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PCB 布局 布线基本原则 一 元件布局基本规则 1 按电路模块进行布局 实现同一功能的相关电路称为一个模块 电路模块中 的元件应采用就近集中原则 同时数字电路和模拟电路分开 2 定位孔 标准孔等非安装孔周围 1 27mm 内不得贴装元 器件 螺钉等安装 孔周围 3 5mm 对于 M2 5 4mm 对于 M3 内不得贴装元器件 3 卧装电阻 电感 插件 电解电容等元件的下方避免布过孔 以免波峰焊 后过孔与元件壳体短路 4 元器件的外侧距板边的距离为 5mm 5 贴装元件焊盘的外侧与相邻插装元件的外侧距离大于 2mm 6 金属壳体元器件和金属件 屏蔽盒等 不能与其它元器件相碰 不能紧贴印 制线 焊盘 其间距应大于 2mm 定位孔 紧固件安装孔 椭圆孔及板中其它 方孔外侧距板边的尺寸大于 3mm 7 发热元件不能紧邻导线和热敏元件 高热器件要均衡分布 8 电源插座要尽量布置在印制板的四周 电源插座与其相连的汇流条接线端应 布置在同侧 特别应注意不要把电源插座及其它焊接连接器布置在连接器之间 以利于这些插座 连接器的焊接及电源线缆设计和扎线 电源插座及焊接连接 器的布置间距应考虑方便电源插头的插拔 9 其它元器件的布置 所有 IC 元件单边对齐 有极性元件极性标示明确 同一印制板上极性标示不得 多于两个方向 出现两个方向时 两个方向互相垂直 10 板面布线应疏密得当 当疏密差别太大时应以网状铜箔填充 网格大于 8mil 或 0 2mm 11 贴片焊盘上不能有通孔 以免焊膏流失造成元件虚焊 重要信号线不准从 插座脚间穿过 12 贴片单边对齐 字符方向一致 封装方向一致 13 有极性的器件在以同一板上的极性标示方向尽量保持一致 二 元件布线规则 1 画定布线区域距 PCB 板边 1mm 的区域内 以及安装孔周围 1mm 内 禁止布 线 2 电源线尽可能的宽 不应低于 18mil 信号线宽不应低于 12mil cpu 入出 线不应低于 10mil 或 8mil 线间距不低于 10mil 3 正常过孔不低于 30mil 4 双列直插 焊盘 60mil 孔径 40mil 1 4W 电阻 51 55mil 0805 表贴 直插时焊盘 62mil 孔径 42mil 无极电容 51 55mil 0805 表贴 直插时焊盘 50mil 孔径 28mil 5 注意电源线与地线应尽可能呈放射状 以及信号线不能出现回环走线 2 如何提高抗干扰能力和电磁兼容性 在研制带处理器的电子产品时 如何提高抗干扰能力和电磁兼容性 1 下面的一些系统要特别注意抗电磁干扰 1 微控制器时钟频率特别高 总线周期特别快的系统 2 系统含有大功率 大电流驱动电路 如产生火花的继电器 大电流开关等 3 含微弱模拟信号电路以及高精度 A D 变换电路的系统 2 为增加系统的抗电磁干扰能力采取如下措施 1 选用频率低的微控制器 选用外时钟频率低的微控制器可以有效降低噪声和提高系统的抗干扰能力 同 样频率的方波和正弦波 方波中的高频成份比正弦波多得多 虽然方波的高频 成份的波的幅度 比基波小 但频率越高越容易发射出成为噪声源 微控制器 产生的最有影响的高频噪声大约是时钟频率的 3 倍 2 减小信号传输中的畸变 微控制器主要采用高速 CMOS 技术制造 信号输入端静态输入电流在 1mA 左右 输入电容 10PF 左右 输入阻抗相当高 高速 CMOS 电路的输出端都有相当的带 载能力 即相当大的输出值 将一个门的输出端通过一段很长线引到输入阻抗 相当高的输入端 反射问题就很严重 它会引起信号畸变 增加系统噪声 当 Tpd Tr 时 就成了一个传输线问题 必须考虑信号反射 阻抗匹配等问题 信号在印制板上的延迟时间与引线的特性阻抗有关 即与印制线路板材料的介 电常数有关 可以粗略地认为 信号在印制板引线的传输速度 约为光速的 1 3 到 1 2 之间 微控制器构成的系统中常用逻辑电话元件的 Tr 标准延迟时 间 为 3 到 18ns 之间 在印制线路板上 信号通过一个 7W 的电阻和一段 25cm 长的引线 线上延迟时 间大致在 4 20ns 之间 也就是说 信号在印刷线路上的引线越短越好 最长不 宜超过 25cm 而且过孔数目也应尽量少 最好不多于 2 个 当信号的上升时间快于信号延迟时间 就要按照快电子学处理 此时要考虑传 输线的阻抗匹配 对于一块印刷线路板上的集成块之间的信号传输 要避免出 现 Td Trd 的情况 印刷线路板越大系统的速度就越不能太快 用以下结论归纳印刷线路板设计的一个规则 信号在印刷板上传输 其延迟时间不应大于所用器件的标称延迟时间 3 减小信号线间的交 干扰 A 点一个上升时间为 Tr 的阶跃信号通过引线 AB 传向 B 端 信号在 AB 线上的延 迟时间是 Td 在 D 点 由于 A 点信号的向前传输 到达 B 点后的信号反射和 AB 线的延迟 Td 时间以后会感应出一个宽度为 Tr 的页脉冲信号 在 C 点 由于 AB 上信号的传输与反射 会感应出一个宽度为信号在 