Protel 99 SE高頻PCB設(shè)計(jì)的研究

隨著電子技術(shù)的進(jìn)步, PCB (印制電路板)的復(fù)雜程度、適用范圍有了飛速的發(fā)展。從事高頻PCB的設(shè)計(jì)者必須具有相應(yīng)的基礎(chǔ)理論知識(shí),同時(shí)還應(yīng)具有豐富的高頻PCB的制作經(jīng)驗(yàn)。也就是說(shuō),無(wú)論是原理圖的繪制,還是PCB 的設(shè)計(jì),都應(yīng)當(dāng)從其所在的高頻工作環(huán)境去考慮,才能夠設(shè)計(jì)出較為理想的PCB。本文主要從高頻PCB 的手動(dòng)布局、布線兩個(gè)方面,基于Protel 99 SE對(duì)在高頻PCB 設(shè)計(jì)中的一些問(wèn)題進(jìn)行研究。

1　布局的設(shè)計(jì)

Protel 99 SE雖然具有自動(dòng)布局的功能,但并不能完全滿足高頻電路的工作需要,往往要憑借設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn),根據(jù)具體情況,先采用手工布局的方法優(yōu)化調(diào)整部分元器件的位置,再結(jié)合自動(dòng)布局完成PCB的整體設(shè)計(jì)。布局的合理與否直接影響到產(chǎn)品的壽命、穩(wěn)定性、EMC (電磁兼容)等,必須從電路板的整體布局、布線的可通性和PCB的可制造性、機(jī)械結(jié)構(gòu)、散熱、EMI(電磁干擾) 、可靠性、信號(hào)的完整性等方面綜合考慮。

一般先放置與機(jī)械尺寸有關(guān)的固定位置的元器件,再放置特殊的和較大的元器件,最后放置小元器件。同時(shí),要兼顧布線方面的要求,高頻元器件的放置要盡量緊湊,信號(hào)線的布線才能盡可能短,從而降低信號(hào)線的交叉干擾等。

1.1　與機(jī)械尺寸有關(guān)的定位插件的放置

電源插座、開(kāi)關(guān)、PCB之間的接口、指示燈等都是與機(jī)械尺寸有關(guān)的定位插件。通常,電源與PCB之間的接口放到PCB的邊緣處,并與PCB 邊緣要有3 mm～5 mm的間距;指示發(fā)光二極管應(yīng)根據(jù)需要準(zhǔn)確地放置;開(kāi)關(guān)和一些微調(diào)元器件,如可調(diào)電感、可調(diào)電阻等應(yīng)放置在靠近PCB 邊緣的位置,以便于調(diào)整和連接;需要經(jīng)常更換的元器件必須放置在器件比較少的位置,以易于更換。

1.2　特殊元器件的放置

大功率管、變壓器、整流管等發(fā)熱器件,在高頻狀態(tài)下工作時(shí)產(chǎn)生的熱量較多,所以在布局時(shí)應(yīng)充分考慮通風(fēng)和散熱,將這類元器件放置在PCB上空氣容易流通的地方。大功率整流管和調(diào)整管等應(yīng)裝有散熱器,并要遠(yuǎn)離變壓器。電解電容器之類怕熱的元件也應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱器件,否則電解液會(huì)被烤干,造成其電阻增大,性能變差,影響電路的穩(wěn)定性。

易發(fā)生故障的元器件,如調(diào)整管、電解電容器、繼電器等,在放置時(shí)還要考慮到維修方便。對(duì)經(jīng)常需要測(cè)量的測(cè)試點(diǎn),在布置元器件時(shí)應(yīng)注意保證測(cè)試棒能夠方便地接觸。

由于電源設(shè)備內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生50 Hz泄漏磁場(chǎng),當(dāng)它與低頻放大器的某些部分交連時(shí),會(huì)對(duì)低頻放大器產(chǎn)生干擾。因此,必須將它們隔離開(kāi)或者進(jìn)行屏蔽處理。放大器各級(jí)最好能按原理圖排成直線形式,如此排法的優(yōu)點(diǎn)是各級(jí)的接地電流就在本級(jí)閉合流動(dòng),不影響其他電路的工作。輸入級(jí)與輸出級(jí)應(yīng)當(dāng)盡可能地遠(yuǎn)離,減小它們之間的寄生耦合干擾。

