PCB 又被稱為印刷電路板(Printed Circuit Board)，它可以實現(xiàn)電子元器件間的線路連接和功能實現(xiàn)，也是電源電路設(shè)計中重要的組成部分。今天就將以本文來介紹 PCB 板布局布線的基本規(guī)則。

 

 

一、元件布局基本規(guī)則

1. 按電路模塊進行布局，實現(xiàn)同一功能的相關(guān)電路稱為一個模塊，電路模塊中的元件應(yīng)采用就近集中原則，同時數(shù)字電路和模擬電路分開;

 

2. 定位孔、標準孔等非安裝孔周圍 1.27mm 內(nèi)不得貼裝元、器件，螺釘?shù)劝惭b孔周圍 3.5mm(對于 M2.5)、4mm(對于 M3)內(nèi)不得貼裝元器件;

 

3. 臥裝電阻、電感(插件)、電解電容等元件的下方避免布過孔，以免波峰焊后過孔與元件殼體短路;

 

4. 元器件的外側(cè)距板邊的距離為 5mm;

 

5. 貼裝元件焊盤的外側(cè)與相鄰插裝元件的外側(cè)距離大于 2mm;

 

6. 金屬殼體元器件和金屬件(屏蔽盒等)不能與其它元器件相碰，不能緊貼印制線、焊盤，其間距應(yīng)大于 2mm。定位孔、緊固件安裝孔、橢圓孔及板中其它方孔外側(cè)距板邊的尺寸大于 3mm;

 

7. 發(fā)熱元件不能緊鄰導(dǎo)線和熱敏元件;高熱器件要均衡分布;

 

8. 電源插座要盡量布置在印制板的四周，電源插座與其相連的匯流條接線端應(yīng)布置在同側(cè)。特別應(yīng)注意不要把電源插座及其它焊接連接器布置在連接器之間，以利于這些插座、連接器的焊接及電源線纜設(shè)計和扎線。電源插座及焊接連接器的布置間距應(yīng)考慮方便電源插頭的插拔;

 

9. 其它元器件的布置：所有 IC 元件單邊對齊，有極性元件極性標示明確，同一印制板上極性標示不得多于兩個方向，出現(xiàn)兩個方向時，兩個方向互相垂直;

 

10、板面布線應(yīng)疏密得當，當疏密差別太大時應(yīng)以網(wǎng)狀銅箔填充，網(wǎng)格大于 8mil(或 0.2mm);

 

11、貼片焊盤上不能有通孔，以免焊膏流失造成元件虛焊。重要信號線不準從插座腳間穿過;

 

12、貼片單邊對齊，字符方向一致，封裝方向一致;

 

13、有極性的器件在以同一板上的極性標示方向盡量保持一致。

 

二、元件布線規(guī)則

1、畫定布線區(qū)域距 PCB 板邊≤1mm 的區(qū)域內(nèi)，以及安裝孔周圍 1mm 內(nèi)，禁止布線;

 

2、電源線盡可能的寬，不應(yīng)低于 18mil;信號線寬不應(yīng)低于 12mil;cpu 入出線不應(yīng)低于 10mil(或 8mil);線間距不低于 10mil;

 

3、正常過孔不低于 30mil;

 

4、雙列直插：焊盤 60mil，孔徑 40mil;

 

1/4W 電阻：51*55mil(0805 表貼);直插時焊盤 62mil，孔徑 42mil;

 

無極電容：51*55mil(0805 表貼);直插時焊盤 50mil，孔徑 28mil;

 

5、注意電源線與地線應(yīng)盡可能呈放射狀，以及信號線不能出現(xiàn)回環(huán)走線。

 

三、如何提高抗干擾能力和電磁兼容性?

在研制帶處理器的電子產(chǎn)品時，如何提高抗干擾能力和電磁兼容性?

 

1、下面的一些系統(tǒng)要特別注意抗電磁干擾：

(1) 微控制器時鐘頻率特別高，總線周期特別快的系統(tǒng)。

 

(2) 系統(tǒng)含有大功率，大電流驅(qū)動電路，如產(chǎn)生火花的繼電器，大電流開關(guān)等。

 

(3) 含微弱模擬信號電路以及高精度 A/D 變換電路的系統(tǒng)。

 

2、為增加系統(tǒng)的抗電磁干擾能力采取如下措施：

 

(1) 選用頻率低的微控制器：

選用外時鐘頻率低的微控制器可以有效降低噪聲和提高系統(tǒng)的抗干擾能力。同樣頻率的方波和正弦波，方波中的高頻成份比正弦波多得多。雖然方波的高頻成份的波的幅度，比基波小，但頻率越高越容易發(fā)射出成為噪聲源，微控制器產(chǎn)生的最有影響的高頻噪聲大約是時鐘頻率的 3 倍。

