PCB設(shè)計(jì)24.doc

1.5 過孔和焊盤放置許多設(shè)計(jì)人員喜歡在多層PCB卜放置很多過孔(VIAS)。但是，必須避免在高頻電流返同路徑上放置過多過。否則，地層上高頻電流走線會遭到破壞。如果必須在高頻電流路徑上放置一些過孔的活，過孔之間可以留出一空間讓高頻電流順利通過，圖12顯示了過孔放置方式。圖12 過孔放置方式電源排版基本要點(diǎn)5 過孔放置不應(yīng)破壞高頻電流在地層上的流經(jīng)。設(shè)計(jì)者同時應(yīng)注意不同焊盤的形狀會產(chǎn)生不同的串聯(lián)電感。圖13顯示了兒種焊盤形狀的串聯(lián)電感值。圖13 焊盤寄生串聯(lián)電感旁路電容(Decouple)的放置也要考慮到它的串聯(lián)電感值。旁路電容必須是低阻抗和低ESL乩的瓷片電容。但如果一個高品質(zhì)瓷片電容在PCB上放置的方式不對，它的高頻濾波功能也就消失了。圖14顯示了旁路電容正確和錯誤的放置方式。圖14 旁路電容正確與錯誤的放置方式16 電源直流輸出許多開關(guān)電源的負(fù)載遠(yuǎn)離電源的輸出端口。為了避免輸出走線受電源自身或周邊電子器件所產(chǎn)生的電磁下擾，輸出電源走線必須像圖l5(b)那樣靠得很近，使輸出電流環(huán)路的面積盡可能減小。圖15 電源輸出直流電流環(huán)路l.7 地層在系統(tǒng)板上的分隔新一代電子產(chǎn)品系統(tǒng)板上會同時有模擬電路、數(shù)字電路、開關(guān)電源電路。為了減小開關(guān)電源噪音對敏感的模擬和數(shù)字電路的影響，通常需要分隔不同電路的接地層。如果選用多層PCB，不同電路的接地層可由不同PCB板層來分隔。如果整個產(chǎn)品只有一層接地層，則必須像圖16中那樣在單層中分隔。無論是在多層PCB上進(jìn)行地層分隔還是在單層PCB 上進(jìn)行地層分隔，不同電路的地層都應(yīng)該通過單點(diǎn)與開關(guān)電源的接地層相連接。電源排版基本要點(diǎn)6 系統(tǒng)板上不同電路需要不同接地層，不同電路的接地層通過單點(diǎn)與電源接地層相連接。圖16 電路接地層民電源接地層的單點(diǎn)連接2、開關(guān)電源PCB排版例子設(shè)汁人員應(yīng)能在此線路圖上區(qū)分出功率電路中元器件和控制信號電路中元器件。如果設(shè)計(jì)者將該電源中所有的元器件當(dāng)作數(shù)字電路中的元器件來處理，則問題會相當(dāng)嚴(yán)重。通常首先需要知道電源高頻電流的路徑，并區(qū)分小信號控制電路和功率電路元器件及其走線。一般來講，電源的功率電路主要包括輸入濾波電容、輸出濾波電容、濾波電感、上下端功率場效應(yīng)管。控制電路主要包括PWM控制芯片、旁路電容、自舉電路、反饋分壓電阻、反饋補(bǔ)償電路。2.l 電源功率電路PCB排版電源功率器件在PCB上正確的放置和走線將決定整個電源工作是否正常。設(shè)計(jì)人員首先要對開關(guān)電源功率器件上的電壓和電流的波形有一一定的了解。圖17 一個典型的降壓式開關(guān)電源圖18顯示一個降壓式開關(guān)電源功率電路元器件上的電流和電壓波形。由于從輸入濾波電容(Cin)，上端場效應(yīng)管(S1)和F端場效應(yīng)管(S2)中所流過的電流是帶有高頻率和高峰值的交流電流，所以由Cin-S1-S2所形成的環(huán)路面積要盡量減小。同時由S2，L和輸出濾波電容(Cout)所組成的環(huán)路面積也要盡量減小。圖18 開關(guān)電源功率電路上的電流和電壓圖19 不正確的開關(guān)電源功率器件放置和走線如果設(shè)汁者未按本文所述的要點(diǎn)來制作功率電路PCB，很可能制作出網(wǎng)19所示的電源PCB，圖19的PCB排版存在許多錯誤：第一，由于Cin有很大的ESL，Cin的高頻濾波能力基本上消失；第二，Cin-S1-S2和S1-LCout環(huán)路的面積太大，所產(chǎn)生的電磁噪音會對電源本身和周邊電路造成很大于擾；第三，L的焊盤靠得太近，造成Cp太大而降低了它的高頻濾波功能；第四，Cout焊盤引線太長，造成FSL太大而失去了高頻濾波線。 Cin-S1-S2和S2-L-Cout環(huán)路的面積已控制到最小。S1的源極，S2的漏極和L之問的連接點(diǎn)是一整塊銅片焊盤。由于該連接點(diǎn)上的電壓是高頻，S1、S2和L需要靠得非常近。