AB 线上的延迟时间的两 倍 即 2Td 的正脉冲信号 这就是信号间的交 干扰 干扰信号的强度与 C 点信 号的 di at 有关 与线间距离有关 当两信号线不是很长时 AB 上看到的实际 是两个脉冲的迭加 CMOS 工艺制造的微控制由输入阻抗高 噪声高 噪声容限也很高 数字电路是 迭加 100 200mv 噪声并不影响其工作 若图中 AB 线是一模拟信号 这种干扰就 变为不能容忍 如印刷线路板为四层板 其中有一层是大面积的地 或双面板 信号线的反面是大面积的地时 这种信号间的交 干扰就会变小 原因是 大面 积的地减小了信号线的特性阻抗 信号在 D 端的反射大为减小 特性阻抗与信 号线到地间的介质的介电常数的平方成反比 与介质厚度的自然对数成正比 若 AB 线为一模拟信号 要避免数字电路信号线 CD 对 AB 的干扰 AB 线下方要 有大面积的地 AB 线到 CD 线的距离要大于 AB 线与地距离的 2 3 倍 可用局部 屏蔽地 在有引结的一面引线左右两侧布以地线 4 减小来自电源的噪声 电源在向系统提供能源的同时 也将其噪声加到所供电的电源上 电路中微控 制器的复位线 中断线 以及其它一些控制线最容易受外界噪声的干扰 电网 上的强干扰通过电源进入电路 即使电池供电的系统 电池本身也有高频噪声 模拟电路中的模拟信号更经受不住来自电源的干扰 5 注意印刷线板与元器件的高频特性 在高频情况下 印刷线路板上的引线 过孔 电阻 电容 接插件的分布电感 与电容等不可忽略 电容的分布电感不可忽略 电感的分布电容不可忽略 电 阻产生对高频信号的反射 引线的分布电容会起作用 当长度大于噪声频率相 应波长的 1 20 时 就产生天线效应 噪声通过引线向外发射 印刷线路板的过孔大约引起 0 6pf 的电容 一个集成电路本身的封装材料引入 2 6pf 电容 一个线路板上的接插件 有 520nH 的分布电感 一个双列直扦的 24 引脚集成电 路扦座 引入 4 18nH 的分布电感 这些小的分布参数对于这行较低频率下的微控制器系统中是可以忽略不计的 而对于高速系统必须予以特别注意 6 元件布置要合理分区 元件在印刷线路板上排列的位置要充分考虑抗电磁干扰问题 原则之一是各部 件之间的引线要尽量短 在布局上 要把模拟信号部分 高速数字电路部分 噪声源部分 如继电器 大电流开关等 这三部分合理地分开 使相互间的信 号耦合为最小 7 处理好接地线 印刷电路板上 电源线和地线最重要 克服电磁干扰 最主要的手段就是接地 对于双面板 地线布置特别讲究 通过采用单点接地法 电源和地是从电源的 两端接到印刷线路板上来的 电源一个接点 地一个接点 印刷线路板上 要 有多个返回地线 这些都会聚到回电源的那个接点上 就是所谓单点接地 所 谓模拟地 数字地 大功率器件地开分 是指布线分开 而最后都汇集到这个 接地点上来 与印刷线路板以外的信号相连时 通常采用屏蔽电缆 对于高频 和数字信号 屏蔽电缆两端都接地 低频模拟信号用的屏蔽电缆 一端接地为 好 对噪声和干扰非常敏感的电路或高频噪声特别严重的电路应该用金属罩屏蔽起 来 8 用好去耦电容 好的高频去耦电容可以去除高到 1GHZ 的高频成份 陶瓷片电容或多层陶瓷电容 的高频特性较好 设计印刷线路板时 每个集成电路的电源 地之间都要加一 个去耦电容 去耦电容有两个作用 一方面是本集成电路的蓄能电容 提供和 吸收该集成电路开门关门瞬间的充放电能 另一方面旁路掉该器件的高频噪声 数字电路中典型的去耦电容为 0 1uf 的去耦电容有 5nH 分布电感 它的并行共 振频率大约在 7MHz 左右 也就是说对于 10MHz 以下的噪声有较好的去耦作用 对 40MHz 以上的噪声几乎不起作用 1uf 10uf 电容 并行共振频率在 20MHz 以上 去除高频率噪声的效果要好一 些 在电源进入印刷板的地方和一个 1uf 或 10uf 的去高频电容往往是有利的 即使是用电池供电的系统也需要这种电容 每 10 片左右的集成电路要加一片充放电电容 或称为蓄放电容 电容大小可选 10uf 最好不用电解电容 电解电容是两层溥膜卷起来的 这种卷起来的结构 在高频时表现为电感 最好使用胆电容或聚碳酸酝电容 去耦电容值的选取并不严格 可按 C 1 f 计算 即 10MHz 取 0 1uf 对微控制 器构成的系统 取 0 1 0 01uf 之间都可以 3 降低噪声与电磁干扰的一些经验 1 能用低速芯片就不用高速的 高速芯片用在关键地方 2 可用串一个电阻的办法 降低控制电路上下沿跳变速率 3 尽量为继电器等提供某种形式的阻尼 4 使用满足系统要求的最低频率时钟 5 时钟产生器尽量 近到用该时钟的器件 石英晶体振荡器外壳要接地 6 用地线将时钟区圈起来 时钟线尽量短 7 I O 驱动电路尽量 近印刷板边 让其尽快离开印刷板 对进入印制板的信 号要加滤波 从高噪声区来的信号也要加滤波 同时用串终端电阻的办法 减 小信号反射 8 MCD 无用端要接高 或接地 或定义成输出端 集成电路上该接电源地的 端都要接 不要悬空 9 闲置不用的门电路输入端不要悬空 闲置不用的运放正输入端接地 