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【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】高速PCB設(shè)計(jì)指南PCB的可靠性設(shè)計(jì)目前電子器材用于各類電子設(shè)備和系統(tǒng)仍然以印制電路板為主要裝配方式。實(shí)踐證明,即使電路原理圖設(shè)計(jì)正確,印制電路板設(shè)計(jì)不當(dāng),也會(huì)對(duì)電子設(shè)備的可靠性產(chǎn)生不利影響。例如,如果印制板兩條細(xì)平行線靠得很近,則會(huì)形成信號(hào)波形的延遲,在傳輸線的終端形成反射噪聲。因此,在設(shè)計(jì)印制電路板的時(shí)候,應(yīng)注意采用正確的方法。

一、地線設(shè)計(jì)

在電子設(shè)備中,接地是控制干擾的重要方法。如能將接地和屏蔽正確結(jié)合起來使用,可解決大部分干擾問題。電子設(shè)備中地線構(gòu)造大致有系統(tǒng)地、機(jī)殼地(屏蔽地)、數(shù)字地(邏輯地)和模擬地等。在地線設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

1.正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地;

低頻電路中,信號(hào)的工作頻率小于1MHz,它的布線和器件間的電感影響較小,而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大,因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地。當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10MHz時(shí),地線阻抗變得很大,此時(shí)應(yīng)盡量降低地線阻抗,應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。當(dāng)工作頻率在1~10MHz時(shí),如果采用一點(diǎn)接地,其地線長(zhǎng)度不應(yīng)超過波長(zhǎng)的1/20,否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地法。

2.將數(shù)字電路與模擬電路分開;

電路板上既有高速邏輯電路,又有線性電路,應(yīng)使它們盡量分開,而兩者的地線不要相混,分別與電源端地線相連。要盡量加大線性電路的接地面積。

3.盡量加粗接地線;

若接地線很細(xì),接地電位則隨電流的變化而變化,致使電子設(shè)備的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn),抗噪聲性能變壞。因此應(yīng)將接地線盡量加粗,使它能通過三位于印制電路板的允許電流。如有可能,接地線的寬度應(yīng)大于3mm。

4.將接地線構(gòu)成閉環(huán)路;

設(shè)計(jì)只由數(shù)字電路組成的印制電路板的地線系統(tǒng)時(shí),將接地線做成閉環(huán)路可以明顯的提高抗噪聲能力。其原因在于:印制電路板上有很多集成電路元件,尤其遇有耗電多的元件時(shí),因受接地線粗細(xì)的限制,會(huì)在地結(jié)上產(chǎn)生較大的電位差,引起抗噪聲能力下降,若將接地構(gòu)造成環(huán)路,則會(huì)縮小電位差值,提高電子設(shè)備的抗噪聲能力。

二、電磁兼容性設(shè)計(jì)

電磁兼容性是指電子設(shè)備在各種電磁環(huán)境中仍能夠協(xié)調(diào)、有效地開展工作的能力。電磁兼容性設(shè)計(jì)的目的是使電子設(shè)備既能抑制各種外來的干擾,使電子設(shè)備在特定的電磁環(huán)境中能夠正常工作,同時(shí)又能減少電子設(shè)備本身對(duì)其它電子設(shè)備的電磁干擾。

1.選擇合理的導(dǎo)線寬度由于瞬變電流在印制線條上所產(chǎn)生的沖擊干擾主要是由印制導(dǎo)線的電感成分造成的,因此應(yīng)盡量減小印制導(dǎo)線的電感量。印制導(dǎo)線的電感量與其長(zhǎng)度成正比,與其寬度成反比,因而短而精的導(dǎo)線對(duì)抑制干擾是有利的。時(shí)鐘引線、行驅(qū)動(dòng)器或總線驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)線常常載有大的瞬變電流,印制導(dǎo)線要盡可能地短。對(duì)于分立元件電路,印制導(dǎo)線寬度在1.5mm左右時(shí),即可完全滿足要求;對(duì)于集成電路,印制導(dǎo)線寬度可在0.2~1.0mm之間選擇。

2.采用正確的布線策略采用平等走線可以減少導(dǎo)線電感,但導(dǎo)線之間的互感和分布電容增加,如果布局允許,采用井字形網(wǎng)狀布線構(gòu)造,具體做法是印制板的一面橫向布線,另一面縱向布線,然后在交叉孔處用金屬化孔相連。為了抑制印制板導(dǎo)線之間的串?dāng)_,在設(shè)計(jì)布線時(shí)應(yīng)盡量防止長(zhǎng)距離的平等走線,盡可能拉開線與線之間的距離,信號(hào)線與地線及電源線盡可能不交叉。在一些對(duì)干擾十分敏感的信號(hào)線之間設(shè)置一根接地的印制線,可以有效地抑制串?dāng)_。