考慮各個(gè)單元功能電路之間的信號(hào)傳遞關(guān)系,還應(yīng)將低頻電路和高頻電路分開(kāi),模擬電路和數(shù)字電路分開(kāi)。集成電路應(yīng)放置在PCB的中央,這樣方便各引腳與其他器件的布線連接。

電感器、變壓器等器件具有磁耦合,彼此之間應(yīng)采用正交放置,以減小磁耦合。另外,它們都有較強(qiáng)的磁場(chǎng),在其周圍應(yīng)有適當(dāng)大的空間或進(jìn)行磁屏蔽,以減小對(duì)其他電路的影響。

在PCB的關(guān)鍵部位要配置適當(dāng)?shù)母哳l退耦電容,如在PCB電源的輸入端應(yīng)接一個(gè)10μF～100 μF的電解電容,在集成電路的電源引腳附近都應(yīng)接一個(gè)0.01 pF左右的瓷片電容。有些電路還要配置適當(dāng)?shù)母哳l或低頻扼流圈,以減小高低頻電路之間的影響。這一點(diǎn)在原理圖設(shè)計(jì)和繪制時(shí)就應(yīng)給予考慮,否則也將會(huì)影響電路的工作性能。

元器件排列時(shí)的間距要適當(dāng),其間距應(yīng)考慮到它們之間有無(wú)可能被擊穿或打火。

含推挽電路、橋式電路的放大器,布置時(shí)應(yīng)注意元器件電參數(shù)的對(duì)稱性和結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,使對(duì)稱元器件的分布參數(shù)盡可能一致。

在對(duì)主要元器件完成手動(dòng)布局后,應(yīng)采用元器件鎖定的方法,使這些元器件不會(huì)在自動(dòng)布局時(shí)移動(dòng)。即執(zhí)行Edit change命令或在元器件的Properties選中Locked就可以將其鎖定不再移動(dòng)。

1.3　普通元器件的放置

對(duì)于普通的元器件,如電阻、電容等,應(yīng)從元器件的排列整齊、占用空間大小、布線的可通性和焊接的方便性等幾個(gè)方面考慮,可采用自動(dòng)布局的方式。

2　布線的設(shè)計(jì)

布線是在合理布局的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高頻PCB 設(shè)計(jì)的總體要求。布線包括自動(dòng)布線和手動(dòng)布線兩種方式。通常,無(wú)論關(guān)鍵信號(hào)線的數(shù)量有多少,首先對(duì)這些信號(hào)線進(jìn)行手動(dòng)布線,布線完成后對(duì)這些信號(hào)線布線進(jìn)行仔細(xì)檢查,檢查通過(guò)后將其固定,再對(duì)其他布線進(jìn)行自動(dòng)布線。即采用手動(dòng)和自動(dòng)布線相結(jié)合來(lái)完成PCB的布線。

在高頻PCB的布線過(guò)程中應(yīng)特別注意以下幾個(gè)方面問(wèn)題。

2.1　布線的走向

電路的布線最好按照信號(hào)的流向采用全直線,需要轉(zhuǎn)折時(shí)可用45°折線或圓弧曲線來(lái)完成,這樣可以減少高頻信號(hào)對(duì)外的發(fā)射和相互間的耦合。高頻信號(hào)線的布線應(yīng)盡可能短。要根據(jù)電路的工作頻率,合理地選擇信號(hào)線布線的長(zhǎng)度,這樣可以減少分布參數(shù),降低信號(hào)的損耗。制作雙面板時(shí),在相鄰的兩個(gè)層面上布線最好相互垂直、斜交或彎曲相交。避免相互平行,這樣可以減少相互干擾和寄生耦合。

