用PROTEL DXP電路板設(shè)計(jì)的一般原則

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--用PROTEL DXP電路板設(shè)計(jì)的一般原則
      
    電路板設(shè)計(jì)的一般原則包括：電路板的選用、電路板尺寸、元件布局、布線、焊盤、填充、跨接線等。

    電路板一般用敷銅層壓板制成，板層選用時(shí)要從電氣性能、可靠性、加工工藝要求和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等方面考慮。常用的敷銅層壓板是敷銅酚醛紙質(zhì)層壓板、敷銅環(huán)氧紙質(zhì)層壓板、敷銅環(huán)氧玻璃布層壓板、敷銅環(huán)氧酚醛玻璃布層壓板、敷銅聚四氟乙烯玻璃布層壓板和多層印刷電路板用環(huán)氧玻璃布等。不同材料的層壓板有不同的特點(diǎn)。 環(huán)氧樹脂與銅箔有極好的粘合力，因此銅箔的附著強(qiáng)度和工作溫度較高，可以在 260℃的熔錫中不起泡。環(huán)氧樹脂浸過的玻璃布層壓板受潮氣的影響較小。 超高頻電路板最好是敷銅聚四氟乙烯玻璃布層壓板。

   在要求阻燃的電子設(shè)備上，還需要阻燃的電路板，這些電路板都是浸入了阻燃樹脂的層壓板。 電路板的厚度應(yīng)該根據(jù)電路板的功能、所裝元件的重量、電路板插座的規(guī)格、電路板的外形尺寸和承受的機(jī)械負(fù)荷等來(lái)決定。

    主要是應(yīng)該保證足夠的剛度和強(qiáng)度。

    常見的電路板的厚度有 0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm

    從成本、銅膜線長(zhǎng)度、抗噪聲能力考慮，電路板尺寸越小越好，但是板尺寸太小，則散熱不良，且相鄰的導(dǎo)線容易引起干擾。 電路板的制作費(fèi)用是和電路板的面積相關(guān)的，面積越大，造價(jià)越高。 在設(shè)計(jì)具有機(jī)殼的電路板時(shí)，電路板的尺寸還受機(jī)箱外殼大小的限制，一定要在確定電路板尺寸前確定機(jī)殼大小，否則就無(wú)法確定電路板的尺寸。 一般情況下，在禁止布線層中指定的布線范圍就是電路板尺寸的大小。電路板的最佳形狀是矩形，長(zhǎng)寬比為 3:2 或 4:3，當(dāng)電路板的尺寸大于 200mm×150mm 時(shí)，應(yīng)該考慮電路板的機(jī)械強(qiáng)度。 總之，應(yīng)該綜合考慮利弊來(lái)確定電路板的尺寸。

    雖然 Protel DXP 能夠自動(dòng)布局，但是實(shí)際上電路板的布局幾乎都是手工完成的。要進(jìn)行布局時(shí)，一般遵循如下規(guī)則：

1．特殊元件的布局 特殊元件的布局從以下幾個(gè)方面考慮：

1）高頻元件：高頻元件之間的連線越短越好，設(shè)法減小連線的分布參數(shù)和相互之間的電磁干擾，易受干擾的元件不能離得太近。隸屬于輸入和隸屬于輸出的元件之間的距離應(yīng)該盡可能大一些。

2）具有高電位差的元件：應(yīng)該加大具有高電位差元件和連線之間的距離，以免出現(xiàn)意外短路時(shí)損壞元件。為了避免爬電現(xiàn)象的發(fā)生，一般要求 2000V 電位差之間的銅膜線距離應(yīng)該大于 2mm，若對(duì)于更高的電位差，距離還應(yīng)該加大。帶有高電壓的器件，應(yīng)該盡量布置在調(diào)試時(shí)手不易觸及的地方。

3）重量太大的元件：此類元件應(yīng)該有支架固定，而對(duì)于又大又重、發(fā)熱量多的元件，不宜安裝在電路板上。

4）發(fā)熱與熱敏元件：注意發(fā)熱元件應(yīng)該遠(yuǎn)離熱敏元件。

5）可以調(diào)節(jié)的元件：對(duì)于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容、微動(dòng)開關(guān)等可調(diào)元件的布局應(yīng)該考慮整機(jī)的結(jié)構(gòu)要求，若是機(jī)內(nèi)調(diào)節(jié)，應(yīng)該放在電路板上容易調(diào)節(jié)的地方，若是機(jī)外調(diào)節(jié)，其位置要與調(diào)節(jié)旋鈕在機(jī)箱面板上的位置相對(duì)應(yīng)。

