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在设计中,从PCB板的装配角度来看,要考虑以下参数:
1)孔的直径要根据最大材料条件( MMC) 和最小材料条件(LMC) 的情况来决定。一个无支撑元器件的孔的直径应当这样选取,即从孔的MMC 中减去引脚的MMC ,所得的差值在0.15 -0. 5mm 之间。而且对于带状引脚,引脚的标称对角线和无支撑孔的内径差将不超过0.5mm ,并且不少于0.15mm。
2) 合理放置较小元器件,以使其不会被较大的元器件遮盖。
3) 阻焊的厚度应不大于0.05mm。
4) 丝网印制标识不能和任何焊盘相交。
5) 电路板的上半部应该与下半部一样,以达到结构对称。因为不对称的电路板可能会变弯曲。
1、高频元件:高频元件之间的连线越短越好,设法减小连线的分布参数和相互之间的电磁干扰,易受干扰的元件不能离得太近。隶属于输入和隶属于输出的元件之间的距离应该尽可能大一些。
2、具有高电位差的元件:应该加大具有高电位差元件和连线之间的距离,以免出现意外短路时损坏元件。为了避免爬电现象的发生,一般要求2000V电位差之间的铜膜线距离应该大于2mm,若对于更高的电位差,距离还应该加大。带有高电压的器件,应该尽量布置在调试时手不易触及的地方。
3、重量太大的元件:此类元件应该有支架固定,而对于又大又重、发热量多的元件,不宜安装在电路板上。
4、发热与热敏元件:注意发热元件应该远离热敏元件。
(1)避免在PCB边缘安排重要的信号线,如时钟和复位信号等。
(2)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。
(3)已确定位置的器件和线用LOCK功能将其锁定,使之以后不被误动。
(4)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。
(5)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。
(6)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。
(7)设计遇到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,这样焊盘不容易起皮,走线与焊盘不易断开。
(8)大面积敷铜设计时敷铜上应有开窗口,加散热孔,并将开窗口设计成网状。
(9)尽可能缩短高频元器件之间的连线,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远离。
具体的需要看设计要求,通常是柱梁板的混凝土标号是高于基础构件。
依照楼梯设计规范的标准,楼梯的每一级踏步应该高15厘米,宽28厘米,要求设计师对尺寸有个透彻的了解和掌握,才能使楼梯的设计行走便利,而所占空间最少。根据实际情况显示,楼梯踏步的高度应小于18厘米,宽度...
软装设计规则:.比例与技巧 原则要点:圣.奥古斯丁说:'美是各部分的适当比例,再加一种悦目的颜色。'比例是物与物的相比,表明各种相对面间的相对度量关系,在美学中,最经典的比例分配...
传统的PCB设计流程,在信号速率越来越高,甚至GHZ以上的高速PCB设计领域已经不适用了。高速PCB设计必须和仿真以及验证完美的结合在一起。而仿真也不是传统意义的简单的对设计进行验证,而是嵌入整个设计流程的前仿真得到规则,规则驱动设计,到最后的后仿真验证。
在PCB设计中,其实在正式布线前,还要经过很漫长的步骤,以下就是PCB设计主要的流程:
首先要先规划出该电子设备的各项系统规格。包含了系统功能,成本限制,大小,运作情形等等。
接下来必须要制作出系统的功能方块图。方块间的关系也必须要标示出来。
将系统分割几个PCB 将系统分割数个PCB的话,不仅在尺寸上可以缩小,也可以让系统具有升级与交换零件的能力。系统功能方块图就提供了我们分割的依据。像是计算机就可以分成主机板、显示卡、声卡、软盘驱动器和电源等等。
决定使用封装方法,和各PCB的大小 当各PCB使用的技术和电路数量都决定好了,接下来就是决定板子的大小了。如果PCB设计的过大,那么封装技术就要改变,或是重新作分割的动作。在选择技术时,也要将线路图的品质与速度都考量进去。
高速模拟/数字转换器 (High speed ADC) 通常是模拟前端PCB电路系统里最基本的组成组件。由于模拟/数字元转换器的性能决定系统的整体效能表现,因此系统制造商往往将模拟/数字转换器视为最重要的组件。本文将详细介绍超音波系统前端的运作原理,并特别讨论模拟/数字转换器在其中所发挥的作用。
在PCB设计超音波系统的前端PCB电路时,制造商必须审慎考虑几项重要因素,以便进行适当的取舍。医务人员能否作出正确的诊断,乃取决于模拟PCB电路在这个过程当中关键性的作用。
模拟PCB电路的表现则取决于许多不同的参数,其中包括通道之间的串音干扰、无杂散讯号动态范围 (SFDR) 以及总谐波失真。因此制造商在决定选用何种模拟PCB电路之前,必须详细考虑这些参数。
以模拟/数字转换器为例来说,如果加设串行 LVDS 驱动器等先进PCB电路,便可缩小PCB电路板,以及抑制电磁波等噪声的干扰,有助于进一步改善系统的PCB设计。微型化、高效能及功能齐备的超音波系统产品的制造,造成市场上持续要求生产低耗电模拟IC,使其具备与放大器、模拟/数字转换器和小封装的更佳整合。
超音波影像系统是目前最常用而又最精密的讯号处理仪器,可协助医务人员作出正确诊断。在超音波系统的前端,采用极度精密的模拟讯号处理PCB电路,像是模拟/数字转换器及低噪声放大器(LNA)等,而这些模拟PCB电路的表现是决定系统效能的关键因素。
超音波设备非常接近于雷达或声纳系统,只不过是在不同的频率带(范围)中操作。 雷达操作于GHz(千兆赫)的范围中,声纳在kHz(千赫)的范围内,而超音波系统则在MHz(兆赫)范围内操作。 这些设备的原理几乎与商业和军用航空器所用的-数组天线雷达系统操作模式相同。雷达系统的PCB设计者是使用相控操纵波束形成器数组为原理,这些原理后来也被超音波系统PCB设计者采用并加以改进。
在所有超音波系统仪器中,都有一个多元转换器在相对较长的电缆(大约2公尺)的末端。电缆内含高达 256 条微型同轴电缆,是超音波系统内最昂贵的组件之一。超音波系统一般会配备多个不同的转换器探头,让负责操作的医务人员可以依扫描影像的现场需求来选择适用的转换器。
