SPLIT1内部,制版时会根据SPLIT2的边框自动将两块分开(SPLIT1分布在SPLIT的外围)。只要注意在重叠时与SPLIT1同一网络表的焊盘或者过孔不要在SPLIT2的区域中试图与SPLIT1相连就不会出问题)。这时该区域上的过孔自动与该层对应的铜皮相连,DIP封转器件及接插件等穿过上下板的器件引脚会自动与该区域的PLANE让开。点击DESIGN/SPLIT PLANES可查看各SPLIT PLANES。

   protel99的图层设置与内电层分割
      
      PROTEL99的电性图层分为两种,打开一个PCB设计文档按,快捷键L,出现图层设置窗口。左边的一种(SIGNAL LAYER)为正片层,包括TOP LAYER、BOTTOM LAYER和MIDLAYER,中间的一种(INTERNAL PLANES)负片层,即INTERNAL LAYER。这两种图层有着完全不同的性质和使用方法。正片层一般用于走纯线路,包括外层和内层线路。负片层则多用来做地层和电源层。因为在多层板中的地层和电源层一般都是用整片的铜皮来作为线路(或做为几个较大块的分割区域),如果用MIDLAYER即正片层来做的画则必须用铺铜的方式来实现,这样将使整个设计数据量非常大,不利于数据交流传递,且会影响设计刷新速度。而用负片则只需在外层与内层的连接处生成一个花孔(THERMAL PAD)即可,对于设计和数据传递都非常有利。

    内层的添加与删除

      在一个设计中,有时会遇到变换板层的情况。如把较复杂的双面板改为四层板,或把对信号要求较高的四层板升级为六层板等等。这时需要新增电气图层,可以如下*作:

      DESIGN-LAYER STACK MANAGER,在左边有当前层叠结构的示意图。点击想要添加新层位置的上面一个图层,如TOP,然后点击右边的ADD LAYER(正片)或ADD PLANE(负片),即可完成新图层的添加。

      注意如果新增的图层是PLANE(负片)层的话,一定要给这个新层分配相应的网络(双击该层名)!这里分配的网络只能有一个(一般地层分配一个GND就可以了),如果想要在此层(如作为电源层)中添加新网络,则要在后面的操作中做内层分割才能达到,所以这里先分配一个连接数量较多的网络即可。如点击ADD LAYER则会新增一个MIDLAYER(正片),应用方法和外层线路完全相同。如果想应用混合电气层,即既有走线又有电源地大铜面的方法,则必须使用ADD LAYER来生成的正片层来设计(原因见下)。

     内电层的分割

    如果在设计中有不只一组电源,那可以在电源层中使用内层分割来分配电源网络。这里要用到的命令是:PLACE-SPLIT PLANE,在出现的对话框中设定图层,并在CONNECT TO NET处指定此次分割要分配的网络,然后按照铺铜的方法放置分割区域。放置完成后,在此分割区域中的有相应网络的孔将会自动生成花孔焊盘,即完成了电源层的电气连接。可以重复操作此步骤直到所有电源分配完毕。当内电层需要分配的网络较多时,做内层分割比较麻烦,需要使用一些技巧来完成。

      此处还需要注意一个问题:PROTEL中有两种大铜皮的电气连接方式(不包括PLACE FILL),一种为POLYGON PLANE,即普通的覆铜,此命令只能应用于正片层,包括TOP/BOT/MIDLAYER,另一种为 SPLIT PLANE,即内电层分割,此命令只能应用于负片层即INTERNAL PLANE。应注意区分这两个命令的使用范围。修改分割铺铜的命令:EDIT-MOVE-SPLIT PLANE VERTICES

 

