新手指導(dǎo)
--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：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)有些銅膜無法連接時(shí),通常的做法是使用跨接線,跨接線的長度應(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,地線長度不應(yīng)該超過波長的 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。
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