扫描过程的第一步,每一个转换器负责产生脉冲讯号,并将讯号传送出去。传送出去的脉冲讯号以高频率的声波形式穿过人体组织,声波的传送速度一般介于1至20MHz之间。这些脉冲讯号开始在人体内进行定时和定标侦测。当讯号穿越身体的组织时,其中部分声波会反射回转换器模块,并由转换器负责侦测这些回波的电位(转换器将讯号传送出去之后,会立即进行切换,改用接收模式)。回波讯号的强度取决于回波讯号反射点在人体内的位置。直接从皮下组织反射回来的讯号一般都极强,而从人体内深入部位反射回来的讯号则极微弱。
由于健康安全相关法律对人体可以承受的最大辐射量有所规定,因此工程师PCB设计的电子接收系统必须极为灵敏。接近于人体表皮的病症区,我们称之为近场 (near field),被反射回来的能量是高的。 但是如果病症区在人体内的深处部位,称之为远场 (far field),接收到的回波将极为微弱,因此必须被放大为1000倍或以上。
在远场影像的模式时,其效能限制来自于接收链路中存在的所有噪声。转换器/电缆组件以及接收系统的低噪声放大器是两个最大的外来噪声源。 而近场影像模式下,效能限制则是来自于输入讯号的大小。 这两种讯号之间的比率决定了超音波仪器的动态范围。
通过一系列接收器的时相转换、振幅调整以及智能型累计回波能量等过程,既可以获得高清晰度的影像。利用转换器数组的时移与调整接收讯号振幅的原理可以使设备具有定点观测扫描部位的功能。经过序列化的不同部位定位观测,超音波仪器即可建立一个组合影像。
数字聚波可以完成讯号的组合处理。在数字聚波中,经由身体内某一点反射回来的回波脉冲讯号会在每一信道内先储存起来,然后按照其先后次序排列一起,并将之固定成为同调讯号,然后聚集起来。这种将多个模拟/数字转换器的输出聚集一起的处理方法可以提高增益,因为信道内的噪声是互不相关的。(备注:模拟聚波技术基本已经成为过时的方法,现代所采用的大部分为数字聚波)。影像的形成,是于最接近转换器系统的仿真层取样,将其存储起来,再以数字化把它们聚集在一起而成。
DBF 系统需要精确的信道与信道匹配。两信道均需要VGA(视频图形数组),这种情况将会持续,直到模拟/数字转换器设备足够应付大的动态范围,并可以提供合理的成本和低耗电量。
1. 灰度影像 -- 产生基本的黑白图像
影像将被辨析成1毫米那么小的单位,呈现的影像是由发射能量以及检测那些返回的能量而成 (如先前所述)。
2. 多普勒影像(Doppler)-- 多普勒模式 (Doppler mode) 是通过跟踪回波的频率偏移来探测物体在各种环境中运动的速度。这些原理被应用在检查体内血液或者其它液体在体内流动的情形。这种技术是透过发射一连串声波进入体内,然后对反射波进行快速傅利叶转换(Fourier Transform, FFT)处理。这种计算处理方法即可确定来自人体的讯号频率分量,以及它们与流体速度的关系。
3.静脉和动脉模式 -- 这种方式是将多普勒影像与灰度模式的联合应用。通过处理多普勒位移产生的音效讯号即可获得速率与节律。
一旦选用了过孔,务必处理好它与周边各实体的间隙,特别是容易被忽视的中间各层与过孔不相连的线与过孔的间隙,如果是自动布线,可在"过孔数量最小化" ( Via Minimiz8tion)子菜单里选择"on"项来自动解决。(2)需要的载流量越大,所需的过孔尺寸越大,如电源层和地层与其它层联接所用的过孔就要大一些。
Overlay
为方便电路的安装和维修等,在印刷板的上下两表面印刷上所需要的标志图案和文字代号等,例如元件标号和标称值、元件外廓形状和厂家标志、生产日期等等。不少初学者设计丝印层的有关内容时,只注意文字符号放置得整齐美观,忽略了实际制出的PCB效果。他们设计的印板上,字符不是被元件挡住就是侵入了助焊区域被抹赊,还有的把元件标号打在相邻元件上,如此种种的设计都将会给装配和维修带来很大不便。正确的丝印层字符布置原则是:"不出歧义,见缝插针,美观大方"。
特殊性
Protel封装库内有大量SMD封装,即表面焊装器件。这类器件除体积小巧之外的最大特点是单面分布元引脚孔。因此,选用这类器件要定义好器件所在面,以免"丢失引脚(Missing Plns)"。另外,这类元件的有关文字标注只能随元件所在面放置。
网格状填充区(External Plane )和填充区(Fill)
正如两者的名字那样,网络状填充区是把大面积的铜箔处理成网状的,填充区仅是完整保留铜箔。初学者设计过程中在计算机上往往看不到二者的区别,实质上,只要你把图面放大后就一目了然了。正是由于平常不容易看出二者的区别,所以使用时更不注意对二者的区分,要强调的是,前者在电路特性上有较强的抑制高频干扰的作用,适用于需做大面积填充的地方,特别是把某些区域当做屏蔽区、分割区或大电流的电源线时尤为合适。后者多用于一般的线端部或转折区等需要小面积填充的地方。
Pad
焊盘是PCB设计中最常接触也是最重要的概念,但初学者却容易忽视它的选择和修正,在设计中千篇一律地使用圆形焊盘。选择元件的焊盘类型要综合考虑该元件的形状、大小、布置形式、振动和受热情况、受力方向等因素。Protel在封装库中给出了一系列不同大小和形状的焊盘,如圆、方、八角、圆方和定位用焊盘等,但有时这还不够用,需要自己编辑。例如,对发热且受力较大、电流较大的焊盘,可自行设计成"泪滴状",在大家熟悉的彩电PCB的行输出变压器引脚焊盘的设计中,不少厂家正是采用的这种形式。一般而言,自行编辑焊盘时除了以上所讲的以外,还要考虑以下原则:
(1)形状上长短不一致时要考虑连线宽度与焊盘特定边长的大小差异不能过大;
(2)需要在元件引角之间走线时选用长短不对称的焊盘往往事半功倍;
(3)各元件焊盘孔的大小要按元件引脚粗细分别编辑确定,原则是孔的尺寸比引脚直径大0.2- 0.4毫米。
PCB放置焊盘:
1 .放置焊盘的方法
可以执行主菜单中命令 Place/Pad ,也可以用组件放置工具栏中的 Place Pad 按钮。
进入放置焊盘( Pad )状态后,鼠标将变成十字形状,将鼠标移动到合适的位置上单击就完成了焊盘的放置。
2 .焊盘的属性设置
焊盘的属性设置有以下两种方法:
● 在用鼠标放置焊盘时,鼠标将变成十字形状,按 Tab 键,将弹出 Pad (焊盘属性)设置对话框.