為了防止高頻信號(hào)通過印制導(dǎo)線時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射,在印制電路板布線時(shí),還應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

●盡量減少印制導(dǎo)線的不連續(xù)性,例如導(dǎo)線寬度不要突變,導(dǎo)線的拐角應(yīng)大于90度禁止環(huán)狀走線等。

●時(shí)鐘信號(hào)引線容易產(chǎn)生電磁輻射干擾,走線時(shí)應(yīng)與地線回路相靠近,驅(qū)動(dòng)器應(yīng)緊挨著連接器。

●總線驅(qū)動(dòng)器應(yīng)緊挨其欲驅(qū)動(dòng)的總線。對(duì)于那些離開印制電路板的引線,驅(qū)動(dòng)器應(yīng)緊緊挨著連接器。

●數(shù)據(jù)總線的布線應(yīng)每?jī)筛盘?hào)線之間夾一根信號(hào)地線。是緊緊挨著不重要的地址引線放置地回路,因?yàn)楹笳叱]d有高頻電流。

●在印制板布置高速、中速和低速邏輯電路時(shí),應(yīng)按照?qǐng)D1的方式排列器件。

3.抑制反射干擾為了抑制出現(xiàn)在印制線條終端的反射干擾,除了特殊需要之外,應(yīng)盡可能縮短印制線的長(zhǎng)度和采用慢速電路。必要時(shí)可加終端匹配,即在傳輸線的末端對(duì)地和電源端各加接一個(gè)相同阻值的匹配電阻。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),對(duì)一般速度較快的TTL電路,其印制線條長(zhǎng)于10cm以上時(shí)就應(yīng)采用終端匹配措施。匹配電阻的阻值應(yīng)根據(jù)集成電路的輸出驅(qū)動(dòng)電流及吸收電流的值來決定。

三、去耦電容配置

在直流電源回路中,負(fù)載的變化會(huì)引起電源噪聲。例如在數(shù)字電路中,當(dāng)電路從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)時(shí),就會(huì)在電源線上產(chǎn)生一個(gè)很大的尖峰電流,形成瞬變的噪聲電壓。配置去耦電容可以抑制因負(fù)載變化而產(chǎn)生的噪聲,是印制電路板的可靠性設(shè)計(jì)的一種常規(guī)做法,配置原則如下:

●電源輸入端跨接一個(gè)10~100uF的電解電容器,如果印制電路板的位置允許,采用100uF以上的電解電容器的抗干擾效果會(huì)更好。

●為每個(gè)集成電路芯片配置一個(gè)0.01uF的陶瓷電容器。如遇到印制電路板空間小而裝不下時(shí),可每4~10個(gè)芯片配置一個(gè)1~10uF鉭電解電容器,這種器件的高頻阻抗特別小,在500kHz~20MHz范圍內(nèi)阻抗小于1Ω,而且漏電流很小(0.5uA以下)。

●對(duì)于噪聲能力弱、關(guān)斷時(shí)電流變化大的器件和ROM、RAM等存儲(chǔ)型器件,應(yīng)在芯片的電源線(Vcc)和地線(GND)間直接接入去耦電容。

●去耦電容的引線不能過長(zhǎng),特別是高頻旁路電容不能帶引線。

四、印制電路板的尺寸與器件的布置

印制電路板大小要適中,過大時(shí)印制線條長(zhǎng),阻抗增加,不僅抗噪聲能力下降,成本也高;過小,則散熱不好,同時(shí)易受臨近線條干擾。

在器件布置方面與其它邏輯電路一樣,應(yīng)把相互有關(guān)的器件盡量放得靠近些,這樣可以獲得較好的抗噪聲效果。如圖2所示。時(shí)種發(fā)生器、晶振和CPU的時(shí)鐘輸入端都易產(chǎn)生噪聲,要相互靠近些。易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應(yīng)盡量遠(yuǎn)離邏輯電路,如有可能,應(yīng)另做電路板,這一點(diǎn)十分重要

五、熱設(shè)計(jì)

從有利于散熱的角度出發(fā),印制版是直立安裝,板與板之間的距離一般不應(yīng)小于2cm,而且器件在印制版上的排列方式應(yīng)遵循一定的規(guī)則:

對(duì)于采用自由對(duì)流空氣冷卻的設(shè)備,是將集成電路(或其它器件)按縱長(zhǎng)方式排列,如圖3示;對(duì)于采用強(qiáng)制空氣冷卻的設(shè)備,是將集成電路(或其它器件)按橫長(zhǎng)方式排列,如圖4所示。