 

(2) 減小信號傳輸中的畸變

微控制器主要采用高速 CMOS 技術(shù)制造。信號輸入端靜態(tài)輸入電流在 1mA 左右，輸入電容 10PF 左右，輸入阻抗相當高，高速 CMOS 電路的輸出端都有相當?shù)膸лd能力，即相當大的輸出值，將一個門的輸出端通過一段很長線引到輸入阻抗相當高的輸入端，反射問題就很嚴重，它會引起信號畸變，增加系統(tǒng)噪聲。當 Tpd》Tr 時，就成了一個傳輸線問題，必須考慮信號反射，阻抗匹配等問題。

 

信號在印制板上的延遲時間與引線的特性阻抗有關(guān)，即與印制線路板材料的介電常數(shù)有關(guān)。可以粗略地認為，信號在印制板引線的傳輸速度，約為光速的 1/3 到 1/2 之間。微控制器構(gòu)成的系統(tǒng)中常用邏輯電話元件的 Tr(標準延遲時間)為 3 到 18ns 之間。

 

在印制線路板上，信號通過一個 7W 的電阻和一段 25cm 長的引線，線上延遲時間大致在 4~20ns 之間。也就是說，信號在印刷線路上的引線越短越好，最長不宜超過 25cm。而且過孔數(shù)目也應(yīng)盡量少，最好不多于 2 個。

 

當信號的上升時間快于信號延遲時間，就要按照快電子學(xué)處理。此時要考慮傳輸線的阻抗匹配，對于一塊印刷線路板上的集成塊之間的信號傳輸，要避免出現(xiàn) Td》Trd 的情況，印刷線路板越大系統(tǒng)的速度就越不能太快。

 

用以下結(jié)論歸納印刷線路板設(shè)計的一個規(guī)則：

 

信號在印刷板上傳輸，其延遲時間不應(yīng)大于所用器件的標稱延遲時間。

 

(3) 減小信號線間的交叉干擾：

A 點一個上升時間為 Tr 的階躍信號通過引線 AB 傳向 B 端。信號在 AB 線上的延遲時間是 Td。在 D 點，由于 A 點信號的向前傳輸，到達 B 點后的信號反射和 AB 線的延遲，Td 時間以后會感應(yīng)出一個寬度為 Tr 的頁脈沖信號。在 C 點，由于 AB 上信號的傳輸與反射，會感應(yīng)出一個寬度為信號在 AB 線上的延遲時間的兩倍，即 2Td 的正脈沖信號。這就是信號間的交叉干擾。干擾信號的強度與 C 點信號的 di/at 有關(guān)，與線間距離有關(guān)。當兩信號線不是很長時，AB 上看到的實際是兩個脈沖的迭加。

 

CMOS 工藝制造的微控制由輸入阻抗高，噪聲高，噪聲容限也很高，數(shù)字電路是迭加 100~200mv 噪聲并不影響其工作。若圖中 AB 線是一模擬信號，這種干擾就變?yōu)椴荒苋萑獭Ｈ缬∷⒕�路板為四層板，其中有一層是大面積的地，或雙面板，信號線的反面是大面積的地時，這種信號間的交叉干擾就會變小。

 

原因是，大面積的地減小了信號線的特性阻抗，信號在 D 端的反射大為減小。特性阻抗與信號線到地間的介質(zhì)的介電常數(shù)的平方成反比，與介質(zhì)厚度的自然對數(shù)成正比。若 AB 線為一模擬信號，要避免數(shù)字電路信號線 CD 對 AB 的干擾，AB 線下方要有大面積的地，AB 線到 CD 線的距離要大于 AB 線與地距離的 2~3 倍�？捎镁植科帘蔚�，在有引結(jié)的一面引線左右兩側(cè)布以地線。

 

(4) 減小來自電源的噪聲

電源在向系統(tǒng)提供能源的同時，也將其噪聲加到所供電的電源上。電路中微控制器的復(fù)位線，中斷線，以及其它一些控制線最容易受外界噪聲的干擾。電網(wǎng)上的強干擾通過電源進入電路，即使電池供電的系統(tǒng)，電池本身也有高頻噪聲。模擬電路中的模擬信號更經(jīng)受不住來自電源的干擾。

 

(5) 注意印刷線板與元器件的高頻特性

在高頻情況下，印刷線路板上的引線，過孔，電阻、電容、接插件的分布電感與電容等不可忽略。電容的分布電感不可忽略，電感的分布電容不可忽略。電阻產(chǎn)生對高頻信號的反射，引線的分布電容會起作用，當長度大于噪聲頻率相應(yīng)波長的 1/20 時，就產(chǎn)生天線效應(yīng)，噪聲通過引線向外發(fā)射。