6）電路板安裝孔和支架孔：應(yīng)該預(yù)留出電路板的安裝孔和支架的安裝孔，因?yàn)檫@些孔和孔附近是不能布線的。

2．按照電路功能布局 如果沒有特殊要求，盡可能按照原理圖的元件安排對(duì)元件進(jìn)行布局，信號(hào)從左邊進(jìn)入、從右邊輸出，從上邊輸入、從下邊輸出。 按照電路流程，安排各個(gè)功能電路單元的位置，使信號(hào)流通更加順暢和保持方向一致。 以每個(gè)功能電路為核心，圍繞這個(gè)核心電路進(jìn)行布局，元件安排應(yīng)該均勻、整齊、緊湊，原則是減少和縮短各個(gè)元件之間的引線和連接。 數(shù)字電路部分應(yīng)該與模擬電路部分分開布局。

3．元件離電路板邊緣的距離 所有元件均應(yīng)該放置在離板邊緣 3mm 以內(nèi)的位置，或者至少距電路板邊緣的距離等于板厚，這是由于在大批量生產(chǎn)中進(jìn)行流水線插件和進(jìn)行波峰焊時(shí)，要提供給導(dǎo)軌槽使用，同時(shí)也是防止由于外形加工引起電路板邊緣破損，引起銅膜線斷裂導(dǎo)致廢品。如果電路板上元件過多，不得已要超出 3mm 時(shí)，可以在電路板邊緣上加上 3mm 輔邊，在輔邊上開 V 形槽，在生產(chǎn)時(shí)用手掰開。

4．元件放置的順序 首先放置與結(jié)構(gòu)緊密配合的固定位置的元件，如電源插座、指示燈、開關(guān)和連接插件等。 再放置特殊元件，例如發(fā)熱元件、變壓器、集成電路等。 最后放置小元件，例如電阻、電容、二極管等。

    布線的規(guī)則如下：

1）線長(zhǎng)：銅膜線應(yīng)盡可能短，在高頻電路中更應(yīng)該如此。銅膜線的不拐彎處應(yīng)為圓角或斜角，而直角或尖角在高頻電路和布線密度高的情況下會(huì)影響電氣性能。當(dāng)雙面板布線時(shí)，兩面的導(dǎo)線應(yīng)該相互垂直、斜交或彎曲走線，避免相互平行，以減少寄生電容。

2）線寬：銅膜線的寬度應(yīng)以能滿足電氣特性要求而又便于生產(chǎn)為準(zhǔn)則，它的最小值取決于流過它的電流，但是一般不宜小于 0.2mm。只要板面積足夠大，銅膜線寬度和間距最好選擇 0.3mm。一般情況下，1~1.5mm 的線寬，允許流過 2A 的電流。例如地線和電源線最好選用大于 1mm 的線寬。在集成電路座焊盤之間走兩根線時(shí)，焊盤直徑為 50mil，線寬和線間距都是 10mil，當(dāng)焊盤之間走一根線時(shí)，焊盤直徑為 64mil，線寬和線間距都為 12mil。注意公制和英制之間的轉(zhuǎn)換，100mil=2.54mm。

3）線間距：相鄰銅膜線之間的間距應(yīng)該滿足電氣安全要求，同時(shí)為了便于生產(chǎn)，間距應(yīng)該越寬越好。最小間距至少能夠承受所加電壓的峰值。在布線密度低的情況下，間距應(yīng)該盡可能的大。

4）屏蔽與接地：銅膜線的公共地線應(yīng)該盡可能放在電路板的邊緣部分。在電路板上應(yīng)該盡可能多地保留銅箔做地線，這樣可以使屏蔽能力增強(qiáng)。另外地線的形狀最好作成環(huán)路或網(wǎng)格狀。多層電路板由于采用內(nèi)層做電源和地線專用層，因而可以起到更好的屏蔽作用效果。

