SMT貼片加工廠家詳細介紹有關PCB線路板的PCB設計過程以及應注意的問題。在設計過程中針對普通元器件及一些特殊元器件采用不同的布局原則；比較手工布線、自動布線及交互式 布線的優(yōu)點及不足之處；介紹PCB電路以及為了減小電路之間的干擾所采取的相關措施。結(jié)合親身設計經(jīng)驗，以基于ARM、自主移動的嵌入式系統(tǒng)核心板的 PCB設計為例，簡單介紹有關四層PCB線路板的PCB設計過程以及應注意的相關問題。
印制PCB線路板(PCB)在電子產(chǎn)品中，起到支撐電路元件和器件的作用，同時還提供電路元件和器件之間的電氣連接。其實，PCB的設計不僅是排列、固定元器件，連通器件的引腳這樣簡單，它的好壞對產(chǎn)品的抗干擾能力影響很大．甚至對今后產(chǎn)品的性能起著決定性作用。隨著電子技術的飛速發(fā)展，元器件和產(chǎn)品的外形尺 寸變得越來越小，工作頻率越來越高，使得PCB上元器件的密度大幅提高，這也就增加了PCB設計、加工的難度。因此，可以這樣說，PCB設汁始終是電子產(chǎn)品開發(fā)設計中最重要的內(nèi)容之一。 1 布局 所謂布局就是把電路圖中所有元器件都合理地安排在面積有限的PCB上。從信號的角度講，主要有數(shù)字信號電路 板、模擬信號PCB線路板以及混合信號PCB線路板3種。在設計混合信號PCB線路板時，一定要仔細考慮，將元器件通過手工方式擺放在PCB線路板的合適位置，以便將數(shù)字和模擬器 件分開，如圖l所示。
在安排PCB的布局過程中，最關鍵的問題是：開關、按鈕、旋鈕等操作件以及結(jié)構(gòu)件(簡稱“特殊元件”)等，必須事先安排到指定(合適)的位置上。放置好之 后，可以設置元器件的屬性，將LOCK項選中，這樣就可以避免以后的操作誤將其移動；而對于其他元器件的位置安排，必須同時兼顧布線的布通率和電氣性能的 最優(yōu)化，以及今后的生產(chǎn)工藝和造價等多方面因素．所謂的“兼顧”往往是對設計工作人員水平和經(jīng)驗的挑戰(zhàn)。
1.1 特殊元件的布局原則
①應當盡可能地縮短元器件之間的連線，設法減小它們的分布參數(shù)和相互之間的電磁干擾。那些易受電磁干擾的元器件不能挨得太近，輸入和輸出元件應盡量彼此遠離。
②某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差，因此應加大它們之間的距離，以避免放電而引起意外的短路；同時從安全的角度考慮，帶高壓的元器件應盡量布置在調(diào)試時手不易觸及的地方。
③對于質(zhì)量超過15g的大器件，應當使用支架加以固定后，再進行焊接。那些又大又重、發(fā)熱量大的元器件，不宜裝在印制板上，而應裝在整機的機箱底板上；且要考慮散熱問題，熱敏元器件應當遠離發(fā)熱元件（用于過溫保護的器件除外）。
④對于可調(diào)電位器、電感、可變電容器、微動開關等可調(diào)元件的布局，應考慮整機的結(jié)構(gòu)要求。若是機內(nèi)調(diào)節(jié)，則應放在印制板上方便調(diào)節(jié)的地方；若是機外調(diào)節(jié)，則其位置要與調(diào)節(jié)旋鈕在機箱面板上的位置相適應。
1.2 普通元器件的布局
①按照電路的流程安排各個電路單元的位置，使布局便于信號的流通，并且盡量使信號能夠保持一致的方向。
②以每個功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進行布局。元器件應當均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上．盡量減少和縮短各器件之間的引線和連接。
③在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般情況下，電路應盡可能使元器件平行排列，不僅可以達到美觀的效果，而且易于裝焊和批量生產(chǎn)。
④位于PCB線路板邊緣的元器件，離PCB線路板邊緣一般不小于2mm；PCB線路板的最佳形狀為矩形，其長寬比可為3：2或4：3。當PCB線路板面尺寸大于200mm× 150mm時，應考慮PCB線路板所承受的機械強度。若在實際設計過程中，開始時并不能確定PCB板所需的尺寸，則可以設計得稍微大一些。待PCB設計工作結(jié)束 后，可在Protel DXP中選擇Design→Board Shape→Redefine Board Shape操作，對原先的PCB進行適當?shù)牟眉簟?/span>
