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技術(shù)專(zhuān)題
如何正確設(shè)計(jì)PCB
PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及到許多零零碎碎的注意點(diǎn)，以我多年的經(jīng)驗(yàn)給出如下提示：
一、一般提示
1、使重要節(jié)點(diǎn)可訪問(wèn)
您將試圖弄清為什么某些東西無(wú)法正常工作，并且您想測(cè)量PCB內(nèi)部的信號(hào)。在設(shè)計(jì)PCB之前，您應(yīng)該考慮哪些點(diǎn)對(duì)電路進(jìn)行故障診斷很重要，并且在不易接近的情況下，請(qǐng)?jiān)谂c它們相連的地方添加測(cè)試點(diǎn)。有多種形式的測(cè)試點(diǎn)，但是形成循環(huán)的測(cè)試點(diǎn)非常適合帶有鉤子的測(cè)試探針。
2、在組件之間留出空間
試圖將組件盡可能地緊湊地包裝，只是意識(shí)到?jīng)]有足夠的布線(xiàn)空間。在組件之間留出一些空間，以便導(dǎo)線(xiàn)可以散開(kāi)。組件的引腳越多，所需的空間就越大。間距不僅將促進(jìn)自動(dòng)布線(xiàn)，而且將使焊接更容易。
3、以相同的方向放置組件
組件通常具有標(biāo)準(zhǔn)的插針編號(hào)，插針＃1位于左上角。如果所有組件的方向相同，則在焊接或檢查組件時(shí)不會(huì)出錯(cuò)。
4、打印布局以查看組件的尺寸是否匹配
布置完所有組件后，打印出布局。將每個(gè)組件放在版面設(shè)計(jì)圖的頂部，以查看它們是否匹配。有時(shí)數(shù)據(jù)表可能有錯(cuò)誤。
5、交換層之間的布線(xiàn)方向
在一側(cè)繪制垂直跡線(xiàn)，在另一側(cè)繪制水平跡線(xiàn)。這便于必須交叉的線(xiàn)的布線(xiàn)。對(duì)于多層，請(qǐng)?jiān)诜较蛑g交替。
6、根據(jù)電流選擇線(xiàn)寬
較大的寬度減小了電阻，從而減少了由散熱引起的熱量。線(xiàn)的寬度應(yīng)根據(jù)流過(guò)它們的估計(jì)電流來(lái)確定大小。您可以使用在線(xiàn)計(jì)算器來(lái)計(jì)算其寬度。因此，電源線(xiàn)應(yīng)更寬，因?yàn)樗须娏骶蛇@些線(xiàn)提供。
7、了解制造商的規(guī)格
每個(gè)制造商都有自己的規(guī)格，例如最小走線(xiàn)寬度，間距，層數(shù)等。開(kāi)始設(shè)計(jì)之前，您應(yīng)考慮自己的需求并找到符合您要求的制造商。您的要求還包括PCB的材料等級(jí)。等級(jí)從FR-1（紙酚混合物）到FR-5（玻璃布和環(huán)氧樹(shù)脂）不等。大多數(shù)PCB原型制造商都使用FR-4，但是FR-2用于大批量消費(fèi)應(yīng)用。材料的類(lèi)型會(huì)影響電路板的強(qiáng)度，耐用性，吸濕性和阻燃性（FR）。
8、避免走線(xiàn)成90o角
急劇的直角轉(zhuǎn)彎很難保持走線(xiàn)寬度恒定。對(duì)于狹窄的跡線(xiàn)，這是一個(gè)值得關(guān)注的原因，其中很小的差異占跡線(xiàn)的很大一部分。更好的方法是進(jìn)行兩個(gè)45o彎曲。
9、使用絲印層
在專(zhuān)業(yè)的PCB制造商中，這一層是非常標(biāo)準(zhǔn)的，對(duì)于貼標(biāo)簽非常有用。標(biāo)記您的組件（PCB布局軟件通常會(huì)這樣做），并添加有關(guān)該板的內(nèi)容，修訂號(hào)和作者/所有者的一些信息。
10、使用原理圖與布局比較
許多PCB布局軟件都有原理圖和布局之間的比較工具。使用它來(lái)確保您的布局與原理圖匹配。
11、創(chuàng)建地平面