同一塊印制板上的器件應(yīng)盡可能按其發(fā)熱量大小及散熱程度分區(qū)排列,發(fā)熱量小或耐熱性差的器件(如小信號(hào)晶體管、小規(guī)模集成電路、電解電容等)放在冷卻氣流的上流(入口處),發(fā)熱量大或耐熱性好的器件(如功率晶體管、大規(guī)模集成電路等)放在冷卻氣流下游。

在水平方向上,大功率器件盡量靠近印制板邊沿布置,以便縮短傳熱路徑;在垂直方向上,大功率器件盡量靠近印制板上方布置,以便減少這些器件工作時(shí)對(duì)其它器件溫度的影響。

對(duì)溫度比較敏感的器件安置在溫度的區(qū)域(如設(shè)備的底部),千萬不要將它放在發(fā)熱器件的正上方,多個(gè)器件是在水平面上交錯(cuò)布局。

設(shè)備內(nèi)印制板的散熱主要依靠空氣流動(dòng),所以在設(shè)計(jì)時(shí)要研究空氣流動(dòng)路徑,合理配置器件或印制電路板??諝饬鲃?dòng)時(shí)總是趨向于阻力小的地方流動(dòng),所以在印制電路板上配置器件時(shí),要防止在某個(gè)區(qū)域留有較大的空域。整機(jī)中多塊印制電路板的配置也應(yīng)注意同樣的問題。

大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)說明,采用合理的器件排列方式,可以有效地降低印制電路的溫升,從而使器件及設(shè)備的故障率明顯下降。

以上所述只是印制電路板可靠性設(shè)計(jì)的一些通用原則,印制電路板可靠性與具體電路有著密切的關(guān)系,在設(shè)計(jì)中不還需根據(jù)具體電路開展相應(yīng)處理,才能地保證印制電路板的可靠性。

六、產(chǎn)品干擾的抑制方案

1接地

1.1設(shè)備的信號(hào)接地

目的:為設(shè)備中的任何信號(hào)提供一個(gè)公共的參考電位。

方式:設(shè)備的信號(hào)接地系統(tǒng)可以是一塊金屬板。

1.2基本的信號(hào)接地方式

有三種基本的信號(hào)接地方式:浮地、單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地。

1.2.1浮地目的:使電路或設(shè)備與公共地線可能引起環(huán)流的公共導(dǎo)線隔離起來,浮地還使不同電位的電路之間配合變得容易。缺點(diǎn):容易出現(xiàn)靜電積累引起強(qiáng)烈的靜電放電。折衷方案:接入泄放電阻。

1.2.2單點(diǎn)接地方式:線路中只有一個(gè)物理點(diǎn)被定義為接地參考點(diǎn),凡需要接地均接于此。缺點(diǎn):不適宜用于高頻場(chǎng)合。

1.2.3多點(diǎn)接地方式:凡需要接地的點(diǎn)都直接連到距它近的接地平面上,以便使接地線長(zhǎng)度為短。缺點(diǎn):維護(hù)較麻煩。

1.2.4混合接地按需要選用單點(diǎn)及多點(diǎn)接地。

1.3信號(hào)接地線的處理(搭接)

搭接是在兩個(gè)金屬點(diǎn)之間建立低阻抗的通路。

分直接搭接、間接搭接方式。

無論哪一種搭接方式,重要的是強(qiáng)調(diào)搭接良好。

1.4設(shè)備的接地(接大地)

設(shè)備與大地連在一起,以大地為參考點(diǎn),目的:

1)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的安全接地

2)泄放機(jī)箱上所積累的電荷,防止設(shè)備內(nèi)部放電。

3)接高設(shè)備工作的穩(wěn)定性,防止設(shè)備對(duì)大地的電位在外界電磁環(huán)境作用下發(fā)生的變化。

1.5拉大地的方法和接地電阻接地棒。

1.6電氣設(shè)備的接地

2屏蔽

2.1電場(chǎng)屏蔽

2.1.1電場(chǎng)屏蔽的機(jī)理分布電容間的耦合處理方法:

1)增大A、B距離。

2)B盡量貼近接地板。

3)A、B間插入金屬屏蔽板。

2.1.2電場(chǎng)屏蔽設(shè)計(jì)重點(diǎn):

1)屏蔽板程控受保護(hù)物;屏蔽板接地必須良好。

2)注意屏蔽板的形狀。

3)屏蔽板以良好導(dǎo)體為好,厚度無要求,強(qiáng)度要足夠。

2.2磁場(chǎng)屏蔽

2.2.1磁場(chǎng)屏蔽的機(jī)理

高導(dǎo)磁材料的低磁阻起磁分路作用,使屏蔽體內(nèi)的磁場(chǎng)大大降低。

2.2.2磁場(chǎng)屏蔽設(shè)計(jì)重點(diǎn)