高頻信號(hào)線與低頻信號(hào)線要盡可能分開(kāi),必要時(shí)采取屏蔽措施,防止相互間干擾。對(duì)于接收比較弱的信號(hào)輸入端,容易受到外界信號(hào)的干擾,可以利用地線做屏蔽將其包圍起來(lái)或做好高頻接插件的屏蔽。同一層面上應(yīng)該避免平行走線,否則會(huì)引入分布參數(shù),對(duì)電路產(chǎn)生影響。若無(wú)法避免時(shí)可在兩平行線之間引入一條接地的銅箔,構(gòu)成隔離線。

在數(shù)字電路中,對(duì)于差分信號(hào)線,應(yīng)成對(duì)地走線,盡量使它們平行、靠近一些,并且長(zhǎng)短相差不大。

2.2　布線的形式

在PCB的布線過(guò)程中,走線的最小寬度由導(dǎo)線與絕緣層基板之間的粘附強(qiáng)度以及流過(guò)導(dǎo)線的電流強(qiáng)度所決定。當(dāng)銅箔的厚度為0.05mm、寬度為1mm ～1.5 mm時(shí),可以通過(guò)2A電流。溫度不會(huì)高于3 ℃,除一些比較特殊的走線外,同一層面上的其他布線寬度應(yīng)盡可能一致。在高頻電路中布線的間距將影響分布電容和電感的大小,從而影響信號(hào)的損耗、電路的穩(wěn)定性以及引起信號(hào)的干擾等。在高速開(kāi)關(guān)電路中,導(dǎo)線的間距將影響信號(hào)的傳輸時(shí)間及波形的質(zhì)量。因此,布線的最小間距應(yīng)大于或等于0.5 mm,只要允許,PCB布線最好采用比較寬的線。

印制導(dǎo)線與PCB的邊緣應(yīng)留有一定的距離(不小于板厚) ,這樣不僅便于安裝和進(jìn)行機(jī)械加工,而且還提高了絕緣性能。

布線中遇到只有繞大圈才能連接的線路時(shí),要利用飛線,即直接用短線連接來(lái)減少長(zhǎng)距離走線帶來(lái)的干擾。

含有磁敏元件的電路其對(duì)周圍磁場(chǎng)比較敏感,而高頻電路工作時(shí)布線的拐彎處容易輻射電磁波,如果PCB中放置了磁敏元件,則應(yīng)保證布線拐角與其有一定的距離。

同一層面上的布線不允許有交叉。對(duì)于可能交叉的線條,可用“鉆”與“繞”的辦法解決,即讓某引線從其他的電阻、電容、三極管等器件引腳下的空隙處“鉆”過(guò)去,或從可能交叉的某條引線的一端“繞”過(guò)去。在特殊情況下,如果電路很復(fù)雜,為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),也允許用導(dǎo)線跨接解決交叉問(wèn)題。

當(dāng)高頻電路工作頻率較高時(shí),還需要考慮布線的阻抗匹配及天線效應(yīng)問(wèn)題。

2.3　電源線與地線的布線要求

根據(jù)不同工作電流的大小,盡量加大電源線的寬度。高頻PCB應(yīng)盡量采用大面積地線并布局在PCB的邊緣,可以減少外界信號(hào)對(duì)電路的干擾;同時(shí),可以使PCB的接地線與殼體很好地接觸,使PCB的接地電壓更加接近于大地電壓。應(yīng)根據(jù)具體情況選擇接地方式,與低頻電路有所不同,高頻電路的接地線應(yīng)該采用就近接地或多點(diǎn)接地的方式,接地線短而粗,以盡量減少地阻抗,其允許電流要求能夠達(dá)到3倍于工作電流的標(biāo)準(zhǔn)。揚(yáng)聲器的接地線應(yīng)接在PCB 功放輸出級(jí)的接地點(diǎn),切勿任意接地。

在布線過(guò)程中還應(yīng)該及時(shí)地將一些合理的布線鎖定,以免多次重復(fù)布線。即執(zhí)行EditselectNet命令在預(yù)布線的屬性中選中Locked就可以將其鎖定不再移動(dòng)。