另外，根據(jù)本人的實際工作經(jīng)驗，若要對已有的PCB線路板進行某些功能的擴充或縮減，需要重新設計新的PCB，則在實際布局時可以參照母板上的布局，通過手工方式將元器件安排在恰當?shù)奈恢蒙希辉诓季€過程中，再根據(jù)實際需要進行調(diào)整，以進一步提高布通率。
2 布線 布線是在布局之后，通過設汁銅箔的走線圖，按照原理圖連通所有的走線。顯然，布局的合理程度將直接影響到布線的成功率，因而往往在布線的整個過程中，都需要對布局進行適當?shù)恼{(diào)整。布線設計可以采用雙層走線和單層走線；對于極其復雜的設計，也可以考慮多層布線方案。
在PCB設計中，布線是完成產(chǎn)品設計的重要步驟。可以這樣說，前面各項準備工作都是為它而做的。PCB布線有單面布線、雙面布線和多層布線。布線的方式有兩種：自動布線和交互式布線。
在PCB設計中，設計人員往往希望能夠采用自動布線的方式。在通常情況下，對于純數(shù)字信號PCB線路板(尤其信號電平比較低，PCB線路板密度比較小時)采用自動布線 是沒有問題的。但是，在設計模擬信號．混合信號或高速PCB線路板時，如果也完全采用自動布線，可就要出問題了，甚至可能帶來嚴重的電路性能問題。
目前，雖然已經(jīng)有一些自動布線的工具功能非常強大，通常可以達到100％的布通率，但是整體外觀效果不是很美觀，有時連線排列雜亂無章，兩個引腳之間的連線并不是最短(最優(yōu))路徑。 對于電路相對比較復雜的設計，請盡量不要完全采用自動布線方式。建議在采用自動布線之前，首先采用交互式方式預先對那些要求比較嚴格的線進行布線。同時輸 入端和輸出端的邊線應避免相鄰平行，以免產(chǎn)生反射干擾；兩相鄰層的布線要相互垂直，平行容易產(chǎn)生寄生耦合，這一約束條件可以在布線規(guī)則中添加。 自動布線的布通率，依賴于良好的布局。布線規(guī)則要預先設定，包括走線的彎曲次數(shù)、導通孔的數(shù)目和步進的數(shù)目等。一般先進行探索式市線，快速地把短線先連 通；然后再進行迷宮式布線，先把要布的線進行全局的布線路徑優(yōu)化，它可以根據(jù)需要斷開已布的線，并重新布線，以改進總體效果。 在手工布線時，為了確保正確實現(xiàn)電路，需要遵循一些通用的設計規(guī)則：盡量采用地平面作為電流回路；將模擬地平面與數(shù)字地平面分開；如果地平面被信號線隔 斷，那么為減少對地電流回路的干擾，應使信號走線與地平面垂直；模擬電路盡量靠近電路扳邊緣放置，數(shù)字電路盡量靠近電源連接端放置，這樣做町以減小由數(shù)字 開關引起的di/dt出效應。
3 PCB電路及電路抗干擾措施 抗干擾設計與具體電路有著密切的關系，也是一個很復雜的技術問題。這里結(jié)合在PCB設計過程中的經(jīng)驗做一些簡單的介紹。
①電源線的設計。根據(jù)PCB電流的大小，盡量加粗電源線的寬度(在布線設計規(guī)則中，可以單獨為電源線和地線的線寬做新的約束規(guī)則)，減少環(huán)路電阻，尤其要注意使電源線、地線的供電方向與數(shù)據(jù)、信號的傳遞方向相反，有助于增強抗噪聲能力。
②地線的設計。地線既是特殊的電源線，又是信號線。除了要遵循電源線的設計原則外，還應做到：數(shù)字地與模擬地分開；若線路板上既有邏輯電路又有線性電路， 則應使它們盡量分開；低頻電路的地應盡量采用單點并聯(lián)接地，實際布線有困難時可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地；高頻電路宜采用多點串聯(lián)接地，地線應短而粗，高頻元 件周圍盡量用柵格狀進行大面積地敷銅；盡量加寬電源和地線寬度，最好是地線要比電源線寬一些，它們的寬度關系是，地線>電源線>信號線。
③數(shù)字電路系統(tǒng)的接地構(gòu)成閉環(huán)路，即構(gòu)成一個地網(wǎng)，能提高抗噪聲能力。
④數(shù)字電流不應流經(jīng)模擬器件，高速電流不應流經(jīng)低速器件。
