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PCB LAYOUT工程师必须要知道 [复制链接]

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汉唐  
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2008-04-10
楼主    汉唐 发表于: 2008-04-10 19:59:34 
在电子系统设计中,为了少走弯路和节省时间,应充分考虑并满足抗干扰性 的要求,避免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施。形成干扰的基本要素有三个:
(1)干扰源,指产生干扰的元件、设备或信号,用数学语言描述如下:du/dt, di/dt大的地方就是干扰源。如:雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可 能成为干扰源。
(2)传播路径,指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传 播路径是通过导线的传导和空间的辐射。
(3)敏感器件,指容易被干扰的对象。如:A/D、D/A变换器,单片机,数字IC, 弱信号放大器等。
抗干扰设计的基本原则是:抑制干扰源,切断干扰传播路径,提高敏感器件的 抗干扰性能。(类似于传染病的预防)
1 抑制干扰源
抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt,di/dt。这是抗干扰设计中最优 先考虑和最重要的原则,常常会起到事半功倍的效果。 减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的 di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。
抑制干扰源的常用措施如下:
(1)继电器线圈增加续流二极管,消除断开线圈时产生的反电动势干扰。仅加 续流二极管会使继电器的断开时间滞后,增加稳压二极管后继电器在单位时间内可 动作更多的次数。
(2)在继电器接点两端并接火花抑制电路(一般是RC串联电路,电阻一般选几K 到几十K,电容选0.01uF),减小电火花影响。
(3)给电机加滤波电路,注意电容、电感引线要尽量短。
(4)电路板上每个IC要并接一个0.01μF~0.1μF高频电容,以减小IC对电源的 影响。注意高频电容的布线,连线应靠近电源端并尽量粗短,否则,等于增大了电 容的等效串联电阻,会影响滤波效果。
(5)布线时避免90度折线,减少高频噪声发射。
(6)可控硅两端并接RC抑制电路,减小可控硅产生的噪声(这个噪声严重时可能 会把可控硅击穿的)。
按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。
所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰。高频干扰噪声和 有用信号的频带不同,可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰 噪声的传播,有时也可加隔离光耦来解决。电源噪声的危害最大,要特别 注意处理。所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。一般 的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距离,用地线把它们隔离和在敏感 器件上加 蔽罩。
切断干扰传播路径的常用措施如下:
(1)充分考虑电源对单片机的影响。电源做得好,整个电路的抗干扰就 解决了一大半。许多单片机对电源噪声很敏感,要给单片机电源加滤波电路 或稳压器,以减小电源噪声对单片机的干扰。比如,可以利用磁珠和电容 组成π形滤波电路,当然条件要求不高时也可用100Ω电阻代替磁珠。
(2)如果单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件,在I/O口与噪声源之 间应加隔离(增加π形滤波电路)。 控制电机等噪声器件,在I/O口与噪声源之 间应加隔离(增加π形滤波电路)。
(3)注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近,用地线把时钟区隔离 起来,晶振外壳接地并固定。此措施可解决许多疑难问题。
(4)电路板合理分区,如强、弱信号,数字、模拟信号。尽可能把干扰源(如电机,继电器)与敏感元件(如单片机)远离。
(5)用地线把数字区与模拟区隔离,数字地与模拟地要分离,最后在一 点接于电源地。A/D、D/A芯片布线也以此为原则,厂家分配A/D、D/A芯片 引脚排列时已考虑此要求。
(6)单片机和大功率器件的地线要单独接地,以减小相互干扰。 大功率 器件尽可能放在电路板边缘。
(7)在单片机I/O口,电源线,电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件 如磁珠、磁环、电源滤波器,屏蔽罩,可显著提高电路的抗干扰性能。
3 提高敏感器件的抗干扰性能
提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声 的拾取,以及从不正常状态尽快恢复的方法。
提高敏感器件抗干扰性能的常用措施如下:
(1)布线时尽量减少回路环的面积,以降低感应噪声。
(2)布线时,电源线和地线要尽量粗。除减小压降外,更重要的是降低耦 合噪声。
(3)对于单片机闲置的I/O口,不要悬空,要接地或接电源。其它IC的闲置 端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。
(4)对单片机使用电源监控及看门狗电路,如:IMP809,IMP706,IMP813, X25043,X25045等,可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。
(5)在速度能满足要求的前提下,尽量降低单片机的晶振和选用低速数字 电路。
(6)IC器件尽量直接焊在电路板上,少用IC座。



PCB 设计的一般原则

印制电路板(PCB)是电子产品中电路元件和器件的支撑件.它提供电路元件和器件之
间的电气连接。随着电于技术的飞速发展,PCB的密度越来越高。PCB设计的好坏对抗干扰能力影响很大.因此,在进行PCB设计时.必须遵守PCB设计的一般原则,并应符合抗干扰设计的要求。要使电子电路获得最佳性能,元器件的布局及导线的布设是很重要的。为了设计质量好、造价低的PCB.应遵循以下一般原则:
1. 布局
  首先,要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时,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。在确定PCB尺寸后.再确定特殊元件的位置。最后,根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

5. 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,应放在印制板上方便于调节的地方;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。

6. 应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。
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2mm。电路板的最佳形状
为矩形。长宽比为3:2成4:3。电路板面尺寸大于200x150mm时.应考虑电路板所受的机械强度。

7.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,以免发生反馈藕合。

  ②印制摄导线的最小宽度主要由导线与绝缘基扳间的粘附强度和流过它们的电流值决
定。当铜箔厚度为 0.05mm、宽度为 1 ~ 1.5mm 时.通过 2A的电流,温度不会高于3℃,因此.导线宽度为1.5mm可满足要求。对于集成电路,尤其是数字电路,通常选0.02~0.3mm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,可使间距小至5~8mm。
 
  ④印刷线路板的布线要注意以下问题:专用零伏线,电源线的走线宽度≥1mm;电源线
和地线尽可能靠近,整块印刷板上的电源与地要 呈“井”字形分布,以便使分布线电流达
到均衡;要为模拟电路专门提供一根零伏线;为减少线间串扰,必要时可增加印刷线条间
距离,在意;安插一些零伏线作为线间隔离;印刷电路的插头也要多安排一些零伏线作为
线间隔离;特别注意电流流通中的导线环路尺寸;如有可能在控制线(于印刷板上)的入
口处加接R-C去耦,以便消除传输中可能出现的干扰因素;印刷弧上的线宽不要突变,导线不要突然拐角(≥90度)。
  ⑤焊盘
 焊盘要比器件引线直径大一些。但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。


PCB及电路抗干扰措施
  
  印制电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系,这里仅就PCB抗干扰设计的几项
常用措施做一些说明。
1.电源线设计
  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。
2. 地线设计
  地线设计的原则是:
 ①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,应使它们尽量分开
。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。
3. 退藕电容配置
  PCB设计的常规做法之一是在印制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:
 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0.01pF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 ~ 10pF的但电容。
 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、电容引线不能太长,尤其是高频旁路电容不能有引线。此外,还应注意以下两点:

 A、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
,必须采用附图所示的 RC 电路来吸收放电电流。一般 R 取 1 ~ 2K,C取2.2 ~ 47UF。

 B、CMOS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。

  ⑦ 使用逻辑电路有益建议: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;用R-S触发的作按钮与电子线路之间配合的缓冲
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