7-24 焊盘属性设置对话框
● 对已经在 PCB 板上放置好的焊盘,直接双击,也可以弹出焊盘属性设置对话框。在焊盘属性设置对话在框中有如下几项设置:
● Hole Size :用于设置焊盘的内直径大小。
● Rotation :用一设置焊盘放置的旋转角度。
● Location :用于设置焊盘圆心的 x 和 y 坐标的位置。
● Designator 文本框:用于设置焊盘的序号。
● Layer 下拉列表:从该下拉列表中可以选择焊盘放置的布线层。
● Net 下拉列表:该下拉列表用于设置焊盘的网络。
● Electrical Type 下拉列表:用于选择焊盘的电气特性。该下拉列表共有 3 种选择方式: Load (节点)、 Source (源点)和 Terminator (终点)。
● Testpoint 复选项:用于设置焊盘是否作为测试点,可以做测试点的只有位于顶层的和底层的焊盘。
● Locked 复选项:选中该复选项,表示焊盘放置后位置将固定不动。
● Size and Shape 选项区域:用于设置焊盘的大小和形状
● X-Size 和 Y-Size :分别设置焊盘的 x 和 y 的尺寸大小。
● Shape 下拉列表:用于设置焊盘的形状,有 Round (圆形)、 Octagonal (八角形)和 Rectangle
(长方形)。
● Paste Mask Expansions 选项区域:用于设置助焊层属性。
● Solder Mask Expansions 选项区域:用于设置阻焊层属性。 abc
Mask
这些膜不仅是PcB制作工艺过程中必不可少的,而且更是元件焊装的必要条件。按"膜"所处的位置及其作用,"膜"可分为元件面(或焊接面)助焊膜(TOp or Bottom 和元件面(或焊接面)阻焊膜(TOp or BottomPaste Mask)两类。顾名思义,助焊膜是涂于焊盘上,提高可焊性能的一层膜,也就是在绿色板子上比焊盘略大的各浅色圆斑。阻焊膜的情况正好相反,为了使制成的板子适应波峰焊等焊接形式,要求板子上非焊盘处的铜箔不能粘锡,因此在焊盘以外的各部位都要涂覆一层涂料,用于阻止这些部位上锡。可见,这两种膜是一种互补关系。由此讨论,就不难确定菜单中
类似"solder Mask En1argement"等项目的设置了。
有两重含义
自动布线时供观察用的类似橡皮筋的网络连线,在通过网络表调入元件并做了初步布局后,用"Show 命令就可以看到该布局下的网络连线的交叉状况,不断调整元件的位置使这种交叉最少,以获得最大的自动布线的布通率。这一步很重要,可以说是磨刀不误砍柴功,多花些时间,值!另外,自动布线结束,还有哪些网络尚未布通,也可通过该功能来查找。找出未布通网络之后,可用手工补偿,实在补偿不了就要用到"飞线"的第二层含义,就是在将来的印板上用导线连通这些网络。要交待的是,如果该电路板是大批量自动线生产,可将这种飞线视为0欧阻值、具有统一焊盘间距的电阻元件来进行设计.
印刷电路板(Printed circuit board,PCB)几乎会出现在每一种电子设备当中。如果在某样设备中有电子零件,那么它们也都是镶在大小各异的PCB上。除了固定各种小零件外,PCB的主要功能是提供上头各项零件的相互电气连接。随着电子设备越来越复杂,需要的零件越来越多,PCB上头的线路与零件也越来越密集了。标准的PCB长得就像这样。裸板(上头没有零件)也常被称为「印刷线路板Printed Wiring Board(PWB)」。
板子本身的基板是由绝缘隔热、并不易弯曲的材质所制作成。在表面可以看到的细小线路材料是铜箔,原本铜箔是覆盖在整个板子上的,而在制造过程中部分被蚀刻处理掉,留下来的部分就变成网状的细小线路了。这些线路被称作导线(conductor pattern)或称布线,并用来提供PCB上零件的电路连接。
为了将零件固定在PCB上面,我们将它们的接脚直接焊在布线上。在最基本的PCB(单面板)上,零件都集中在其中一面,导线则都集中在另一面。这么一来我们就需要在板子上打洞,这样接脚才能穿过板子到另一面,所以零件的接脚是焊在另一面上的。因为如此,PCB的正反面分别被称为零件面(Component Side)与焊接面(Solder Side)。
如果PCB上头有某些零件,需要在制作完成后也可以拿掉或装回去,那么该零件安装时会用到插座(Socket)。由于插座是直接焊在板子上的,零件可以任意的拆装。下面看到的是ZIF(Zero Insertion Force,零拨插力式)插座,它可以让零件(这里指的是CPU)可以轻松插进插座,也可以拆下来。插座旁的固定杆,可以在您插进零件后将其固定。
如果要将两块PCB相互连结,一般我们都会用到俗称「金手指」的边接头(edge connector)。金手指上包含了许多裸露的铜垫,这些铜垫事实上也是PCB布线的一部分。通常连接时,我们将其中一片PCB上的金手指插进另一片PCB上合适的插槽上(一般叫做扩充槽Slot)。在计算机中,像是显示卡,声卡或是其它类似的界面卡,都是借着金手指来与主机板连接的。
PCB上的绿色或是棕色,是阻焊漆(solder mask)的颜色。这层是绝缘的防护层,可以保护铜线,也可以防止零件被焊到不正确的地方。在阻焊层上另外会印刷上一层丝网印刷面(silk screen)。通常在这上面会印上文字与符号(大多是白色的),以标示出各零件在板子上的位置。丝网印刷面也被称作图标面(legend)。
PCB的中文名称为印制电路板又称印刷电路板、印刷线路板是重要的电子部件是电子元器件的支撑体?是电子元器件电气连接的提供者。由于它是采用电子印刷术制作的故被称为"印刷"电路板。
PCB打样就是指印制电路板在批量生产前的试产主要应用为电子工程师在设计好电路?并完成PCB Layout之后向工厂进行小批量试产的过程即为PCB打样。而PCB打样的生产数量一般没有具体界线一般是工程师在产品设计未完成确认和完成测试之前都称之为PCB打样 。
1.1 规范设计作业,提高生产效率和改善产品的质量。
1.1 XXX 公司开发部的VCD超级VCDDVD音响等产品。
3.1 XXX 开发部的所有电子工程师、技术员及电脑绘图员等。
4.1 有电子技术基础;
4.2 有电脑基本操作常识;
4.3 熟悉利用电脑PCB 绘图软件.