负输 入端接输出端 10 印制板尽量使用 45 折线而不用 90 折线布线以减小高频 信号对外的发射与耦合 11 印制板按频率和电流开关特性分区 噪声元件与非噪声元件要距离再远一 些 12 单面板和双面板用单点接电源和单点接地 电源线 地线尽量粗 经济是 能承受的话用多层板以减小电源 地的容生电感 13 时钟 总线 片选信号要远离 I O 线和接插件 14 模拟电压输入线 参考电压端要尽量远离数字电路信号线 特别是时钟 15 对 A D 类器件 数字部分与模拟部分宁可统一下也不要交 16 时钟线垂直于 I O 线比平行 I O 线干扰小 时钟元件引脚远离 I O 电缆 17 元件引脚尽量短 去耦电容引脚尽量短 18 关键的线要尽量粗 并在两边加上保护地 高速线要短要直 19 对噪声敏感的线不要与大电流 高速开关线平行 20 石英晶体下面以及对噪声敏感的器件下面不要走线 21 弱信号电路 低频电路周围不要形成电流环路 22 任何信号都不要形成环路 如不可避免 让环路区尽量小 23 每个集成电路一个去耦电容 每个电解电容边上都要加一个小的高频旁路 电容 24 用大容量的钽电容或聚酷电容而不用电解电容作电路充放电储能电容 使 用管状电容时 外壳要接地 PCBPCB 布线规则详解布线规则详解 1 电源 地线的处理 既使在整个 PCB 板中的布线完成得都很好 但由于电源 地线的考虑不周到而引起的干扰 会使产品的性能 下降 有时甚至影响到产品的成功率 所以对电 地线的布线要认真对待 把 电 地线所产生的噪音干扰降到最低限度 以保证 产品的质量 对每个从事电子产品设计的工程人员来说都明白地线与电源线之 间噪音所产生的原因 现只对降低式抑制噪音作 以表述 众所周知的是在电源 地线之间加上去耦电容 尽量加宽电源 地 线宽度 最好是地线比电源线宽 它们的关系是 地线 电源线 信号线 通常信号线宽为 0 2 0 3mm 最经细宽度可达 0 05 0 07mm 电源线为 1 2 2 5 mm 对数字电路的 PCB 可 用宽的地导线组成一个回路 即构成一个地网来使用 模拟电路的地不能这样使 用 用大面积铜层作地线用 在印制板上把没被用上 的地方都与地相连接作为地线用 或是做成多层板 电源 地线各占用一层 2 数字电路与模拟电路的共地处理 现在有许多 PCB 不再是单一功能电路 数 字或模拟电路 而是由数字电路和模拟电路混合 构成的 因此在布线时就需要考虑它们之间互相干扰问题 特别是地线上的噪 音干扰 数字电路的频率高 模拟电路的敏感度 强 对信号线来说 高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件 对地线来 说 整人 PCB 对外界只有一个结点 所以必须在 PCB 内部进行处理数 模共地的问题 而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的 它们之间互不相连 只是在 PCB 与外界连接的接口 处 如插头等 数字地与模拟地有一点短接 请注意 只有一个连接点 也 有在 PCB 上不共地的 这由系统设计来决定 3 信号线布在电 地 层上 在多层印制板布线时 由于在信号线层没有布完 的线剩下已经不多 再多加层数就会造成浪费也会 给生产增加一定的工作量 成本也相应增加了 为解决这个矛盾 可以考虑在 电 地 层上进行布线 首先应考虑用电源层 其 次才是地层 因为最好是保留地层的完整性 4 大面积导体中连接腿的处理 在大面积的接地 电 中 常用元器件的腿与 其连接 对连接腿的处理需要进行综合的考虑 就 电气性能而言 元件腿的焊盘与铜面满接为好 但对元件的焊接装配就存在一 些不良隐患如 焊接需要大功率加热器 容易 造成虚焊点 所以兼顾电气性能与工艺需要 做成十字花焊盘 称之为热隔离 heat shield 俗称热焊盘 Thermal 这样 可使在焊接时因截面过分散热而产生虚焊点的可能性大大减少 多层板的接电 地 层腿的处理相同 5 布线中网络系统的作用 在许多 CAD 系统中 布线是依据网络系统决定的 网格过密 通路虽然有所增加 但步进太小 图场的 数据量过大 这必然对设备的存贮空间有更高的要求 同时也对象计算机类电 子产品的运算速度有极大的影响 而有些通路是无 效的 如被元件腿的焊盘占用的或被安装孔 定们孔所占用的等 网格过疏 通路太少对布通率的影响极大 所以要有一个疏密 合理的网格系统来支持布线的进行 标准元器件两腿之间的距离为 0 1 英寸 2 54mm 所以网格系统的基础一般就定为 0 1 英寸 2 54 mm 或小于 0 1 英寸的整倍数 如 0 05 英寸 0 025 英寸 0 02 英寸 等 6 设计规则检查 DRC 布线设计完成后 需认真检查布线设计是否符合设计 者所制定的规则 同时也需确认所制定的规则是 否符合印制板生产工艺的需求 一般检查有如下几个方面 线与线 线与元件 焊盘 线与贯通孔 元件焊盘与贯通孔 贯通孔 与贯通孔之间的距离是否合理 是否满足生产要求 电源线和地线的宽度是否 合适 电源与地线之间是否紧耦合 低的波阻抗 在 