雖然L和Cout之間的走線上沒有高峰值的高頻電流，但比較寬的走線可以降低直流阻抗的損耗使電源的效率得到提高。如果成本上允許，電源可用一面完全是接地層的雙面PCB，但必須注意在地層卜盡量避免走功率和信號線。在電源的輸入和輸出端口還各增加了一個瓷片電容器來改善電源的高頻濾波性能。2.2 電源控制電路PCB排版電源控制電路PCB排版也是非常重要的。不合理的排版會造成電源輸出電壓的漂移和振蕩?？刂凭€路應(yīng)放置在功率電路的邊上，絕對不能放在高頻交流環(huán)路的中間。旁路電容要盡量靠近芯片的Vcc和接地腳(GND)。反饋分壓電阻最好也放置在芯片附近。芯片驅(qū)動至場效應(yīng)管的環(huán)路也要盡量減短。電源排版基本要點(diǎn)7 控制芯片至上端和下端場效應(yīng)管的驅(qū)動電路環(huán)路要盡量短。圖20 正確的開關(guān)電源功率器件放置和走線2.3開關(guān)電源PCB排版例1圖21是圖17 PCB的元器件面走線圖。此電源中采用了一個低價PWM控制器(Semtech型號SCIIO4A)。PCB下層是一個完整的接地層。此PCB功率地層與控制地層之間沒有分隔?？梢钥吹皆撾娫吹墓β孰娐酚奢斎氩遄?PCB左上端)通過輸入濾波電容器(C1，C2，)，S1，S2，L1，輸出濾波電容器(C10,C11,C12,C13)，一直到輸出插座(PCB右下端)。SCll04A被放置在PCB的左下端。因?yàn)?，在地層上功率電路電流不通過控制電路，所以，無必要將控制電路接地層與功率電路接地層進(jìn)行分隔。如果輸入插座是放置在PCB的左下端，那么在地層上功率電路電流會直接通過控制電路，這時就有必要將二者分隔。圖21 降壓式開關(guān)電源PCB上層圖（下層是接地層）24開關(guān)電源PCB排版例2圖22是另一種降壓式開關(guān)電源，該電源能使12V輸入電壓轉(zhuǎn)換成33V輸出電壓，輸出電流可達(dá)3A。此電源上使用了一個集成電源控制器(Semtech型號SC4519)。這種控制器將一個功率管集成在電源控制器芯片中。這樣的電源非常簡單，尤其適合應(yīng)用在便攜式DVD機(jī)，ADSL，機(jī)頂盒等消費(fèi)類電子產(chǎn)品。同前面例子一樣，對于這種簡單開關(guān)電源，在PCB排版時也應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。 1)由輸入濾波電容(C3)，SC4519的接地腳(GND)，和D2所圍成的環(huán)路面積一定要小。這意味著C3及D2必須非?？拷黃C4519。2)可采用分隔的功率電路接地層和控制電路接地層。連接到功率地層的元器件包括輸入插座(VIN)，輸出插座(VOUT)，輸入濾波電容(C3)，輸出濾波電容(C2)，D2，SC4519。連接到控制地層的元器件包括輸出分壓電阻(R1，R2)，反饋補(bǔ)償電路(R3，C4，C3，)，使能插座(EN)，同步插座(SYNC)。圖22 降壓式開關(guān)電源3)在SC4519接地腳的附近加 個過孔將功率電路接地層與控制信號電路接地層單點(diǎn)式的相連接。圖23是該電源PCB上層排版圖。為了力便讀者理解，功率接地層和控制信號接地層分別用不同顏色來表示。在這里輸入插座被放置在PCB的上方，而輸出插座被放置在PCB的下方濾波電感(L1)被放在PCB左邊并靠近功率接地層，而對于噪音較敏感的反饋補(bǔ)償電路(R3，C4，C5)則被放存PCB右邊并靠近控制信號接地層。D2非?？拷黃C4519的腳3及腳4。圖24是該電源PCB下層排版圖。輸入濾波電容(C3)被放置在PCB下層并非?？拷黃C4519和功率接地層。2.5開關(guān)電源PCB排版例3最后討論一種多路輸出開關(guān)電源PCB排版要點(diǎn)。此電源有3組輸入電壓(12V，5V和3.3V)，4組輸出電壓(3.3v，2.6V，1.8V，1.2V)。該電源使用了，一集成多路開關(guān)控制器(Serotech型號SC2453)。SC2453提供了4.5V30V的寬輸入電壓范圍，兩個高達(dá)700kHz開關(guān)頻率和高達(dá)15A輸出電流，以及低至0.5V輸出電壓的同步降壓轉(zhuǎn)換器。它還提供了一個專用可調(diào)配正壓線性調(diào)節(jié)器和一個專用可調(diào)配負(fù)壓線性調(diào)節(jié)器。TSSOP-28封裝減小了所需線路板面積。