5.1 铜箔最小线宽:0.1MM,面板0.2MM 边缘铜箔最小要1.0MM
5.2 铜箔最小间隙:0.1MM,面板:0.2MM.
5.3 铜箔与板边最小距离为0.55MM,元件与板边最小距离为5.0MM,盘与板边最小距离为4.0MM
5.4 一般通孔安装元件的焊盘的大小(径)孔径的两倍,双面板最小1.5MM,单面板最小为2.0MM,议(2.5MM)如果不能用圆形焊盘,用腰圆形焊盘,小如下图所示(如有标准元件库,
则以标准元件库为准)
焊盘长边、短边与孔的关系为 :
5.5 电解电容不可触及发热元件,大功率电阻,敏电阻,压器,热器等.解电容与散热器的间隔最小为10.0MM,它元件到散热器的间隔最小为2.0MM.
5.6 大型元器件(如:变压器、直径15.0MM 以上的电解电容、大电流的插座等)加大铜箔及上锡面积如下图;阴影部分面积肥最小要与焊盘面积相等。
5.7 螺丝孔半径5.0MM 内不能有铜箔(要求接地外)元件.(按结构图要求).
5.8 上锡位不能有丝印油.
5.9 焊盘中心距小于2.5MM 的,相邻的焊盘周边要有丝印油包裹,印油宽度为0.2MM(议0.5MM).
5.10 跳线不要放在IC 下面或马达、电位器以及其它大体积金属外壳的元件下.
5.11 在大面积PCB设计中(约超过500CM2 以上),防止过锡炉时PCB 板弯曲,在PCB 板中间留一条5 至10MM 宽的空隙不放元器件(走线),用来在过锡炉时加上防止PCB 板弯曲的压条,下图的阴影区::
5.12 每一粒三极管必须在丝印上标出e,c,b 脚.
5.13 需要过锡炉后才焊的元件,盘要开走锡位,向与过锡方向相反,度视孔的大小为0.5MM 到1.0MM如下图 :
5.14 设计双面板时要注意,金属外壳的元件,插件时外壳与印制板接触的,顶层的焊盘不可开,一定要用绿油或丝印油盖住(例如两脚的晶振)。
5.15 为减少焊点短路,所有的双面印制板,过孔都不开绿油窗。
5.16 每一块PCB 上都必须用实心箭头标出过锡炉的方向:
5.17 孔洞间距离最小为1.25MM(双面板无效)
5.18 布局时,DIP 封装的IC 摆放的方向必须与过锡炉的方向成垂直,不可平行,如下图;如果布局上有困难,可允许水平放置IC (OP 封装的IC 摆放方向与DIP 相反)。
5.19 布线方向为水平或垂直,由垂直转入水平要走45 度进入。
5.20 元件的安放为水平或垂直。
5.21 丝印字符为水平或右转90 度摆放。
5.22 若铜箔入圆焊盘的宽度较圆焊盘的直径小时,则需加泪滴。如图 :
5.23 物料编码和设计编号要放在板的空位上。
5.24 把没有接线的地方合理地作接地或电源用。
5.25 布线尽可能短,特别注意时钟线、低电平信号线及所有高频回路布线要更短。
5.26 模拟电路及数字电路的地线及供电系统要完全分开。
5.27 如果印制板上有大面积地线和电源线区(面积超过500 平方毫米),应局部开窗口。如图 :
5.28 电插印制板的定位孔规定如下,阴影部分不可放元件,手插元件除外,L 的范围是50 330mm,H的范围是50 250mm,果小于50X50 则要拼板开模方可电插,如果超过330X250 则改为手插板。定位孔需在长边上。
在PCB中,特殊的元器件是指高频部分的关键元器件、电路中的核心元器件、易受干扰的元器件、带高压的元器件、发热量大的元器件,以及一些异性元器 件,这些特殊元器件的位置需要仔细分析,做带布局合乎电路功能的要求及生产的需求。不恰当的放置他们可能产生电路兼容问题、信号完整性问题,从而导致 PCB设计的失败。
在设计中如何放置特殊元器件时首先考虑PCB尺寸大小。快易购指出pcb尺寸过大时,印刷线条长,阻抗增加,抗燥能力下降,成本也增加;过小时,散热不好,且临近线条容易受干扰。在确定PCB的尺寸后,在确定特殊元件的摆方位置。最后,根据功能单元,对电路的全部元器件进行布局。特殊元器件的位置在布局时一般 要遵守以下原则:
1、尽可能缩短高频元器件之间的连接,设法减少他们的分布参数及和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互离的太近,输入和输出应尽量远离。
2一些元器件或导线有可能有较高的电位差,应加大他们的距离,以免放电引起意外短路。高电压的元器件应尽量放在手触及不到的地方。
3、重量超过15G的元器件,可用支架加以固定,然后焊接。那些又重又热的元器件,不应放到电路板上,应放到主机箱的底版上,且考虑散热问题。热敏元器件应远离发热元器件。
4、对与电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元器件的布局应考虑整块扳子的结构要求,一些经常用到的开关,在结构允许的情况下,应放置到手容易接触到的地方。元器件的布局到均衡,疏密有度,不能头重脚轻。
一个产品的成功,一是要注重内在质量。而是要兼顾整体的美观,两者都比较完美的扳子,才能成为成功的产品。
1、放置与结构有紧密配合的元器件,如电源插座、指示灯、开关、连接器等。
2、放置特殊元器件,如大的元器件、重的元器件、发热元器件、变压器、IC等。
3、放置小的元器件。
1、电路板尺寸和图纸要求加工尺寸是否相符合。
2、元器件的布局是否均衡、排列整齐、是否已经全部布完。
3、各个层面有无冲突。如元器件、外框、需要私印的层面是否合理。
3、常用到的元器件是否方便使用。如开关、插件板插入设备、须经常更换的元器件等。
4、热敏元器件与发热元器件距离是否合理。
5、散热性是否良好。
6、线路的干扰问题是否需要考虑。
设计在不同阶段需要进行不同的各点设置,在布局阶段可以采用大格点进行器件布局;