PCB 中是否还有能让地线加宽的地方 对于关键的信号线是否采取了最 佳措施 如长度最短 加保护线 输入线及输出线 被明显地分开 模拟电路和数字电路部分 是否有各自独立的地线 后加在 PCB 中的图形 如图标 注标 是否会造成信号短 路 对一些不理想的线形进行修改 在 PCB 上是否加有工艺线 阻焊是否符 合生产工艺的要求 阻焊尺寸是否合适 字符标志 是否压在器件焊盘上 以免影响电装质量 多层板中的电源地层的外框边缘是 否缩小 如电源地层的铜箔露出板外容易造成短 路 概述 本文档的目的在于说明使用 PADS 的印制板设计软件 PowerPCB 进行印 制板设计的流程和一些注意事项 为一个工作组的 设计人员提供设计规范 方便设计人员之间进行交流和相互检查 2 设计流程 PCB 的设计流程分为网表输入 规则设置 元器件布局 布线 检查 复查 输出六个步骤 2 1 网表输入 网表输入有两种方法 一种是使用 PowerLogic 的 OLE PowerPCB Connection 功 能 选择 Send Netlist 应用 OLE 功能 可以随时保 持原理图和 PCB 图的一致 尽量减少出错的可能 另一种方法是直接在 PowerPCB 中装载网表 选择 File Import 将原理图生 成的网表输入进来 2 2 规则设置 如果在原理图设计阶段就已经把 PCB 的设计规则设置好的话 就不用再进行设置 这些规则了 因为输入网表时 设计规则已随网表输入进 PowerPCB 了 如果修 改了设计规则 必须同步原理图 保证原理图和 PCB 的一致 除了设计规则和层定义外 还有一些规则需要设置 比如 Pad Stacks 需要修改标准过孔的大小 如果设计者新建了一个 焊盘或过孔 一定要加上 Layer 25 注意 PCB 设计规则 层定义 过孔设置 CAM 输出设置已经作成缺省启动文 件 名称为 Default stp 网表输入进来以后 按照 设计的实际情况 把电源网络和地分配给电源层和地层 并设置其它高级规则 在所有的规则都设置好以后 在 PowerLogic 中 使用 OLE PowerPCB Connection 的 Rules From PCB 功能 更新原理图中的规则 设置 保证原 理图和 PCB 图的规则一致 2 3 元器件布局 网表输入以后 所有的元器件都会放在工作区的零点 重叠 在一起 下一步的工作就是把这些元器件分开 按照 一些规则摆放整齐 即元器件布局 PowerPCB 提供了两种方法 手工布局和自 动布局 2 3 1 手工布局 1 工具印制板的结构尺寸画出板边 Board Outline 2 将元器件分散 Disperse Components 元器件会排列在板边的周围 3 把元器件一个一个地移动 旋转 放到板边以内 按照一定的规则摆放整 齐 2 3 2 自动布局 PowerPCB 提供了自动布局和自动的局部簇布局 但对大 多数的设计来说 效果并不理想 不推荐使用 2 3 3 注意事项 a 布局的首要原则是保证布线的布通率 移动器件时注意飞线的连接 把有 连线关系的器件放在一起 b 数字器件和模拟器件要分开 尽量远离 c 去耦电容尽量靠近器件的 VCC d 放置器件时要考虑以后的焊接 不要太密集 e 多使用软件提供的 Array 和 Union 功能 提高布局的效率 2 4 布线 布线的方式也有两种 手工布线和自动布线 PowerPCB 提供的手工布线功能十分强大 包括自动推挤 在线设计规则检查 DRC 自动布线由 Specctra 的布线引擎进行 通常 这两种方法配合使用 常用的步骤是手工 自动 手工 2 4 1 手工布线 1 自动布线前 先用手工布一些重要的网络 比如高频时钟 主电源等 这些 网络往往对走线距离 线宽 线间距 屏蔽等有特殊 的要求 另外一些特殊封装 如 BGA 自动布线很难布得有规则 也要用手工 布线 2 自动布线以后 还要用手工布线对 PCB 的走线进行调整 2 4 2 自动布线 手工布线结束以后 剩下的 网络就交给自动布线器来自布 选择 Tools SPECCTRA 启动 Specctra 布线器 的接口 设置好 DO 文件 按 Continue 就启动了 Specctra 布线器自动布线 结束后如果布通率为 100 那么就可以进行手工调整布线了 如果不到 100 说明布局或手工布线有问题 需要 调整布局或手工布线 直至全部布通为止 2 4 3 注意事项 a 电源线和地线尽量加粗 b 去耦电容尽量与 VCC 直接连接 c 设置 Specctra 的 DO 文件时 首先添加 Protect all wires 命令 保护手工 布的线不被自动布线器重布 d 如果有混合电源层 应该将该层定义为 Split mixed Plane 在布线之前将 其分割 布完线之后 使用 Pour Manager 的 Plane Connect 进行覆铜 e 将所有的器件管脚设置为热焊盘方式 做法是将 Filter 设为 Pins 选中所 有的管脚 修改属性 在 Thermal 选项前打勾 f 手动布线时把 DRC 选项打开 使用动态布线 