   焊盤

    焊盤尺寸 焊盤的內(nèi)孔尺寸必須從元件引線直徑和公差尺寸以及鍍錫層厚度、孔徑公差、孔金屬化電鍍層厚度等方面考慮，通常情況下以金屬引腳直徑加上 0.2mm 作為焊盤的內(nèi)孔直徑。例如，電阻的金屬引腳直徑為 0.5mm，則焊盤孔直徑為 0.7mm，而焊盤外徑應(yīng)該為焊盤孔徑加1.2mm，最小應(yīng)該為焊盤孔徑加 1.0mm。 當(dāng)焊盤直徑為 1.5mm 時(shí)，為了增加焊盤的抗剝離強(qiáng)度，可采用方形焊盤。 對(duì)于孔直徑小于 0.4mm 的焊盤，焊盤外徑/焊盤孔直徑=0.5~3。 對(duì)于孔直徑大于 2mm 的焊盤，焊盤外徑/焊盤孔直徑=1.5~2。

常用的焊盤尺寸如表 1-1 所示表 16-1   

常用的焊盤尺寸 焊盤孔直徑/mm	0.4  0.5  0.6  0.8  1.0  1.2  1.6  2.0
焊盤外徑/mm	1.5  1.5  2.0  2.0  2.5  3.0  3.5  4

注意事項(xiàng)：

設(shè)計(jì)焊盤時(shí)的注意事項(xiàng)如下：

1）焊盤孔邊緣到電路板邊緣的距離要大于 1mm，這樣可以避免加工時(shí)導(dǎo)致焊盤缺損。

2）焊盤補(bǔ)淚滴，當(dāng)與焊盤連接的銅膜線較細(xì)時(shí)，要將焊盤與銅膜線之間的連接設(shè)計(jì)成淚滴狀，這樣可以使焊盤不容易被剝離，而銅膜線與焊盤之間的連線不易斷開。

3）相鄰的焊盤要避免有銳角。

大面積填充

    電路板上的大面積填充的目的有兩個(gè)，一個(gè)是散熱，另一個(gè)是用屏蔽減少干擾，為避免焊接時(shí)產(chǎn)生的熱使電路板產(chǎn)生的氣體無(wú)處排放而使銅膜脫落，應(yīng)該在大面積填充上開窗，后者使填充為網(wǎng)格狀。 使用敷銅也可以達(dá)到抗干擾的目的，而且敷銅可以自動(dòng)繞過焊盤并可連接地線。

跨接線

在單面電路板的設(shè)計(jì)中，當(dāng)有些銅膜無(wú)法連接時(shí)，通常的做法是使用跨接線，跨接線的長(zhǎng)度應(yīng)該選擇如下幾種：6mm、8mm 和 10mm。

接地

1地線的共阻抗干擾 電路圖上的地線表示電路中的零電位，并用作電路中其它各點(diǎn)的公共參考點(diǎn)，在實(shí)際電路中由于地線（銅膜線）阻抗的存在，必然會(huì)帶來(lái)共阻抗干擾，因此在布線時(shí)，不能將具有地線符號(hào)的點(diǎn)隨便連接在一起，這可能引起有害的耦合而影響電路的正常工作。

2．如何連接地線 通常在一個(gè)電子系統(tǒng)中，地線分為系統(tǒng)地、機(jī)殼地（屏蔽地）、數(shù)字地（邏輯地）和模擬地等幾種，在連接地線時(shí)應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

1）正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地。在低頻電路中，信號(hào)頻率小于 1MHz，布線和元件之間的電感可以忽略，而地線電路電阻上產(chǎn)生的壓降對(duì)電路影響較大，所以應(yīng)該采用單點(diǎn)接地法。 當(dāng)信號(hào)的頻率大于 10MHz 時(shí)，地線電感的影響較大，所以宜采用就近接地的多點(diǎn)接地法。 當(dāng)信號(hào)頻率在 1~10MHz 之間時(shí)，如果采用單點(diǎn)接地法，地線長(zhǎng)度不應(yīng)該超過波長(zhǎng)的 1/20，否則應(yīng)該采用多點(diǎn)接地。