兩個異相降壓轉(zhuǎn)換器可以減小輸入電流紋波。圖25是這種多路開關(guān)電源的原理圖。其中3.3V輸出由5V輸人產(chǎn)生，l.2V輸出由12V輸入產(chǎn)生，2.6V和1.8V輸出由3.3V輸入產(chǎn)生。由于該電源上所有元器件都必須被放置在一個面積較小的PCB上，為此必須將電源的功率地層和控制信號地層分隔開來。參照前面幾節(jié)中討論過的要點(diǎn)，首先將圖25中連接到功率地層的元器件和連接到控制信號地層的元器件區(qū)分開來，然后將控制信號元器件放在信號地層上并靠近SC2453控制信號地層與功率地層通過單點(diǎn)相連接。這連接點(diǎn)通常會選擇在控制芯片的接地腳(SC2453中的腳21)。圖26詳細(xì)描述了該電源排版方式。電源排版基本要點(diǎn)8 開關(guān)電源功率電路和控制信號電路下的元器件需要連接不同的接地層，這二個地層一般都是通過單點(diǎn)相連接。3 、結(jié)語開關(guān)電源PCB排版的8個要點(diǎn)：1)旁路瓷片電容器的電容不能太大，而它的寄生串聯(lián)電感應(yīng)盡量小，多個電容并聯(lián)能改善電容的阻抗特性；2)電感的寄生并聯(lián)電容應(yīng)盡量小，電感引腳焊盤之間的距離越遠(yuǎn)越好；3)避免在地層上放置任何功率或信號走線；4)高頻環(huán)路的面積應(yīng)盡可能減小；5)過孔放置不應(yīng)破壞高頻電流在地層上的路徑；6)系統(tǒng)板上一小同電路需要不同接地層，小同電路的接地層通過單點(diǎn)與電源接地層相連接；7)控制芯片至上端和下端場效應(yīng)管的驅(qū)動電路環(huán)路要盡量短；8)開關(guān)電源功率電路和控制信號電路元器件需要連接到小同的接地層，這二個地層一般都是通過單點(diǎn)相連接。Altium Designer集成庫簡介及創(chuàng)建一集成庫概述Altium Designer采用了集成庫的概念。在集成庫中的元件不僅具有原理圖中代表元件的符號，還集成了相應(yīng)的功能模塊。如Foot Print 封裝，電路仿真模塊，信號完整性分析模塊等。（關(guān)系圖如圖1）集成庫具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：集成庫便于移植和共享，元件和模塊之間的連接具有安全性。集成庫在編譯過程中會檢測錯誤，如引腳封裝對應(yīng)等。二集成庫的創(chuàng)建集成庫的創(chuàng)建主要有以下幾個步驟1）創(chuàng)建集成庫包2）增加原理圖符號元件3）為元件符號建立模塊聯(lián)接4）編譯集成庫舉例：1執(zhí)行 File New Project Integrated Library, 創(chuàng)建一個包裝庫項(xiàng)目，然后重命名并保存到目錄， 如c:librarylibrary, 生成library.libpkg 集成庫包。2在project 標(biāo)簽右鍵點(diǎn)擊project 名，在彈出的菜單中選擇增加原理圖庫。（圖2）并命名保存。3在shclib 編輯界面，選擇Place 菜單下工具繪制一個元件符號，如圖3，添加一個NPN晶體管。4 在sch library 標(biāo)簽下選擇默認(rèn)元件名component_1,雙擊進(jìn)入元件屬性對話框。在 “defaultdesignator” 處輸入默認(rèn)符號名；（如Q？）在 “comment” 處輸入對元件的描述；（ 如NPN Transistor ） 在 “physical component” 處輸入元件的名稱；（NPN）如圖4。點(diǎn)擊OK 就生成了一個名為NPN 的元件。5在為符號元件建立模塊聯(lián)接之前，先建立查找路徑。選擇Projectproject Option，進(jìn)入project屬性對話框，在Search Paths頁添加模塊路徑。Footprint庫在Altium Designer 6 libraryPCB路徑下。為了防止查找范圍過大，一般“include sub-folders in search” 不選中。然后點(diǎn)擊 “refresh list” 按鈕。如圖5。建立Footprint模塊聯(lián)接點(diǎn)擊shclib界面下左下角Add Footprint,進(jìn)入增加元件封裝界面，運(yùn)用Browse按鈕選擇Cylinder with flat index.pcblib 下的BCY-W3 封裝。