对于IC、非定位接插件等大器件,可以选用50~100mil的格点精度进行布局,而对于电阻电容和电感等无源小器件,可采用25mil的格点进行布局。大格点的精度有利于器件的对齐和布局的美观。
PCB布局规则:
1、在通常情况下,所有的元件均应布置在电路板的同一面上,只有顶层元件过密时,才能将一些高度有限并且发热量小的器件,如贴片电阻、贴片电容、贴片IC等放在底层。
2、在保证电气性能的前提下,元件应放置在栅格上且相互平行或垂直排列,以求整齐、美观,在一般情况下不允许元件重叠;元件排列要紧凑,元件在整个版面上应分布均匀、疏密一致。
3、电路板上不同组件相临焊盘图形之间的最小间距应在1MM以上。
4、离电路板边缘一般不小于2MM.电路板的最佳形状为矩形,长宽比为3:2或4:3.电路板面尺大于200MM乘150MM时,应考虑电路板所能承受的机械强度。
在PCB的布局设计中要分析电路板的单元,依据起功能进行布局设计,对电路的全部元器件进行布局时,要符合以下原则:
1、按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置,使布局便于信号流通,并使信号尽可能保持一致的方向。
2、以每个功能单元的核心元器件为中心,围绕他来进行布局。元器件应均匀、整体、紧凑的排列在PCB上,尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。
3、在高频下工作的电路,要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件并行排列,这样不但美观,而且装焊容易,易于批量生产。
在高速设计中,可控阻抗板和线路的特性阻抗是最重要和最普遍的问题之一。首先了解一下传输线的定义:传输线由两个具有一定长度的导体组成,一个导体用来发送信号,另一个用来接收信号(切记"回路"取代"地"的概念)。在一个多层板中,每一条线路都是传输线的组成部分,邻近的参考平面可作为第二条线路或回路。一条线路成为"性能良好"传输线的关键是使它的特性阻抗在整个线路中保持恒定。
线路板成为"可控阻抗板"的关键是使所有线路的特性阻抗满足一个规定值,通常在25欧姆和70欧姆之间。在多层线路板中,传输线性能良好的关键是使它的特性阻抗在整条线路中保持恒定。
但是,究竟什么是特性阻抗?理解特性阻抗最简单的方法是看信号在传输中碰到了什么。当沿着一条具有同样横截面传输线移动时,这类似图1所示的微波传输。假定把1伏特的电压阶梯波加到这条传输线中,如把1伏特的电池连接到传输线的前端(它位于发送线路和回路之间),一旦连接,这个电压波信号沿着该线以光速传播,它的速度通常约为6英寸/纳秒。当然,这个信号确实是发送线路和回路之间的电压差,它可以从发送线路的任何一点和回路的相临点来衡量。图2是该电压信号的传输示意图。
Zen的方法是先"产生信号",然后沿着这条传输线以6英寸/纳秒的速度传播。第一个0.01纳秒前进了0.06英寸,这时发送线路有多余的正电荷,而回路有多余的负电荷,正是这两种电荷差维持着这两个导体之间的1伏电压差,而这两个导体又组成了一个电容器。
在下一个0.01纳秒中,又要将一段0.06英寸传输线的电压从0调整到1伏特,这必须加一些正电荷到发送线路,而加一些负电荷到接收线路。每移动0.06英寸,必须把更多的正电荷加到发送线路,而把更多的负电荷加到回路。每隔0.01纳秒,必须对传输线路的另外一段进行充电,然后信号开始沿着这一段传播。电荷来自传输线前端的电池,当沿着这条线移动时,就给传输线的连续部分充电,因而在发送线路和回路之间形成了1伏特的电压差。每前进0.01纳秒,就从电池中获得一些电荷(±Q),恒定的时间间隔(±t)内从电池中流出的恒定电量(±Q)就是一种恒定电流。流入回路的负电流实际上与流出的正电流相等,而且正好在信号波的前端,交流电流通过上、下线路组成的电容,结束整个循环过程。
PCB(Printed Circuit Board)印刷电路板的缩写
PCB工程设计规则
1.0 目的 为使产品工程部 PE在设计菲林和 MI时有规可循,执行统一规则标准;特制定本规则;从而更好 的辅助生产提高品质和效率。 2.0 范围 适用于本公司产品工程部对所有 PCB板的设计 3.0 职责及权限 文 件 修 改 记 录 更改性质 更改内容 更改人 生效日期 修改号改为 01 修改号改为 02 新发行 增加 :4.2 板边槽孔设计、短槽更改 ;4.4 独立线定 义;4.5 锡板邦定 IC 补偿规则 ;4.9 阻焊桥制 作; 5.0 阻焊一面开窗一面塞孔,双面开窗 塞孔设计 ;5.3 V 割余厚要求、精冲模介定。 增加和更改 PE设计规则更改履历中的数据 制 订 栏 部门及职务: 审 批 栏 部门及职务: 姓名: 姓名: 签名: 签名: 受 控 文 件 签 发 记 录 部门 分发 会签 部门 分发 会签 HR/人政部 PC/计划部 ACC/财务部 MAINT/维修部 MK
在进行比较复杂的板子设计的时候,你必须进行一些设计权衡。因为这些权衡,那么就存在一些因素会影响到PCB的电源分配网络的设计。
当电容安装在PCB板上时,就会存在一个额外的回路电感,这个电感就与电容的安装有关系。回路电感值的大小是依赖于设计的。回路电感的大小取决于电容到过孔的这段线的线宽和线长,走线的长度即连接电容和电源/地平面长度,两个孔间的距离,孔的直径,电容的焊盘,等等。如图1所示为各种电容的安装图形。
图1 最佳的和最差的电容布局
减小电容回路电感的设计要点:
■孔要放在离电容尽可能近的地方。减小电源/地的孔间距。如果可以,用多对电源/地孔并联在一起。诸如电流极性相反的两个孔放置的尽量近,电流极性相同的孔放置的尽量远。