2）數(shù)字地和模擬地分開。電路板上既有數(shù)字電路，又有模擬電路，應(yīng)該使它們盡量分開，而且地線不能混接，應(yīng)分別與電源的地線端連接（最好電源端也分別連接）。要盡量加大線性電路的面積。一般數(shù)字電路的抗干擾能力強(qiáng)，TTL 電路的噪聲容限為 0.4~0.6V，CMOS 數(shù)字電路的噪聲容限為電源電壓的 0.3~0.45 倍，而模擬電路部分只要有微伏級(jí)的噪聲，就足以使其工作不正常。所以兩類電路應(yīng)該分開布局和布線。

3）盡量加粗地線。若地線很細(xì)，接地電位會(huì)隨電流的變化而變化，導(dǎo)致電子系統(tǒng)的信號(hào)受到干擾，特別是模擬電路部分，因此地線應(yīng)該盡量寬，一般以大于 3mm 為宜。

4）將接地線構(gòu)成閉環(huán)。當(dāng)電路板上只有數(shù)字電路時(shí)，應(yīng)該使地線形成環(huán)路，這樣可以明顯提高抗干擾能力，這是因?yàn)楫?dāng)電路板上有很多集成電路時(shí)，若地線很細(xì)，會(huì)引起較大的接地電位差，而環(huán)形地線可以減少接地電阻，從而減小接地電位差。

5）同一級(jí)電路的接地點(diǎn)應(yīng)該盡可能靠近，并且本級(jí)電路的電源濾波電容也應(yīng)該接在本級(jí)的接地點(diǎn)上。

6）總地線的接法?？偟鼐€必須嚴(yán)格按照高頻、中頻、低頻的順序一級(jí)級(jí)地從弱電到強(qiáng)電連接。高頻部分最好采用大面積包圍式地線，以保證有好的屏蔽效果。

抗干擾

    具有微處理器的電子系統(tǒng)，抗干擾和電磁兼容性是設(shè)計(jì)過程中必須考慮的問題，特別是對(duì)于時(shí)鐘頻率高、總線周期快的系統(tǒng)；含有大功率、大電流驅(qū)動(dòng)電路的系統(tǒng)；含微弱模擬信號(hào)以及高精度 A/D 變換電路的系統(tǒng)。為增加系統(tǒng)抗電磁干擾能力應(yīng)考慮采取以下措施：

1）選用時(shí)鐘頻率低的微處理器。只要控制器性能能夠滿足要求，時(shí)鐘頻率越低越好，低的時(shí)鐘可以有效降低噪聲和提高系統(tǒng)的抗干擾能力。由于方波中包含各種頻率成分，其高頻成分很容易成為噪聲源，一般情況下，時(shí)鐘頻率 3 倍的高頻噪聲是最具危險(xiǎn)性的。

2）減小信號(hào)傳輸中的畸變。當(dāng)高速信號(hào)（信號(hào)頻率高=上升沿和下降沿快的信號(hào)）在銅膜線上傳輸時(shí)，由于銅膜線電感和電容的影響，會(huì)使信號(hào)發(fā)生畸變，當(dāng)畸變過大時(shí)，就會(huì)使系統(tǒng)工作不可靠。一般要求，信號(hào)在電路板上傳輸?shù)你~膜線越短越好，過孔數(shù)目越少越好。典型值：長(zhǎng)度不超過 25cm，過孔數(shù)不超過 2 個(gè)。

3）減小信號(hào)間的交叉干擾。當(dāng)一條信號(hào)線具有脈沖信號(hào)時(shí)，會(huì)對(duì)另一條具有高輸入阻抗的弱信號(hào)線產(chǎn)生干擾，這時(shí)需要對(duì)弱信號(hào)線進(jìn)行隔離，方法是加一個(gè)接地的輪廓線將弱信號(hào)包圍起來(lái)，或者是增加線間距離，對(duì)于不同層面之間的干擾可以采用增加電源和地線層面的方法解決。

4）減小來(lái)自電源的噪聲。電源在向系統(tǒng)提供能源的同時(shí)，也將其噪聲加到所供電的系統(tǒng)中，系統(tǒng)中的復(fù)位、中斷以及其它一些控制信號(hào)最易受外界噪聲的干擾，所以，應(yīng)該適當(dāng)增加電容來(lái)濾掉這些來(lái)自電源的噪聲。