Dynamic Route 2 5 检查 检查的项目有间距 Clearance 连接性 Connectivity 高速规则 High Speed 和电源层 Plane 这些项目 可以选择 Tools Verify Design 进行 如果设 置了高速规则 必须检查 否则可以跳过这一项 检查出错误 必须修改布局 和布线 注意 有些错误可以忽略 例如有些接 插件的 Outline 的一部分放在了板框外 检查间距时会出错 另外每次修改过 走线和过孔之后 都要重新覆铜一次 2 6 复查 复查根据 PCB 检查表 内容包括设计规则 层定义 线宽 间距 焊盘 过孔设置 还要重点复查器件布局的合理 性 电源 地线网络的走线 高速时钟网络的走线与屏蔽 去耦电容的摆放和 连接等 复查不合格 设计者要修改布局和布线 合 格之后 复查者和设计者分别签字 2 7 设计输出 PCB 设计可以输出到打印机或输出光绘文件 打印机可以把 PCB 分层打印 便于设计者和复查者检查 光绘文件交给 制板厂家 生产印制板 光绘文件的输出十分重要 关系到这次设计的成败 下面将着重说明输出光绘文件的注意 事项 a 需要输出的层有布线层 包括顶层 底层 中间布线层 电源层 包括 VCC 层和 GND 层 丝印层 包括顶层丝印 底层丝印 阻焊层 包括顶层阻焊和底层阻焊 另外还要生成钻孔文件 NC Drill b 如果电源层设置为 Split Mixed 那么在 Add Document 窗口的 Document 项选择 Routing 并且每次输出光绘文件之前 都要 对 PCB 图使用 Pour Manager 的 Plane Connect 进行覆铜 如果设置为 CAM Plane 则选择 Plane 在设置 Layer 项的时候 要把 Layer25 加上 在 Layer25 层中选择 Pads 和 Viasc 在设备设置窗口 按 Device Setup 将 Aperture 的值改为 199 d 在设置每层的 Layer 时 将 Board Outline 选上 e 设置丝印层的 Layer 时 不要选择 Part Type 选择顶层 底层 和丝印层 的 Outline Text Line f 设置阻焊层的 Layer 时 选择过孔表示过孔上不加阻焊 不选过孔表示家阻 焊 视具体情况确定 g 生成钻孔文件时 使用 PowerPCB 的缺省设置 不要作任何改动 h 所有光绘文件输出以后 用 CAM350 打开并打印 由设计者和复查者根据 PCB 检查表 检查过孔 via 是多层 PCB 的重要组 成部分之一 钻孔的费用通常占 PCB 制板费用的 30 到 40 简单的说来 PCB 上的每一个孔都可以称之为过孔 从作用上看 过孔可 以分成两类 一是用作各层间的电气连接 二是用作器件的固定或定位 如果从工艺制程上来说 这些过孔一般又分 为三类 即盲孔 blind via 埋孔 buried via 和通孔 through via 盲孔位于印刷线路板的顶层和底层表面 具有一定深度 用于 表层线路和下面的内层线路的连接 孔的深度通常不 超过一定的比率 孔径 埋孔是指位于印刷线路板内层的连接孔 它不会延伸 到线路板的表面 上述两类孔都位于线路板的内层 层压前利用通孔成型工艺完成 在过孔形成过程中可能还会重叠做好几个内层 第三种称为通孔 这种孔穿过整个线路板 可用于实 现内部互连或作为元件的安装定位孔 由于通孔在工艺上更易于实现 成本较 低 所以绝大部分印刷电路板均使用它 而不用另外两 种过孔 以下所说的过孔 没有特殊说明的 均作为通孔考虑 从设计的角度 来看 一个过孔主要由两个部分组成 一是中间的钻孔 drill hole 二是钻孔周围的焊盘区 见下图 这两部分的尺寸大小决定了 过孔的大小 很显然 在高速 高密度的 PCB 设计时 设 计者总是希望过孔越小越好 这样板上可以留有更多的布线空间 此外 过孔 越小 其自身的寄生电容也越小 更适合用于高速电路 但孔尺寸的减小同时带来了成本的增加 而且过孔的尺寸不可能无限制的减小 它受到钻孔 drill 和电镀 plating 等工艺技术的 限制 孔越小 钻孔需花费的时间越长 也越容易偏离中心位置 且当孔的深 度超过钻孔直径的 6 倍时 就无法保证孔壁能均匀镀铜 比如 现在正常的一块 6 层 PCB 板的厚度 通孔深度 为 50Mil 左右 所以 PCB 厂家能提供的钻孔直径最小只能达到 8Mil 二 过孔的寄 生电容 过孔本身存在着对地的寄生电容 如果已知过孔在铺地层上的隔离孔直 径为 D2 过孔焊盘的直径为 D1 PCB 板的厚度为 T 板基材 介电常数为 则过孔的寄生电容大小近似于 C 1 41 TD1 D2 D1 过孔的 寄生电容会给电路造成的主要影响是延长了信号的上升 时间 降低了电路的速度 举例来说 对于一块厚度为 50Mil 的 PCB 板 如果 使用内径为 10Mil 焊盘直径为 20Mil 的过孔 焊盘与地铺 铜区的距离为 32Mil 则我们可以通过上面的公式近似算出过孔的寄生电容大致 是 C 1 41x4 4x0 050 