特別是在模擬電路中，“接地”是指整個(gè)PCB上的電壓相同，這一點(diǎn)很重要。如果使用走線(xiàn)路由接地信號(hào)，它們的電阻會(huì)產(chǎn)生電壓降，從而使PCB中的不同“接地”具有不同的電位。為了避免這種情況，您應(yīng)該創(chuàng)建一個(gè)接地層，即，大面積的銅層（或者更好的是，為該層保留一層），連接到地的組件可以直接通過(guò)通孔來(lái)接地。接地平面可以完全用銅填充（更好地散熱），也可以如下圖所示在正方形網(wǎng)格中填充。
地平面的缺點(diǎn)之一是難以焊接元件，因?yàn)闊崃繒?huì)很快通過(guò)飛機(jī)散發(fā)。為避免這種情況，可以通過(guò)細(xì)跡線(xiàn)與飛機(jī)進(jìn)行接觸，如下圖所示。
12、放置旁路電容器
旁路電容器用于從恒定電源中濾除交流分量。它們減少了噪聲，波紋和其他有害的交流信號(hào)。他們通過(guò)繞過(guò)地面的交流電波動(dòng)來(lái)做到這一點(diǎn)，因此得名。因此，它們通常連接在我們要濾波的電壓（電源電壓，參考信號(hào)等）與地之間。選擇這些電容器的一個(gè)好地方是PCB的電源入口：將電源連接到PCB的電線(xiàn)通常很長(zhǎng)，并且充當(dāng)天線(xiàn)，收集大量RF信號(hào)。另一個(gè)有效的位置是靠近IC（盡可能靠近電源和接地引腳），以減少PCB內(nèi)部添加的任何噪聲。對(duì)于參考引腳或需要非常穩(wěn)定電壓的任何其他引腳也是如此。
電容器的值取決于交流分量的頻率。每個(gè)電容器都有自己的頻率響應(yīng)，該頻率響應(yīng)由其電阻和調(diào)諧到一定頻率范圍的等效串聯(lián)電感（ESL）決定。例如，要過(guò)濾低頻，您需要一個(gè)更大的電容器。通常，在中頻范圍內(nèi)使用0.1-1μF的電容器就足夠了，如果波動(dòng)緩慢，則可以選擇1-10μF左右；對(duì)于高頻噪聲，可以使用0.001-0.1μF的電容器。您也可以使用旁路電容器的任意組合來(lái)消除更寬的頻率范圍。對(duì)于驅(qū)動(dòng)大量電流的芯片，可以放置10 μF-100 μF電容器作為緩沖器。如果電容器的值允許，請(qǐng)使用單片陶瓷電容器，因?yàn)樗鼈兗刃∮直阋恕?span>
13、并行布線(xiàn)差分信號(hào)走線(xiàn)
差分信號(hào)通常用于提高抗干擾能力并放大動(dòng)態(tài)范圍。僅當(dāng)兩個(gè)信號(hào)的走線(xiàn)遵循相似的路徑時(shí)才有效，這樣噪聲會(huì)相等地干擾兩個(gè)路徑。為此，應(yīng)使差分信號(hào)的兩條線(xiàn)彼此平行并盡可能靠近。
14、考慮熱點(diǎn)
如果散熱不充分，熱量會(huì)降低電路的性能，甚至損壞電路?？紤]哪些組件消耗更多的功率，以及包裝如何散發(fā)產(chǎn)生的熱量。數(shù)據(jù)表中有一個(gè)稱(chēng)為“熱阻”的參數(shù)，該參數(shù)指出了在特定條件下每瓦特功率會(huì)增加多少溫度。例如，條件可能是IC下方的x面積為y mm的銅面積。為了更強(qiáng)的散熱，您應(yīng)該增加散熱器或什至風(fēng)扇來(lái)冷卻IC。此外，使電路板的關(guān)鍵部分與這些熱源隔離。
15、制作并行腳印以查找難以找到的組件
通常，您使用的是通常不出售的組件，或者具有相同功能的兩個(gè)組件的價(jià)格波動(dòng)，您想購(gòu)買(mǎi)很便宜的組件。在這些情況下，您可能希望根據(jù)外部因素來(lái)更換組件，即使它們的占地面積不一樣，但要保持電路板的設(shè)計(jì)不變。如果電路板面積不是很在意，則可以為一個(gè)特定的模塊并行準(zhǔn)備一個(gè)以上占用空間的設(shè)計(jì)，以便安裝當(dāng)前可用的零件，而將其他零件保留為空。
二、電源電路提示
1、將電源和控制接地分開(kāi)
電源電路的大電壓和電流尖峰會(huì)在控制電路中產(chǎn)生破壞性干擾，通常是低電壓和電流。對(duì)于每個(gè)電源階段，應(yīng)將電源接地和控制接地分開(kāi)。如果將它們?cè)?span>PCB中綁在一起，請(qǐng)?jiān)诳拷娫绰窂侥┒说奈恢茫ㄓ绕涫窃?span>PCB接地附近）進(jìn)行連接。