3　焊盤及敷銅的設(shè)計(jì)

3.1　焊盤與孔徑

在保證布線最小間距不違反設(shè)計(jì)的電氣間距的情況下,焊盤的設(shè)計(jì)應(yīng)較大,以保證足夠的環(huán)寬。一般焊盤的內(nèi)孔要比元器件的引線直徑稍微大一點(diǎn),設(shè)計(jì)過(guò)大,容易在焊接中形成虛焊。焊盤外徑D 一般不小于(d+1.2)mm,其中d為焊盤內(nèi)孔徑,對(duì)于一些密度比較大的PCB ,焊盤的最小值可以取(d+1.0) mm。焊盤的形狀通常設(shè)置為圓形,但是對(duì)于DIP封裝的集成電路的焊盤最好采用跑道形,這樣可以在有限的空間內(nèi)增大焊盤的面積,有利于集成電路的焊接。布線與焊盤的連接應(yīng)平滑過(guò)渡,即當(dāng)布線進(jìn)入圓焊盤的寬度較圓焊盤的直徑小時(shí),應(yīng)采用補(bǔ)淚滴設(shè)計(jì)。

需要注意的是,焊盤內(nèi)孔徑d的大小是不同的,應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際元器件引線直徑的大小加以考慮,如元件孔、安裝孔和槽孔等。而焊盤的孔距也要根據(jù)實(shí)際元器件的安裝方式進(jìn)行考慮,如電阻、二極管、管狀電容器等元件有“立式”、“臥式”兩種安裝方式,這兩種方式的孔距是不同的。此外,焊盤孔距的設(shè)計(jì)還要考慮元器件之間的最小間隙要求,特別是特殊元器件之間的間隙需要由焊盤間的孔距來(lái)保證。

在高頻PCB中,還要盡量減少過(guò)孔的數(shù)量,這樣既可減少分布電容,又能增加PCB的機(jī)械強(qiáng)度?？傊?在高頻PCB的設(shè)計(jì)中,焊盤及其形狀、孔徑與孔距的設(shè)計(jì)既要考慮其特殊性,又要滿足生產(chǎn)工藝的要求。采用規(guī)范化的設(shè)計(jì),既可降低產(chǎn)品成本,又可在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)提高生產(chǎn)的效率。

3.2　敷銅

敷銅的主要目的是提高電路的抗干擾能力,同時(shí)對(duì)于PCB散熱和PCB的強(qiáng)度有很大好處,敷銅接地又能起到屏蔽的作用。但是不能使用大面積條狀銅箔,因?yàn)樵赑CB的使用中時(shí)間太長(zhǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大熱量,此時(shí)條狀銅箔容易發(fā)生膨脹和脫落現(xiàn)象,因此,在敷銅時(shí)最好采用柵格狀銅箔,并將此柵格與電路的接地網(wǎng)絡(luò)連通,這樣?xùn)鸥駥?huì)有較好的屏蔽效果,柵格網(wǎng)的尺寸由所要重點(diǎn)屏蔽的干擾頻率而定。

在完成布線、焊盤和過(guò)孔的設(shè)計(jì)后,應(yīng)執(zhí)行DRC(設(shè)計(jì)規(guī)則檢查) 。在檢查結(jié)果中詳細(xì)列出了所設(shè)計(jì)的圖與所定義的規(guī)則之間的差異,可查出不符合要求的網(wǎng)絡(luò)。但是,首先應(yīng)在布線前對(duì)DRC進(jìn)行參數(shù)設(shè)定才可運(yùn)行DRC,即執(zhí)行ToolsDesign Rule Check命令。

4　結(jié)束語(yǔ)

高頻電路PCB的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,涉及的因素很多,都可能直接關(guān)系到高頻電路的工作性能。因此,設(shè)計(jì)者需要在實(shí)際的工作中不斷研究和探索,不斷積累經(jīng)驗(yàn),并結(jié)合新的EDA (電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)技術(shù)才能設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的高頻電路PCB。