⑤在電源地線之間加上去耦電容，以提高電源回路的抗干擾能力。
4 具體實例 以下實例是基于ARM、自主移動的嵌入式系統(tǒng)核心板的PCB設計。
4.1 核心板原理圖 在 核心板原理圖中，核心元件為S3C44BOX。該元件是一款高性能的16／32位RISC微處理器，66MHz的主頻，內(nèi)部集成了LCD控制器，適用于手 持設備，采用160-QFP封裝。在該系統(tǒng)中，電源電路需要使用5V和3．3V的直流穩(wěn)壓電源，其中S3C44BOX使用2．5V電源，外圍器件需3． 3V電源，其他部分器件需5V電源；晶振電路用于向CPU以及其他電路提供工作時鐘，S3C44BOX使用常用的無源晶振；U6、U7和U9構(gòu)成此系統(tǒng)的 存儲系統(tǒng)。
4．2 四層PCB線路板布線規(guī)則
①本PCB設計使用的軟件工具為Protel DXP。該核心板為四層PCB線路板，頂層和底層為信號層，中間2層分別為電源層和地層。
②母板的原始PCB尺寸為55mm×70mm，但在實際設計過程中，若也將PCB尺寸設計為此值，則在布線過程中會遇到難以布通的實際困難，因此先將板尺 寸設計得稍微大一些，在布線成功之后，選擇Design→Board Shape→Redefine Roard Shape對PCB板進行裁剪。
③在由原理圖生成PCB圖時，通過手工的方式，將一些要求比較嚴格的元器件(U5、U6、U7和U9)放置在適當?shù)奈恢茫⑵滏i定；同時要將晶振放置在 U5的附近。在擺放其他元器件時也要注意元器件之間的距離，如果兩個元器件距離太近，則會產(chǎn)生干擾，并呈綠色顯示。
④在系統(tǒng)中，S3C44BOX的片內(nèi)工作頻率為66MHz。因此，在印刷PCB線路板的設計過程中，應該遵循一些高頻電路的設計基本原則，否則會使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定甚至不能正常工作。
⑤對于目前高密度的PCB設計，已經(jīng)感覺到貫通孔不太適應了，浪費了許多寶貴的布線通道。為解決這一矛盾，出現(xiàn)了盲孔和埋孔技術，它不僅實現(xiàn)了導通孔的作 用，而且還省出許多布線通道，使布線過程完成得更加方便、流暢，更加完善。在大多數(shù)教程中，也提倡在多層PCB線路板的設計中采用盲孔和埋孔技術。這樣做雖然可 以使布線工作變得容易，但是同時也增加了PCB設計的成本。因此是否選取此技術，要根據(jù)實際的電路復雜程度及經(jīng)濟能力來決定。筆者在設計四層板的過程中并 沒有采用此技術，如果覺得貫通孔數(shù)目太多，則可以在布線前在布線規(guī)則中限制打孔的上限值。
⑥在布線前，預先在布線規(guī)則中設置頂層采用水平布線，而底層則采用垂直布線的方式。這樣做可以使頂層和底層布線相互垂直，從而避免產(chǎn)生寄生耦合；同時在引腳間的連線拐彎處盡最避免使用直角或銳角，因為它們在高頻電路中會影響電氣性能。
⑦PCB設計采用交互式布線方式。首先對元器件J1、J2與U5之間的引腳連線手工進行預布線，在微處理器的輸入／輸出信號中，有相當一部分是相同類型 的，如數(shù)據(jù)線、地址線和信號線。對于這些相同類型的信號線應該成組、平行分布，并注意它們之間的長短差異不要太大，這樣既可以減小干擾，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定 性，又可以使布線變得簡單，印刷PCB線路板的外觀更加整齊美觀。然后對其余元器件采用自動布線(其問可以嘗試不同的布線策略)，當布線成功之后，對一些不理想 的布線可以進行修改、優(yōu)化。
⑧布線設計完成后，須認真檢查布線設計是否符合設計者所制定的規(guī)則，同時電需要確認所制定的規(guī)則是否符合印制板生產(chǎn)工藝的需求；然后對焊盤補淚滴，使焊盤 不容易起皮，走線與焊盤不易斷開；最后對印制線路板上進行大面積敷銅，這樣有利于散熱和屏蔽，減小干擾。由于印制線路板板材的基板與銅箔間的粘合劑在浸焊 或長時間受熱時，會產(chǎn)生揮發(fā)性氣體無法排除，熱量不易散發(fā)，以致產(chǎn)生銅箔膨脹、脫落現(xiàn)象，因此在大面積敷制時，應將其開窗口設計成網(wǎng)狀。
責任編輯：雅鑫達，PCBA一站式服務商！