x0 020 0 032 0 020 0 517pF 这部分电容引起的上升时间变化量为 T10 90 2 2C Z0 2 2 2x0 517x 55 2 31 28ps 从这些数值可以看出 尽管单个过孔的寄生 电容引起的上升延变缓的效用不是很明显 但是如果走线中多次使用过孔进行 层间的切换 设计者还是要慎重考虑的 三 过孔的寄生电感 同样 过孔存在寄生电容的同时也存在着寄生电感 在高 速数字电路的设计中 过孔的寄生电感带来的危害 往往大于寄生电容的影响 它的寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献 减弱整 个电源系统的滤波效用 我们可以用下面的公式来简 单地计算一个过孔近似的寄生电感 L 5 08h ln 4h d 1 其中 L 指过孔的电 感 h 是过孔的长度 d 是中心钻孔的直径 从式中可以 看出 过孔的直径对电感的影响较小 而对电感影响最大的是过孔的长度 仍 然采用上面的例子 可以计算出过孔的电感为 L 5 08x0 050 ln 4x0 050 0 010 1 1 015nH 如果信号的上升时间是 1ns 那么其等效阻抗大小为 XL L T10 90 3 19 这样 的阻抗在有高频电流的通过已经不能够被忽略 特别要注意 旁路电容在连接 电源层和地层的时候需要通过两个过孔 这样过孔的 寄生电感就会成倍增加 四 高速 PCB 中的过孔设计 通过上面对过孔寄生特性的分析 我们可以看到 在高速 PCB 设计中 看似简单的过 孔往往也会给电路 的设计带来很大的负面效应 为了减小过孔的寄生效应带来的不利影响 在设 计中可以尽量做到 1 从成本和信号质量两方面考虑 选择合理尺寸的过孔大小 比如对 6 10 层 的内 存模块 PCB 设计来说 选用 10 20Mil 钻孔 焊盘 的过孔较好 对于一些高密度的小尺寸的板子 也可以尝试使用 8 18Mil 的过 孔 目前技术条件下 很难使用更小尺寸的过孔了 对 于电源或地线的过孔则可以考虑使用较大尺寸 以减小阻抗 2 上面讨论的两个公式可以得出 使用较薄的 PCB 板有利于减小过孔的两种寄 生参数 3 PCB 板上的信号走线尽量不换层 也就是说尽量不要使用不必要的过孔 4 电源和地的管脚要就近打过孔 过孔和管脚之间的引线越短越好 因为它们 会 导致电感的增加 同时电源和地的引线要尽可能粗 以减少阻抗 5 在信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔 以便为信号提供最近的回路 甚至可以在 PCB 板上大量放置一些多余的接地过孔 当 然 在设计时还需要灵活多变 前面讨论的过孔模型是每层均有焊盘的情况 也有的时候 我们可以将某些层的焊盘减小甚至去掉 特别是在过孔密度非常大的情况下 可能会导致在铺铜层形成一个隔断回路的 断槽 解决这样的问题除了移动过孔的位置 我们还可 以考虑将过孔在该铺铜层的焊盘尺寸减小 PCB 布线原则布线原则 连线精简原则连线精简原则 连线要精简 尽可能短 尽量少拐弯 力求线条简单明了 特别是在高频连线要精简 尽可能短 尽量少拐弯 力求线条简单明了 特别是在高频 回路中 当然为了达到阻抗匹配而需要进行特殊延长的线就例外了 例如蛇行回路中 当然为了达到阻抗匹配而需要进行特殊延长的线就例外了 例如蛇行 走线等 走线等 安全载流原则安全载流原则 铜线的宽度应以自己所能承载的电流为基础进行设计 铜线的载流能力取铜线的宽度应以自己所能承载的电流为基础进行设计 铜线的载流能力取 决于以下因素 线宽 线厚 铜铂厚度 允许温升等 下表给出了铜导线的决于以下因素 线宽 线厚 铜铂厚度 允许温升等 下表给出了铜导线的 宽度和导线面积以及导电电流的关系 军品标准 可以根据这个基本的关系宽度和导线面积以及导电电流的关系 军品标准 可以根据这个基本的关系 对导线宽度进行适当的考虑 对导线宽度进行适当的考虑 印制导线最大允许工作电流 导线厚印制导线最大允许工作电流 导线厚 50um50um 允许温升 允许温升 10 10 导线宽度 导线宽度 MilMil 导线电流 导线电流 A A 101 151 2 201 3 251 7 301 9 502 6 753 5 1004 2 2007 0 2508 3 相关的计算公式为 相关的计算公式为 I KT0 44A0 75 其中其中 K 为修正系数 一般覆铜线在内层时取为修正系数 一般覆铜线在内层时取 0 024 在外层时取 在外层时取 0 048 T 为最大温升 单位为为最大温升 单位为 A 为覆铜线的截面积 单位为为覆铜线的截面积 单位为 mil 不是 不是 mm 注意 注意 I 为允许的最大电流 单位是为允许的最大电流 单位是 A 电磁抗干扰原则电磁抗干扰原则 电磁抗干扰原则涉及的知识点比较多 例如铜膜线的拐弯处应为圆角或斜电磁抗干扰原则涉及的知识点比较多 例如铜膜线的拐弯处应为圆角或斜 角 因为高频时直角或者尖角的拐弯会影响电气性能 双面板两面的导线应互角 因为高频时直角或者尖角的拐弯会影响电气性能 双面板两面的导线应互 相垂直 