■用短而宽的走线来连接孔和电容引脚。
■把电容摆放在PCB的表面(顶层和底层)尽量靠近他们相应的电源/地平面。这样能减小孔之间的距离。在电源/地之间用薄的电解质。
接下来是三种不同情况的设计,对于电容的安装和传播电感。图2表示的是各种设计情况对回路电感量的引入情况。
图2 设计情况
情况1-差的设计
■设计人员不关注电源分配网络(PDN)的设计。
■孔的间距没有优化。
■电源和地平面间的距离没有优化。
■孔到电容引脚之间的走线距离较长。
对于整个回路电感大小来讲,回路电感主要来自所布的线,因为与其它两种情况比较,差的设计时的线长是它们(好的设计和非常好的设计)的5倍。从安装电容的底层到最近平面的距离也是回路电感大小的主要因素。
因为这是没有优化的(10mil),走线对整个回路电感大小的影响是非常大的。同样,因为设计人员在电源和地之间用了10mil的电介质材料,那么回路电感的次要因素来自传播电感。过孔间的距离没有优化的效果相对于小孔的长度就没有那么的显著。孔的影响在比较长的过孔时会变得更大。
情况2-好的设计
■设计人员关注了部分电源分配网络(PDN)的设计。
■孔的间距有所改善。孔的长度保持不变。
■电源和地平面间的距离有所改善。
■过孔到电容引脚之间的走线距离经过了优化。
走线的回路电感依然还是整个回路电感的主要贡献者。但是,好的设计的走线回路电感要比差的设计情况的的走线回路电感小2.7倍左右。因为设计人员减小了电介质的厚度,从10mil减小到了5mil,传播电感减小了一半。由于减小了过孔间的距离,过孔的影响有了一点点改善。
情况3-非常好的设计
■设计人员非常注重PDN的设计。
■孔的间距和长度都有改善。
■电源和地之间的距离也进行了充分的优化。
■ 过孔到电容引脚之间的走线距离经过了优化。
非常好的设计的走线的电感比差的设计的走线电感要小大约7.65倍。由于减少了走线长度,在PCB板上减少了从电容安装的底层表面到最近的平面层的厚度,这就达到了目的。由于设计人员已经优化了电源和地之间的电解质层厚度,传播电感就会大大的减小。由于孔间距和孔长度大大的减小,那么过孔的回路电感也得到了显著改善。相比差的设计,由于7个主要因素的其中之一减少,非常好的设计情况的总回路电感就被减少了。
在PCB板上,额外的过孔回路电感通过安装电容被引入,这样就降低电容的谐振频率。当你在设计电源分配网络(PDN)时,必须要考虑到这个因素。在高频设计的时候,减小回路电感是降低阻抗的唯一能看得见的方法。
对于给定的电源,相比较非常好的设计和差的设计情况,PDN工具产生的报告显示非常好的设计的PCB截止频率会更高。这也许与预期的结果是相反的,因为相对于对低截止频率的去耦,对较高截止频率的去耦需要更多的电容。
对于非常好的设计的情况,较高的截止频率意味着能对较高频率进行去耦。摆放在PCB板上的电容对噪声直到一个较高频都有去耦效果。
对于差的设计的情况,对超过较低截止频率的PCB板不能去耦。任何额外的电容增加,即增加超过截止频率的去耦电容只能增加BOM成本而对去耦效果没有任何影响。相对于非常好的设计,对于差的这种设计情况,其电源分配网络的设计对于某一特定频率的噪声更容易受到影响
作为另外一个例子,假设一块20层的PCB板总共有115mil的厚度。电源层在第3层。从第一层(FPGA在的这一层)到第3层的厚度有12mil。那么从底层到第3层的厚度就是103mil。电源和地层被3mil后的电介质分离开。对于这种轨迹的BGA孔的电感大小为5nH(对于这种电源轨迹5对孔)。
为了应对第一层比较紧密的布局布线区域,与之相关联的去耦电容都安装在底层。由于这样安装会有很长的过孔,这种权衡设计导致了很高的电容安装电感值。经过充分优化后,0402封装的电容在底层的安装电感是2.3nH,而同样的电容放在第一层的安装电感是0.57nH。
为了改善这种给轨迹的PDN效果,你可以把一些高频电容放置在第一层,同时把中频和bulk电容还是放在原来的位置上即底层。这种电路设计对PDN是截止的解决方法,因为高频电容是在截止频率以下作为第一响应的电容。电容的效果依赖于总的回路电感(电容的安装电感+传播电感+BGA孔的电感)与FPGA。
你可以把高频电容放在第一层并离FPGA稍微远一点点的地方。电容放在FPGA breakout区域外的传播电感是0.2nH。相对于原来放置在底层的方法,这种新的放置方法还是有益的,因为总的回路电感(0.57nH+0.2nH+0.05nH=0.82nH)比放置在底层的时候的总电感要小。
PCB板的传播电感是与设计是相关,电源和地平面间的介质中它是均匀存在的。3mil厚度或者更薄的厚度是最佳的减小平面传播电感的设计。你可以根据如下的设计指导来提升PDN的性能。
如下的是关于顺序重要性的设计指导,从第一层到底层—在第一层的设计指导是最重要的。
■减小电源和地层间电介质厚度。当设计板子的叠层时,确定电源、层和其他的层。举一个例子,如叠层PWR1 - GND1 - SIG1 - SIG2- GND2 - PWR2要优于PWR1 - SIG1 - GND1 - SIG2 - GND2 - PWR2这种叠层。第二种情况的结果是没有对电源和地之间的距离优化的设计。
这样的设置会导致大电容传播电感在PWR1/GND1之间比在PWR2/GND2之间的电感大。你可以在电源和地平面之间找到一种典型的3mil的电介质厚度而不增加额外的成本。对于额外的性能改善,考虑比3mil更薄的电介质厚度。但是,这会导致PCB的成本上升。
■当选定电容的时候,选择多个电容值,而不是选择一个相同值的大电容来达到目标阻抗。在PDN中,阻抗的峰值是由谐振反应形成的。高ESR在谐振频率点能抑制谐振,因此减少阻抗峰值的高度。在电容的谐振频率处和阻抗峰值处,用一些电容值相同的电容能截止的减少ESR。