2、使用內(nèi)層作為控制接地
如果您打算使用多層電路板，則將頂層用于電源走線(xiàn)，將底層用于控制走線(xiàn)，將內(nèi)層用于控制接地。中間層較大的接地層將為來(lái)自電源電路的任何干擾提供較小的阻抗路徑，并保護(hù)控制路徑免受干擾。
3、使電源走線(xiàn)更寬以承受更高的電流
這實(shí)際上是一個(gè)一般性的提示，但對(duì)于電源電路而言更重要。您應(yīng)根據(jù)流過(guò)的電流大小來(lái)確定每個(gè)電源路徑的電線(xiàn)寬度。否則可能會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的熱量并燒毀電線(xiàn)。您可以使用在線(xiàn)計(jì)算器來(lái)計(jì)算其寬度。
三、混合信號(hào)電路的技巧
1、將數(shù)字和模擬地分開(kāi)
對(duì)于電源電路，應(yīng)將數(shù)字地和模擬地分開(kāi)。原因相同：數(shù)字電路的電壓和電流尖峰會(huì)在模擬電路中產(chǎn)生干擾（噪聲），從而影響其性能。如果將它們?cè)?span>PCB中綁在一起，請(qǐng)?jiān)诳拷娫绰窂侥┒说奈恢茫ㄓ绕涫窃?span>PCB接地附近）進(jìn)行連接。盡管對(duì)此問(wèn)題還有其他觀點(diǎn)，但這是最被接受的。
2、保護(hù)模擬接地不受噪聲影響
模擬地的任何干擾都將與信號(hào)線(xiàn)產(chǎn)生相同的影響（重要的是任何一點(diǎn)與地面之間的差分電壓）。您希望有一個(gè)較大的接地層來(lái)減小其電阻，但這也使其更容易受到電容耦合至其上方或下方布線(xiàn)的影響。為此，模擬接地只應(yīng)具有與之交叉的模擬線(xiàn)，并且數(shù)字線(xiàn)也應(yīng)相同。這減少了模擬和數(shù)字電路之間的電容耦合。
四、PCB安裝提示
1、從小零件到大零件的焊接
如果您開(kāi)始焊接大型組件，則它們將阻止焊接下一個(gè)組件。您應(yīng)該從小部件（例如表面貼裝設(shè)備（SMD））開(kāi)始，到大部件（例如通孔電容器或接線(xiàn)盒）結(jié)束。
2、注意冷焊點(diǎn)
冷焊點(diǎn)是指在進(jìn)行焊點(diǎn)連接時(shí)，熱焊錫流到冷焊點(diǎn)上，并產(chǎn)生灰色斑點(diǎn)的焊錫，該焊錫沒(méi)有很好地粘附在焊點(diǎn)上。當(dāng)沒(méi)有施加足夠的熱量使焊料正常熔化或被焊接的表面不夠清潔時(shí)，也會(huì)發(fā)生這種情況。有時(shí)可以用裸眼看到（如果嘗試移動(dòng)引腳，會(huì)裂開(kāi)焊點(diǎn)），而其他時(shí)候看起來(lái)像做得好的焊錫。這些焊點(diǎn)的影響可能是靜電噪聲，間斷的切口等。為了解決這個(gè)問(wèn)題，您可以重新熔煉現(xiàn)有焊料或?qū)⑵湮?，清潔斑點(diǎn)并再次焊接。為避免冷焊點(diǎn)，首先用烙鐵頭加熱焊點(diǎn)，然后用焊錫接觸焊點(diǎn)。熱的接頭將熔化焊料，并且它將流動(dòng)并適當(dāng)?shù)赝虥](méi)接頭。
冷焊點(diǎn)。注意銷(xiāo)周?chē)牧鸭y。
3、使用助焊劑以便于焊接
助焊劑是一種化學(xué)試劑，使焊接成為小菜一碟。通過(guò)改善液體焊料的潤(rùn)濕特性來(lái)實(shí)現(xiàn)。只需在要焊接的表面上添加一些助焊劑，熱焊料會(huì)立即粘在引腳上。
4、不信任萬(wàn)用表的連續(xù)性測(cè)試
普通萬(wàn)用表具有連續(xù)性測(cè)試模式，當(dāng)兩個(gè)探頭之間的電阻較小時(shí)會(huì)發(fā)出蜂鳴聲。這通常用于測(cè)試連續(xù)性，因?yàn)槟鸁o(wú)需在查看放置探頭的位置和萬(wàn)用表上的值之間跳轉(zhuǎn)。但是，盡管這表明焊接不良，但仍會(huì)有幾歐姆的蜂鳴聲。假設(shè)低電阻線(xiàn)路和少量焊點(diǎn)，電阻應(yīng)低于1歐姆。使用電阻測(cè)量模式以確保兩點(diǎn)之間的電阻盡可能小，這也意味著良好的焊點(diǎn)。