◇ 避免在PCB边缘安排重要的信号线,如时钟和复位信号等。

◇ 将PCB上未使用的部分设置为接地面。

◇ 机壳地线与信号线间隔至少为4毫米。

◇ 保持机壳地线的长宽比小于5:1,以减少电感效应。

◇ 用TVS二极管来保护所有的外部连接。

◇ 已确定位置的器件、线等用LOCK功能将其锁定,使之以后不被误动。

◇ 高低压线路应分隔放置,之间的距离应在3.5mm以上;许多情况下为避免爬电,还在印制线路板上的高低压之间开槽。

◇ 导线的宽度最小不宜小于0.2mm(8mil),在高密度高精度的印制线路中,导线宽度和间距一般可取12mil。

◇ 当铜箔厚度为50μm、导线宽度1~1.5mm、通过电流2A时,温升很小。

◇ 在DIP封装的IC脚间走线,可应用10-10与12-12原则,即当两脚间通过2根线时,焊盘直径可设为50mil、线宽与线距都为10mil,当两脚间只通过1根线时,焊盘直径可设为64mil、线宽与线距都为12mil。

◇ 焊盘孔径:通常情况下以金属引脚直径值加上0.2mm作为焊盘内孔直径,如电阻的金属引脚直径为0.5mm时,其焊盘内孔直径对应为0.7mm。而焊盘直径取决于内孔直径,如下表:

 

孔直径

0.4

0.5

0.6

0.8

1.0

1.2

1.6

2.0

焊盘直径

1.5

1.5

2

2.5

1.5

3

3.5

4

 

△ 当焊盘直径为1.5mm时,为了增加焊盘抗剥强度,可采用长不小于1.5mm,宽为1.5mm和长圆形焊盘,此种焊盘在集成电路引脚焊盘中最常见。

△ 对于超出上表范围的焊盘直径可用下列公式选取:

直径小于0.4mm的孔:D/d=0.5~3 ;直径大于2mm的孔:D/d=1.5~2 ;式中:(D-焊盘直径,d-内孔直径)

◇ 焊盘边缘到印制板边的距离要大于1mm,这样可以避免加工时导致焊盘缺损。

◇ 焊盘补泪滴:当与焊盘连接的走线较细时,要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状,这样的好处是焊盘不容易起皮,而是走线与焊盘不易断开。

◇ 相邻的焊盘要避免大面积的铜箔,因散热过快会导致不易焊接。 可以采用星型连接,即保证连接的低阻抗又便于焊接。

◇ 大面积敷铜:印制线路板上的大面积敷铜常用于两种作用,一种是散热,一种用于屏蔽来减小干扰。大面积敷铜上应有开窗口,加散热孔,应将其开窗口设计成网状。

◇ 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。

◇ PCB尺寸面积过大时,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。电路板面尺寸大于200x150mm时.应考虑电路板所受的机械强度。但实际情况是设计者选用了一定的壳体容积,从而必须在一定形状的板上完成所有的功能。在保证各种性能完整稳定的同时,有可能还要考虑到放置一些扩展功能部件,这就对设计者提出了更高的要求,在关键功能芯片封装选择、功率计算、散热等方面都要综合考虑。

◇  尽可能缩短高频元器件之间的连线,设法减少它们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离。

◇  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。

◇  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。

◇  根据印制线路板电流的大小,尽量加租电源线宽度,减少环路电阻。同时、使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致,这样有助于增强抗噪声能力。

◇ 地线设计的原则:

 ①数字地与模拟地分开。低频电路的地应尽量采用单点并联接地,实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地,地线应短而租,高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔。

 ②接地线应尽量加粗。若接地线用很细的线条,则接地电位随电流的变化而变化,使抗噪性能降低。因此应将接地线加粗,使它能通过三倍于印制板上的允许电流。如有可能,接地线应在2~3mm以上。

 ③接地线构成闭环路。只由数字电路组成的印制板,其接地电路布成闭环路大多能提高抗噪声能力。

◇  退藕电容配置,配置原则是:

 ①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。

 ②原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.1uf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 ~ 10uf的钽电容。

 ③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入退藕电容。

 ④在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时.操作它们时均会产生较大火花放电,必须采用rc 电路来吸收放电电流。一般 r 取 1 ~ 2k,c取2.2 ~ 47uf。

◇ CMOS管脚的输入阻抗很高,且易受感应,因此在使用时对不用端要接地或接正电源。

◇ 凡能不用高速逻辑电路的就不用;在电源与地之间加去耦电容;注意长线传输中的波形畸变。

 

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