斜交或者弯曲走线 尽量避免平行走线 减小寄生耦合等 相垂直 斜交或者弯曲走线 尽量避免平行走线 减小寄生耦合等 一 一 通常一个电子系统中有各种不同的地线 如数字地 逻辑地 系统通常一个电子系统中有各种不同的地线 如数字地 逻辑地 系统 地 机壳地等 地线的设计原则如下 地 机壳地等 地线的设计原则如下 1 1 正确的单点和多点接地正确的单点和多点接地 在低频电路中 信号的工作频率小于在低频电路中 信号的工作频率小于 1MHZ1MHZ 它的布线和器件间的电感影响较小 它的布线和器件间的电感影响较小 而接地电路形成的环流对干扰影响较大 因而应采用一点接地 当信号工作频而接地电路形成的环流对干扰影响较大 因而应采用一点接地 当信号工作频 率大于率大于 10MHZ10MHZ 时 如果采用一点接地 其地线的长度不应超过波长的时 如果采用一点接地 其地线的长度不应超过波长的 1 201 20 否 否 则应采用多点接地法 则应采用多点接地法 2 2 数字地与模拟地分开数字地与模拟地分开 若线路板上既有逻辑电路又有线性电路 应尽量使它们分开 一般数字若线路板上既有逻辑电路又有线性电路 应尽量使它们分开 一般数字 电路的抗干扰能力比较强 例如电路的抗干扰能力比较强 例如 TTLTTL 电路的噪声容限为电路的噪声容限为 0 4 0 6V0 4 0 6V CMOSCMOS 电路的噪声容限为电源电压的电路的噪声容限为电源电压的 0 3 0 450 3 0 45 倍 而模拟电路只要有很小的倍 而模拟电路只要有很小的 噪声就足以使其工作不正常 所以这两类电路应该分开布局布线 噪声就足以使其工作不正常 所以这两类电路应该分开布局布线 3 3 接地线应尽量加粗接地线应尽量加粗 若接地线用很细的线条 则接地电位会随电流的变化而变化 使抗噪性若接地线用很细的线条 则接地电位会随电流的变化而变化 使抗噪性 能降低 因此应将地线加粗 使它能通过三倍于印制板上的允许电流 能降低 因此应将地线加粗 使它能通过三倍于印制板上的允许电流 如有可能 接地线应在如有可能 接地线应在 2 3mm2 3mm 以上 以上 4 4 接地线构成闭环路接地线构成闭环路 只由数字电路组成的印制板 其接地电路布成环路大多能提高抗噪声能只由数字电路组成的印制板 其接地电路布成环路大多能提高抗噪声能 力 因为环形地线可以减小接地电阻 从而减小接地电位差 力 因为环形地线可以减小接地电阻 从而减小接地电位差 二 二 配置退藕电容配置退藕电容 PCBPCB 设计的常规做法之一是在印刷板的各个关键部位配置适当的退藕电容 设计的常规做法之一是在印刷板的各个关键部位配置适当的退藕电容 退藕电容的一般配置原则是 退藕电容的一般配置原则是 a 电源的输入端跨接电源的输入端跨接 10 100uf10 100uf 的电解电容器 如果印制电路板的位的电解电容器 如果印制电路板的位 置允许 采用置允许 采用 100uf100uf 以上的电解电容器抗干扰效果会更好 以上的电解电容器抗干扰效果会更好 b 原则上每个集成电路芯片都应布置一个原则上每个集成电路芯片都应布置一个 0 01uf 0 1uf0 01uf 0 1uf 的瓷片电容 的瓷片电容 如遇印制板空隙不够 可每如遇印制板空隙不够 可每 4 84 8 个芯片布置一个个芯片布置一个 1 10uf1 10uf 的钽电容的钽电容 最好不用电解电容 电解电容是两层薄膜卷起来的 这种卷起来 最好不用电解电容 电解电容是两层薄膜卷起来的 这种卷起来 的结构在高频时表现为电感 最好使用钽电容或聚碳酸酝电容 的结构在高频时表现为电感 最好使用钽电容或聚碳酸酝电容 c 对于抗噪能力弱 关断时电源变化大的器件 如对于抗噪能力弱 关断时电源变化大的器件 如 RAMRAM ROMROM 存储器存储器 件 应在芯片的电源线和地线之间直接接入退藕电容 件 应在芯片的电源线和地线之间直接接入退藕电容 d 电容引线不能太长 尤其是高频旁路电容不能有引线 电容引线不能太长 尤其是高频旁路电容不能有引线 三 三 过孔设计过孔设计 在高速在高速 PCBPCB 设计中 看似简单的过孔也往往会给电路的设计带来很大的设计中 看似简单的过孔也往往会给电路的设计带来很大的 负面效应 为了减小过孔的寄生效应带来的不利影响 在设计中可以尽量负面效应 为了减小过孔的寄生效应带来的不利影响 在设计中可以尽量 做到 做到 a 从成本和信号质量两方面来考虑 选择合理尺寸的过孔大小 例从成本和信号质量两方面来考虑 选择合理尺寸的过孔大小 例 如对如对 6 6 1010 层的内存模块层的内存模块 PCBPCB 设计来说 选用设计来说 选用 10 20mil10 20mil 钻孔 钻孔 焊焊 盘 的过孔较好 对于一些高密度的小尺寸的板子 也可以尝试使盘 的过孔较好 对于一些高密度的小尺寸的板子 也可以尝试使 用用 8 18Mil8 18Mil 的过孔 在目前技术条件下 很难使用更小尺寸的过孔的过孔 在目前技术条件下 很难使用更小尺寸的过孔 了 当孔的深度超过钻孔直径的了 当孔的深度超过钻孔直径的 6 6 倍时 就无法保证孔壁能均匀镀倍时 