也可以使用Find 按鈕來查找所需要的封裝。點(diǎn)擊OK，這樣封裝模塊就加載好了。如圖1。建立simulation模塊聯(lián)接Altium Designer的spice模型文件格式是*.ckt 或 *.mdl，可以直接從元件供應(yīng)商的網(wǎng)站下載相應(yīng)的模型。本例的模型文件在 Altium Designer 6examples utorialscreating components目錄下，把該目錄加載到 “search paths” 中。類似增加元件封裝，選擇 “Add simulation”, 彈出加載對話框，在 “model kind” 選項(xiàng)中選擇 “transistor”, 在 “model name”中輸入NPN，（對應(yīng)與NPN.mdl 文件）在 “description”中加入描述。點(diǎn)擊OK 這樣simulation 模塊就加好了。圖2。如沒有spice模型，可以選擇 “create” 按鈕手工添加一個模型。建立signal integrity模塊聯(lián)接選擇 “Add signal integrity” 打開對話框，在“type”處選擇“BJT”類型，其他可以選擇默認(rèn)值，也可以運(yùn)用 “import IBIS”按鈕導(dǎo)入文件模型。點(diǎn)擊OK。 同上可以增加3D模型，3D模型文件格式是*.VRML,*.IGES.6 編譯集成庫，在project標(biāo)簽中，右擊library.libpkg，在彈出的菜單中選擇compile integratedlibrary lib. 編譯完成后，在c:libraryproject output forlibrary目錄下生成 lib集成庫。三集成庫的使用點(diǎn)擊窗口左邊 library 標(biāo)簽，打開庫對話框，點(diǎn)擊library進(jìn)入庫配制界面，install按鈕可以增加集成庫，remove 按鈕可以移走不許要的庫。這樣就可以使用庫中元件了。四集成庫的編輯直接對集成庫的編輯是不允許的，所以先的把集成庫分拆成集成庫包。選擇Fileopen選擇一個集成庫，如Altium Designer 6librarymiscellaneous lib,在彈出的對話框中選擇 Extract sources, （圖9）這樣生成了miscellaneous device.libpkg，就會進(jìn)入元件編輯界面，可以對元件以及對元件的各種模塊聯(lián)接進(jìn)行編輯了。五創(chuàng)建元件Footprint 庫在altium designer 中，封裝庫是以*.pcblib 格式存在，它可以嵌入到一個集成庫中，也可以在pcb 編輯界面中直接調(diào)用其中的元件。Altium designer 中封裝庫在altium designer6librarypcb 目錄中。舉例：1 在project 標(biāo)簽中，右鍵點(diǎn)擊library.libpkg，選擇add new to projectpcb library,增加一個pcb 庫并命名保存為pcblib1.pcblib。如圖10。2 雙擊pcblib1.pcblib 文件打開pcb 元件庫界面。就可以運(yùn)用placepad, placearc,placeline 等命令來繪制元件了。3 雙擊焊盤，打開焊盤屬性對話框，可以對焊盤進(jìn)行配制。如圖11，在 “property”選項(xiàng)中可以設(shè)定焊盤類型，Top layer 對應(yīng)SMD 焊盤，multi layer 對應(yīng)穿孔。 “Hole information” 可以設(shè)定孔的形狀，如方孔，槽形孔等。雙擊line，可以對線條進(jìn)行配制，如果線條表示元件的外形，則設(shè)定在top overlay層。圖解系列之鋪銅的技巧一銅的連接方式：要想使鋪好銅的PCB板中的過孔聯(lián)接不呈十字交叉狀，而是直接聯(lián)接，您可以做如下操作：1.點(diǎn)擊菜單Design，在下拉菜單點(diǎn)擊Rules，找到PlanePolygon connect style，右鍵點(diǎn)擊選擇New rule。出現(xiàn)如圖1所示。圖1 點(diǎn)擊菜單Design，在下拉菜單點(diǎn)擊Rules，找到PlanePolygon conne