1)選用高導(dǎo)磁率材料。

2)增加屏蔽體的壁厚。

3)被屏蔽物不要緊靠屏蔽體。

4)注意構(gòu)造設(shè)計(jì)。

5)對(duì)強(qiáng)用雙層磁屏蔽體。

2.3電磁場(chǎng)屏蔽的機(jī)理

1)表面的反射。

2)屏蔽體內(nèi)部的吸收。

2.3.2材料對(duì)電磁屏蔽的效果

2.4實(shí)際的電磁屏蔽體

七、產(chǎn)品內(nèi)部的電磁兼容性設(shè)計(jì)

1印刷電路板設(shè)計(jì)中的電磁兼容性

1.1印刷線路板中的公共阻抗耦合問題數(shù)字地與模擬地分開,地線加寬。

1.2印刷線路板的布局

※對(duì)高速、中速和低速混用時(shí),注意不同的布局區(qū)域。

※對(duì)低模擬電路和數(shù)字邏輯要分離。

1.3印刷線路板的布線(單面或雙面板)

※專用零伏線,電源線的走線寬度≥1mm。

※電源線和地線盡可能靠近,整塊印刷板上的電源與地要呈“井”字形分布,以便使分布線電流到達(dá)均衡。

※要為模擬電路專門提供一根零伏線。

※為減少線間串?dāng)_,必要時(shí)可增加印刷線條間距離,在意安插一些零伏線作為線間隔離。

※印刷電路的插頭也要多安排一些零伏線作為線間隔離。

※特別注意電流流通中的導(dǎo)線環(huán)路尺寸。

※如有可能在控制線(于印刷板上)的入口處加接R-C去耦,以便消除傳輸中可能出現(xiàn)的干擾因素。

※印刷弧上的線寬不要突變,導(dǎo)線不要突然拐角(≥90度)。

1.4對(duì)在印刷線路板上使用邏輯電路有益建議

※凡能不用高速邏輯電路的就不用。

※在電源與地之間加去耦電容。

※注意長(zhǎng)線傳輸中的波形畸變。

※用R-S觸發(fā)的作按鈕與電子線路之間配合的緩沖。

1.4.1邏輯電路工作時(shí),所引入的電源線干擾及抑制方法

1.4.2邏輯電路輸出波形傳輸中的畸變問題

1.4.3按鈕操作與電子線路工作的配合問題

1.5印刷線路板的互連主要是線間串?dāng)_,影響因素:

※直角走線

※屏蔽線

※阻抗匹配

※長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)

2開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的電磁兼容性

2.1開關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)傳導(dǎo)的騷擾與抑制

騷擾:

①非線性流。

②初級(jí)電路中功率晶體管外殼與散熱器之間的容光煥發(fā)性耦合在電源輸入端產(chǎn)生的傳導(dǎo)共模噪聲。

抑制方法:

①對(duì)開關(guān)電壓波形開展“修整”。

②在晶體管與散熱器之間加裝帶屏蔽層的絕緣墊片。

③在市電輸入電路中加接電源濾波器。

2.2開關(guān)電源的輻射騷擾與抑制

注意輻射騷擾與抑制

抑制方法:

①盡可能地減小環(huán)路面積。

②印刷線路板上正負(fù)載流導(dǎo)體的布局。

③在次線整流回路中使用軟恢復(fù)二極管或在二極管上并聯(lián)聚酯薄膜電容器。

④對(duì)晶體管開關(guān)波形開展“修整”。

2.3輸出噪聲的減小

原因是二極管反向電流陡變及回路分布電感。二極管結(jié)電容等形成高頻衰減振蕩,而濾波電容的等效串聯(lián)電感又削弱了濾波的作用,因此在輸出改波中出現(xiàn)尖峰干擾解決方法是加小電感和高頻電容。

3設(shè)備內(nèi)部的布線

3.1線間電磁耦合現(xiàn)象及抑制方法

對(duì)磁場(chǎng)耦合:

①減小干擾和敏感電路的環(huán)路面積方法是使用雙絞線和屏蔽線。

②增大線間距離(使互感減小)。

③盡可有使干擾源線路與受感應(yīng)線路呈直角布線。

對(duì)電容耦合:

①增大線間距離。

②屏蔽層接地。

③降低敏感線路的輸入阻抗。

④如有可能在敏感電路采用平衡線路作輸入,利用平衡線路固有的共模抑制能力克服干擾源對(duì)敏感線路的干擾。

3.2一般的布線方法:

按功率分類,不同分類的導(dǎo)線應(yīng)分別捆扎,分開敷設(shè)的線束間距離應(yīng)為50~75mm。

4屏蔽電纜的接地

4.1常用的電纜

※雙絞線在低于100KHz下使用非常有效,高頻下因特性阻抗不均勻及由此造成的波形反射而受到限制。

※帶屏蔽的雙絞線,信號(hào)電流

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