PCB设计 (PCB design)

PCB设计 图

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PCB设计是以电路原理图为根据,实现电路设计者所需要的功能。PCB设计主要指版图设计,需要考虑外部连接的布局,内部电子元件的优化布局,金属连线和通孔的优化布局,电磁保护,热耗散等各种因素。优秀的版图设计可以节约生产成本,达到良好的电路性能和散热性能。简单的版图设计可以用手工实现,复杂的版图设计需要借助计算机辅助设计(CAD)实现。

 目录 

  1. PCB设计简介

  2. PCB设计步骤

  3. PCB设计布局检查

  4. PCB设计主要顺序

  5. PCB设计一般原则

  6. PCB设计相关概念

  7. PCB设计注意事项

  8. PCB设计装配规则

  9. PCB设计相关技巧


 1  PCB设计简介


PCB设计中,元器件布局和电路连接的布线是关键的两个环节。


布局,是把电路器件放在印制电路板布线区内。布局是否合理不仅影响后面的布线工作,而且对整个电路板的性能也有重要影响。在保证电路功能和性能指标后,要满足工艺性、检测和维修方面的要求,元件应均匀、整齐、紧凑布放在PCB上,尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接,以得到均匀的组装密度。


按电路流程安排各个功能电路单元的位置,输入和输出信号、高电平和低电平部分尽可能不交叉,信号传输路线最短。


元器件的位置应按电源电压、数字及模拟电路、速度快慢、电流大小等进行分组,以免相互干扰。


电路板上同时安装数字电路和模拟电路时,两种电路的地线和供电系统完全分开,有条件时将数字电路和模拟电路安排在不同层内。电路板上需要布置快速、中速和低速逻辑电路时,应安放在紧靠连接器范围内;而低速逻辑和存储器,应安放在远离连接器范围内。这样,有利于减小共阻抗耦合、辐射和交扰的减小。时钟电路和高频电路是主要的骚扰辐射源,一定要单独安排,远离敏感电路。


热磁兼顾:发热元件与热敏元件尽可能远离,要考虑电磁兼容的影响。


 2  PCB设计步骤


电路原理图的设计是整个电路设计的基础,它的设计的好坏直接决定后面PCB设计的效果。一般来说,电路原理图的设计如下:


第一步,启动ProtelDXP原理图编辑器

第二步,设置电路原理图的大小与版面

第三步,从元件库取出所需元件放置在工作平面

第四步,根据设计需要连接元器件

第五步,对布线后的元器件进行调整

第六步,保存已绘好的原理图文档

第七步,打印输出图纸


 3  PCB设计布局检查


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。

4、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。

5、热敏元器件与发热元器件距离是否合理。

6、散热性是否良好。

7、线路的干扰问题是否需要考虑。


 4  PCB设计主要顺序


系统规格: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。


功能区块: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。


 5  PCB设计的一般原则


PCB设计特殊元器件布局


  首先,要考虑PCB尺寸的大小:PCB尺寸过大时,印刷线条长,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。在确定PCB尺寸后,再确定特殊元器件的位置。最后,根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局。

  在确定特殊元器件的位置时要遵守以下原则:

  ① 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远离。

  ② 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。

  ③ 重量超过15 g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,不宜装在印刷板上,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。

  ④ 对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局,应考虑整机的结构要求。若是机内调节,应放在印刷板上方便调节的地方;若是机外调节,其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。

  ⑤ 留出印刷板定位孔及固定支架所占用的位置。


PCB设计一般元器件布局


  根据电路的功能单元,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 以每个功能电路的核心元件为中心,围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在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平行排列,这样,不但美观,而且装焊容易,易于批量生产。

  ④ 位于电路板边缘的元器件,离电路板边缘一般不小于2 mm。电路板的最佳形状为矩形。长宽比为3:2或4:3。电路板面尺寸大于200 mm×150 mm时,应考虑电路板所受的机械强度。


PCB设计布线


  布线的原则如下:

  ① 输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行,最好加线间地线,以免发生反馈耦合。

  ② 印刷板导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。当铜箔厚度为0.5 mm、宽度为1~15 mm时,通过2 A的电流,温升不会高于3℃。因此,导线宽度为1.5 mm可满足要求。对于集成电路,尤其是数字电路,通常选0.02~0.3 mm导线宽度。当然,只要允许,还是尽可能用宽线,尤其是电源线和地线。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路,尤其是数字电路,只要工艺允许,可使间距小于0.1~0.2 mm。

  ③ 印刷导线拐弯处一般取圆弧形,而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外,尽量避免使用大面积铜箔,否则,长时间受热时,易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时,最好用栅格状,这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。


PCB设计焊盘


  焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径D一般不小于(d+1.2) mm,其中d为引线孔径。对高密度的数字电路,焊盘最小直径可取(d+1.0) mm。


 6  PCB设计相关概念


过孔:

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。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。


丝印层:

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”。


SMD封装:

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。


填充区:

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。


焊盘:

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。


各类膜:

这些膜不仅是PB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。


飞线有两重含义:

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。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。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。


 7  PCB设计注意事项


(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。


 8  PCB设计装配规则


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。


 9  PCB设计相关技巧


PCB设计设置技巧


PCB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。


PCB设计布局技巧


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,而且装旱容易,易于批量生产。


PCB设计具体布线时应注意以下几点:


(1)走线长度尽量短,以便使引线电感极小化。在低频电路中,因为所有电路的地电流流经公共的接地阻抗或接地平面,所以避免采用多点接地。

(2)公共地线应尽量布置在印制电路板边缘部分。电路板上应尽可能多保留铜箔做地线,可以增强屏蔽能力。

(3)双层板可以使用地线面,地线面的目的是提供一个低阻抗的地线。

(4)多层印制电路板中,可设置接地层,接地层设计成网状。地线网格的间距不能太大,因为地线的一个主要作用是提供信号回流路径,若网格的间距过大,会形成较大的信号环路面积。大环路面积会引起辐射和敏感度问题。另外,信号回流实际走环路面积小的路径,其他地线并不起作用。

(5)地线面能够使辐射的环路最小。

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