5）注意電路板與元器件的高頻特性。在高頻情況下，電路板上的銅膜線、焊盤、過孔、電阻、電容、接插件的分布電感和電容不容忽略。由于這些分布電感和電容的影響，當(dāng)銅膜線的長(zhǎng)度為信號(hào)或噪聲波長(zhǎng)的 1/20 時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生天線效應(yīng)，對(duì)內(nèi)部產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)外發(fā)射電磁波。 一般情況下，過孔和焊盤會(huì)產(chǎn)生 0.6pF 的電容，一個(gè)集成電路的封裝會(huì)產(chǎn)生 2~6pF 的電容，一個(gè)電路板的接插件會(huì)產(chǎn)生 520mH 的電感，而一個(gè) DIP-24 插座有 18nH 的電感，這些電容和電感對(duì)低時(shí)鐘頻率的電路沒有任何影響，而對(duì)于高時(shí)鐘頻率的電路必須給予注意。

6）元件布置要合理分區(qū)。元件在電路板上排列的位置要充分考慮抗電磁干擾問題。原則之一就是各個(gè)元件之間的銅膜線要盡量的短，在布局上，要把模擬電路、數(shù)字電路和產(chǎn)生大噪聲的電路（繼電器、大電流開關(guān)等）合理分開，使它們相互之間的信號(hào)耦合最小。

7）處理好地線。按照前面提到的單點(diǎn)接地或多點(diǎn)接地方式處理地線。將模擬地、數(shù)字地、大功率器件地分開連接，再匯聚到電源的接地點(diǎn)。 電路板以外的引線要用屏蔽線，對(duì)于高頻和數(shù)字信號(hào)，屏蔽電纜兩端都要接地，低頻模擬信號(hào)用的屏蔽線，一般采用單端接地。對(duì)噪聲和干擾非常敏感的電路或高頻噪聲特別嚴(yán)重的電路應(yīng)該用金屬屏蔽罩屏蔽。

8）去耦電容。去耦電容以瓷片電容或多層陶瓷電容的高頻特性較好。設(shè)計(jì)電路板時(shí)，每個(gè)集成電路的電源和地線之間都要加一個(gè)去耦電容。去耦電容有兩個(gè)作用，一方面是本集成電路的儲(chǔ)能電容，提供和吸收該集成電路開門和關(guān)門瞬間的充放電電能，另一方面，旁路掉該器件產(chǎn)生的高頻噪聲。數(shù)字電路中典型的去耦電容為 0.1μF，這樣的電容有 5nH 的分布電感，可以對(duì) 10MHz 以下的噪聲有較好的去耦作用。一般情況下，選擇 0.01~0.1μF 的電容都可以。

一般要求沒 10 片左右的集成電路增加一個(gè) 10μF 的充放電電容。 另外，在電源端、電路板的四角等位置應(yīng)該跨接一個(gè) 10~100μF 的電容。

高頻布線

    為了使高頻電路板的設(shè)計(jì)更合理，抗干擾性能更好，在進(jìn)行 PCB 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮：

1）合理選擇層數(shù)。利用中間內(nèi)層平面作為電源和地線層，可以起到屏蔽的作用，有效降低寄生電感、縮短信號(hào)線長(zhǎng)度、降低信號(hào)間的交叉干擾，一般情況下，四層板比兩層板的噪聲低 20dB。

2）走線方式。走線必須按照 45°角拐彎，這樣可以減小高頻信號(hào)的發(fā)射和相互之間的耦合。

3）走線長(zhǎng)度。走線長(zhǎng)度越短越好，兩根線并行距離越短越好。

4）過孔數(shù)量。過孔數(shù)量越少越好。

5）層間布線方向。層間布線方向應(yīng)該取垂直方向，就是頂層為水平方向，底層為垂直方向，這樣可以減小信號(hào)間的干擾。

6）敷銅。增加接地的敷銅可以減小信號(hào)間的干擾。

7）包地。對(duì)重要的信號(hào)線進(jìn)行包地處理，可以顯著提高該信號(hào)的抗干擾能力，當(dāng)然還可以對(duì)干擾源進(jìn)行包地處理，使其不能干擾其它信號(hào)。

8）信號(hào)線。信號(hào)走線不能環(huán)路，需要按照菊花鏈方式布線。

9）去耦電容。在集成電路的電源端跨接去耦電容。

10）高頻扼流。數(shù)字地、模擬地等連接公共地線時(shí)要接高頻扼流器件，一般是中心孔穿有導(dǎo)線的高頻鐵氧體磁珠。