在一个很宽的频率范围内,选择多种电容值的电容种类,能维持一个相对高的ESR。
■选择放置高频电容的位置,以减少整个回路电感。整个电感是由电容的ESL、安装电感、传播电感和BGA的过孔电感组成的。在放置电容时优先放置高频电容,其次是中频和低频电容。
■当在分割平面时,确保平面的形状成适当的方形。避免狭长的平面形状,因为这样做会限制电流的大小和增加平面的传播电感。
■中频和低频的电容对于如何放置没有那么的敏感。可以把他们放在离FPGA稍微远一点的地方。
权衡多路设计的情况
在一块有多路外设的PCB板上,你的设计就不能再共享一个供电电源。这也许需要你通过你的设计去执行DDR的电源接口,联合各种I/O口的电源轨迹,或者联合各种接收端的电源轨迹以减少PCB的BOM成本和PCB的布局复杂度。
电源轨迹共享增加了PDN的复杂度,同时在PCB上和die的位置处也增加了大量的噪声。对于多路的情况,设计电源的分配解决方法主要有两步:
1 低频解决方法
2 高频解决方法
在非常低频的时候,第一步确保VRM的大小是否适合处理各种电流的需要。
低频去耦一定要考虑清楚各种组合电源供电电流的情况。Bulk电容一定要选择能覆盖目标阻抗所覆盖的频段。做到精确的知道频率范围是有困难的,因为这有一个区域超过了阻抗曲线,这是在die上给定的电源区域,建立在自己的最大电流消耗上,而不是与其它路电流相关联的由同一个供电电源供电组合的电流消耗。对于设计,bulk电容去耦的频率范围估计是从DC到大约5~10MHz。
在共享多路电源的时候,通过PDN工具按照相似的方法使用这种设计方法,但是推荐你在最高的截止频率点去耦。对于单一和共享多路电源的去耦,这是成功实现单一PDN方法设计的流程。这种方法是合适于与电源路之间与相似电流要求的电源路设计的。但是,对于这种方法这有几个例外。
这个例子是电源共享在核心电源供电(Vcc)和PCI Express hard IP Block(VccHIP)电源供电。例外的原因是:
■VCC的电流会比VCCHIP的大很多。
■对比VCC和VCCHIP,VCC的BGA的过孔电感会比VCCHIP低很多。
■对比VCC和VCCHIP,VCC的截止频率会比VCCHIP低很多。
因此,对于电源设计情况,在BGA过孔处使用最高截止频率去耦是不适用的。如图3所示的是VCC、VCCHIP电源路组合阻抗曲线不符合目标阻抗的情况,相当于不符合VCCHIP的截止频率去耦。这是因为去耦电容效果被限制了
图3 VCCHIP的截止频率阻抗曲线
按照以前的解释,高频的噪声在电源轨迹中,主要是由于自己的瞬态电流产生的。对于共享电路最高截止频率的去耦设计指导书是基于整个瞬态电流的阻抗计算,这是“过设计”的要求。
图4 更改电源路的共享情况
在这种情况下,你必须基于PCB去耦项目用整个瞬态电流来计算目标阻抗曲线,相当于电源路截止频率的最大的电流消耗。在VCC和VCCHIP电源路共享的例子中,你必须用VCC电源路的截止频率。如图3-A所示为核心电源去耦的截止频率的组合电源路的阻抗曲线。对于核心电源,用沿着BGA的球或者过孔的(VCC+VCCHIP)的总电流得到阻抗曲线。那么你可以检查核对结果是否符合单个电源设计指导的目标阻抗。
基于同样的去耦项目如图4-A一样,如图4-B所示为VCCHIP电源的阻抗曲线。但是,当得到这条曲线时,只有对于VCCHIP需要考虑电流消耗和BGA过孔数。如图4-B所示,直到VCCHIP电源的截止频率,VCCHIP的阻抗曲线都达到了目标阻抗。
最终的去耦项目必须达到各自目标阻抗的频率。如果存在一些特殊的违反设计目标的情况,可以尽量小的调整以优化去耦项目。
遇到类似的情况,可以根据VCC和VCCHIP的例子对任何供电电源组合进行优化。
在一块PCB板上,当有多个FPGA需要从同一个电源供电时,你可以使用相似的方法来应对这种情况。对于设计低频解决方案一定要用芯片的总电流消耗,对于高频解决方案设计,一定要用其中一个芯片的电流消耗。你可以使用同样数目的电容给其他芯片在高频情况时去耦。
当与场分析工具得到的解决方案相比较,如果两个FPGA芯片之间的空间比较小,高频方可能导致轻度的过设计,因为场分析工具是考虑了板子的布局情况的。这可能是因为芯片之间比较接近,几乎没有电容能够截止地满足两个芯片的位置的要求。这也取决于从FPGA芯片端看到的电容的截止回路电感。
一个常用的设计权衡是建立一个独立的电源平面,和从一个供电电源给不同的电源网路供电,使用滤波器来供给干净的电源给电源网路。大多数情况下滤波器是磁珠,连接在板子上的两个电源之间。作为规则是,你可以按照如下设计指导,给一个电源网络提供干净的电源。
■当磁珠连着两个电源网络的时候,确保安装电感是最小的。
■根据如下所列的特性选择磁珠,确保电源电路的电流消耗要小于磁珠的额定电流。
■封装尺寸(0603,0402等等)
■额定电流
■直流电阻
■在目标频率的阻抗(10 MHz, 100 MHz, 1 GHz等等)
■磁珠的等效的RLC模型频率响应一定尽量与datasheet中给定的相符合。
■做交流分析时,在所覆盖的频率内,一定要包含磁珠的模型,还有各种为了达到目标阻抗而选用的电容。当设计电容的等效RLC模型的时候,安装电感要作为模型的一个组成部分考虑进去,如果交流分析没有峰值出现在我们感兴趣的频段(DC to 200 MHz),你就可以使用磁珠隔离来提供干净的电源。
■通过上面仿真得到的PDN的结果一定能达到我们感兴趣的频段内目标阻抗的要求。
1. POWER PCB的图层与PROTEL的异同