就无法保证孔壁能均匀镀 铜 对于电源或地线的过孔则可以考虑使用较大尺寸 以减小阻铜 对于电源或地线的过孔则可以考虑使用较大尺寸 以减小阻 抗 抗 b 使用较薄的使用较薄的 PCBPCB 板有利于减小过孔的两种寄生参数 板有利于减小过孔的两种寄生参数 c PCBPCB 板上的信号走线尽量不换层 即尽量不要使用不必要的过孔 板上的信号走线尽量不换层 即尽量不要使用不必要的过孔 d 电源和地的管脚要就近打过孔 过孔和管脚之间的引线越短越好 电源和地的管脚要就近打过孔 过孔和管脚之间的引线越短越好 e 在信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔 以便为信号提供最在信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔 以便为信号提供最 近的回路 甚至可以在近的回路 甚至可以在 PCBPCB 板上大量放置一些多余的接地过孔 板上大量放置一些多余的接地过孔 四 四 降低噪声与电磁干扰的一些经验降低噪声与电磁干扰的一些经验 a 能用低速芯片就不用高速的 高速芯片用在关键地方 能用低速芯片就不用高速的 高速芯片用在关键地方 b 可用串一个电阻的方法 降低控制电路上下沿跳变速率 可用串一个电阻的方法 降低控制电路上下沿跳变速率 c 尽量为继电器等提供某种形式的阻尼 如尽量为继电器等提供某种形式的阻尼 如 RCRC 设置电流阻尼 设置电流阻尼 d 使用满足系统要求的最低频率时钟 使用满足系统要求的最低频率时钟 e 时钟应尽量靠近到用该时钟的器件 石英晶体振荡器的外壳要接地 时钟应尽量靠近到用该时钟的器件 石英晶体振荡器的外壳要接地 f 用地线将时钟区圈起来 时钟线尽量短 用地线将时钟区圈起来 时钟线尽量短 g 石英晶体下面以及对噪声敏感的器件下面不要走线 石英晶体下面以及对噪声敏感的器件下面不要走线 h 时钟 总线 片选信号要远离时钟 总线 片选信号要远离 I OI O 线和接插件 线和接插件 i 时钟线垂直于时钟线垂直于 I OI O 线比平行于线比平行于 I OI O 线干扰小 线干扰小 J J I OI O 驱动电路尽量靠近驱动电路尽量靠近 PCBPCB 板边 让其尽快离开板边 让其尽快离开 PCBPCB 对进入 对进入 PCBPCB 的信号要加滤波 从高噪声区来的信号也要加滤波 同时用串终端的信号要加滤波 从高噪声区来的信号也要加滤波 同时用串终端 电阻的办法 减小信号反射 电阻的办法 减小信号反射 k MCUMCU 无用端要接高 或接地 或定义成输出端 集成电路上该接电无用端要接高 或接地 或定义成输出端 集成电路上该接电 源 地的端都要接 不要悬空 源 地的端都要接 不要悬空 l 闲置不用的门电路输入端不要悬空 闲置不用的运放正输入端接地 闲置不用的门电路输入端不要悬空 闲置不用的运放正输入端接地 负输入端接输出端 负输入端接输出端 m 印制板尽量使用印制板尽量使用 4545 折线而不用折线而不用 9090 折线布线 以减小高频信号对折线布线 以减小高频信号对 外的发射与耦合 外的发射与耦合 n 印制板按频率和电流开关特性分区 噪声元件与非噪声元件呀距离印制板按频率和电流开关特性分区 噪声元件与非噪声元件呀距离 再远一些 再远一些 o o 单面板和双面板用单点接电源和单点接地 电源线 地线尽量粗 单面板和双面板用单点接电源和单点接地 电源线 地线尽量粗 p 模拟电压输入线 参考电压端要尽量远离数字电路信号线 特别是模拟电压输入线 参考电压端要尽量远离数字电路信号线 特别是 时钟 时钟 q 对对 A DA D 类器件 数字部分与模拟部分不要交叉 类器件 数字部分与模拟部分不要交叉 r 元件引脚尽量短 去藕电容引脚尽量短 元件引脚尽量短 去藕电容引脚尽量短 s 关键的线要尽量粗 并在两边加上保护地 高速线要短要直 关键的线要尽量粗 并在两边加上保护地 高速线要短要直 t 对噪声敏感的线不要与大电流 高速开关线并行 对噪声敏感的线不要与大电流 高速开关线并行 u 弱信号电路 低频电路周围不要形成电流环路 弱信号电路 低频电路周围不要形成电流环路 v v 任何信号都不要形成环路 如不可避免 让环路区尽量小 任何信号都不要形成环路 如不可避免 让环路区尽量小 w 每个集成电路有一个去藕电容 每个电解电容边上都要加一个小每个集成电路有一个去藕电容 每个电解电容边上都要加一个小 的高频旁路电容 的高频旁路电容 x 用大容量的钽电容或聚酷电容而不用电解电容做电路充放电储能电用大容量的钽电容或聚酷电容而不用电解电容做电路充放电储能电 容 使用管状电容时 外壳要接地 容 使用管状电容时 外壳要接地 y 对干扰十分敏感的信号线要设置包地 可以有效地抑制串扰 对干扰十分敏感的信号线要设置包地 可以有效地抑制串扰 z 信号在印刷板上传输 其延迟时间不应大于所有器件的标称延迟时信号在印刷板上传输 其延迟时间不应大于所有器件的标称延迟时 间 间 环境效应原则环境效应原则 要注意所应用的环境 例如在一个振动或者其他容易使板子变形的环境中要注意所应用的环境