我们做设计的有很多都不止用一个软件,由于PROTEL上手容易的特点,很多朋友都是先学的PROTEL后学的POWER,当然也有很多是直接学习的POWER,还有的是两个软件一起用。由于这两个软件在图层设置方面有些差异,初学者很容易发生混淆,所以先把它们放在一起比较一下。直接学习POWER的也可以看看,以便有一个参照。
首先看看内层的分类结构比较如下表所示。
表1 PROTEL与POWER的内层结构图
软件名 属性 层名 用途
PROTEL 正片 MIDLAYER 纯线路层
MIDLAYER 混合电气层(包含线路,大铜皮)
负片 INTERNAL 纯负片 (无分割,如GND)
INTERNAL 带内层分割(最常见的多电源情况)
POWER
正片 NO PLANE 纯线路层
NO PLANE 混合电气层(用铺铜的方法 COPPER POUR)
SPLIT/MIXED 混合电气层(内层分割层法 PLACE AREA)
负片 CAM PLANE 纯负片 (无分割,如GND)
从表1可以看出,POWER与PROTEL的电气图层都可分为正负片两种属性,但是这两种图层属性中包含的图层类型却不相同。
1.PROTEL只有两种图层类型,分别对应正负片属性。而POWER则不同,POWER中的正片分为两种类型,NO PLANE和SPLIT/MIXED。
2.PROTEL中的负片可以使用内电层分割,而POWER的负片只能是纯负片(不能应用内电层分割,这一点不如PROTEL)。内层分割必须使用正片来做。用SPLIT/MIXED层,也可用普通的正片(NO PLANE)+铺铜。
也就是说,在POWER PCB中,不管用于电源的内层分割还是混合电气层,都要用正片来做,而普通的正片(NO PLANE)与专用混合电气层(SPLIT/MIXED)的唯一区别就是铺铜的方式不一样!负片只能是单一的负片。(用2D LINE分割负片的方法,由于没有网络连接和设计规则的约束,容易出错,不推荐使用)。
这两点是它们在图层设置与内层分割方面的主要区别。
2. SPLIT/MIXED层的内层分割与NO PLANE层的铺铜之间的区别
(1) SPLIT/MIXED:必须使用内层分割命令(PLACE AREA),可自动移除内层独立焊盘,可走线,可以方便的在大片铜皮上进行其他网络的分割,内层分割的智能化较高。
(2) NO PLANEC层:必须使用铺铜的命令(COPPER POUR),用法同外层线路,不会自动移除独立焊盘,可走线,不可以在大块铜皮上进行其他网络的分割。也就是说不能出现大块铜皮包围小块铜皮的现象。
3. POWER PCB的图层设置及内层分割方法
看过上面的结构图以后应该对POWER的图层结构已经很清楚了,确定了要使用什么样的图层来完成设计,下一步就是添加电气图层的操作了。
下面以一块四层板为例:
首先新建一个设计,导入网表,完成基本的布局,然后新增图层SETUP-LAYER DEFINITION,在ELECTRICAL LAYER区,点击MODIFY,在弹出的窗口中输入4,单击OK。此时在TOP与BOT中间已经有了两个新电气图层,分别给这两个图层命名,并设置图层类型。
把INNER LAYER2命名为GND,并设定为CAM PLANE,然后点击右边的ASSIGN分配网络,因为这层是负片的整张铜皮,所以分配一个GND就可以,千万不要分多了网络!
把INNER LAYER3命名为POWER,并设定为SPLIT/MIXED(因为有多组电源,所以要用到内层分割),点击ASSIGN,把需要走在内层的电源网络分配到右边的ASSOCIATED窗口下(假设分配三个电源网络)。
下一步进行布线,把外层除了电源地以外的线路全部走完。电源地的网络则直接打孔即可自动连接到内层(小技巧,先暂时把POWER层的类型定义为CAM PLANE,这样凡是分配到内层的电源网络且打了过孔的线路系统都会认为已经连接,而自动取消鼠线)。待所有布线都完成以后即可进行内层分割。
第一步是给网络上色,以利于区分各个接点位置,按快捷键CTRL+SHIFT+N,指定网络颜色(过程略)。
然后把POWER层的图层属性改回SPLIT/MIXED,再点击DRAFTING-PLACE AREA,下一步即可绘制第一个电源网络的铺铜。
1号网络(黄色):第一个网络要铺满整个板面,然后指定为连接面积最大,数量最多的那个网络名称。
2号网络(绿色):下面进行第二个网络,注意因为这一网络位于整个板子的中部,所以我们要在已经铺好的大铜面上切出一块来作为新的网络。还是点击PLACE AREA,然后按照颜色指示绘制切割区域,当双击鼠标完成切割的时候,系统会自动出现当前所切割网络(1)与当前网络(2)的的区域隔离线(由于是用正片铺铜的方式做切割,所以不能象负片做切割那样用一条正性线来完成大铜面的分割)。同时分配该网络名称。
3号网络(红色):下面第三个网络,由于此网络较靠近板边,所以我们还可以用另外一个命令来做。点击DRAFTING-AUTO PLANE SEPARATE,然后从板边开始画起,把需要的接点包围以后再回到板边,双击鼠标即可完成。同时也会自动出现隔离带,并弹出一个网络分配窗口,注意此窗口需要连续分配两个网络,一个是你刚刚切割出来的网络,一个是剩余区域的网络(会有高亮显示)。
本书从现代电子系统工程设计的实际出发,全面介绍了PCB设计的相关知识。主要内容包括:EDA简介、原理图绘制方法、PCB基础知识、PCB设计方法、PCB设计的电磁兼容问题等,并给出了完整的设计实例。
本书内容紧贴工程应用实际,结构编排上充分考虑到教学和学习的实际需求,非常适合作为高等学校EDA课程及电子工程技术类培训的参考教材。同时也可作为各类电子系统工程设计人员的技术参考书。