 

印刷線路板的過孔大約引起 0.6pf 的電容。

 

一個集成電路本身的封裝材料引入 2~6pf 電容。

 

一個線路板上的接插件，有 520nH 的分布電感。一個雙列直扦的 24 引腳集成電路扦座，引入 4~18nH 的分布電感。

 

這些小的分布參數(shù)對于這行較低頻率下的微控制器系統(tǒng)中是可以忽略不計的;而對于高速系統(tǒng)必須予以特別注意。

 

(6) 元件布置要合理分區(qū)

元件在印刷線路板上排列的位置要充分考慮抗電磁干擾問題，原則之一是各部件之間的引線要盡量短。在布局上，要把模擬信號部分，高速數(shù)字電路部分，噪聲源部分(如繼電器，大電流開關(guān)等)這三部分合理地分開，使相互間的信號耦合為最小。

 

G 處理好接地線

 

印刷電路板上，電源線和地線最重要�？朔姶鸥蓴_，最主要的手段就是接地。

 

對于雙面板，地線布置特別講究，通過采用單點接地法，電源和地是從電源的兩端接到印刷線路板上來的，電源一個接點，地一個接點。印刷線路板上，要有多個返回地線，這些都會聚到回電源的那個接點上，就是所謂單點接地。所謂模擬地、數(shù)字地、大功率器件地開分，是指布線分開，而最后都匯集到這個接地點上來。與印刷線路板以外的信號相連時，通常采用屏蔽電纜。對于高頻和數(shù)字信號，屏蔽電纜兩端都接地。低頻模擬信號用的屏蔽電纜，一端接地為好。

 

對噪聲和干擾非常敏感的電路或高頻噪聲特別嚴重的電路應(yīng)該用金屬罩屏蔽起來。

 

(7) 用好去耦電容

好的高頻去耦電容可以去除高到 1GHZ 的高頻成份。陶瓷片電容或多層陶瓷電容的高頻特性較好。設(shè)計印刷線路板時，每個集成電路的電源，地之間都要加一個去耦電容。去耦電容有兩個作用：一方面是本集成電路的蓄能電容，提供和吸收該集成電路開門關(guān)門瞬間的充放電能;另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。數(shù)字電路中典型的去耦電容為 0.1uf 的去耦電容有 5nH 分布電感，它的并行共振頻率大約在 7MHz 左右，也就是說對于 10MHz 以下的噪聲有較好的去耦作用，對 40MHz 以上的噪聲幾乎不起作用。

 

1uf，10uf 電容，并行共振頻率在 20MHz 以上，去除高頻率噪聲的效果要好一些。在電源進入印刷板的地方和一個 1uf 或 10uf 的去高頻電容往往是有利的，即使是用電池供電的系統(tǒng)也需要這種電容。

 

每 10 片左右的集成電路要加一片充放電電容，或稱為蓄放電容，電容大小可選 10uf。最好不用電解電容，電解電容是兩層溥膜卷起來的，這種卷起來的結(jié)構(gòu)在高頻時表現(xiàn)為電感，最好使用膽電容或聚碳酸醞電容。

 

去耦電容值的選取并不嚴格，可按 C=1/f 計算;即 10MHz 取 0.1uf，對微控制器構(gòu)成的系統(tǒng)，取 0.1~0.01uf 之間都可以。

 

3、降低噪聲與電磁干擾的一些經(jīng)驗。

(1) 能用低速芯片就不用高速的，高速芯片用在關(guān)鍵地方。

 

(2) 可用串一個電阻的辦法，降低控制電路上下沿跳變速率。

 

(3) 盡量為繼電器等提供某種形式的阻尼。

 

(4) 使用滿足系統(tǒng)要求的最低頻率時鐘。

 

(5) 時鐘產(chǎn)生器盡量*近到用該時鐘的器件。石英晶體振蕩器外殼要接地。

 

(6) 用地線將時鐘區(qū)圈起來，時鐘線盡量短。

 

(7) I/O 驅(qū)動電路盡量*近印刷板邊，讓其盡快離開印刷板。對進入印制板的信號要加濾波，從高噪聲區(qū)來的信號也要加濾波，同時用串終端電阻的辦法，減小信號反射。

 

(8) MCD 無用端要接高，或接地，或定義成輸出端，集成電路上該接電源地的端都要接，不要懸空。

 

(9) 閑置不用的門電路輸入端不要懸空，閑置不用的運放正輸入端接地，負輸入端接輸出端。

 

(10) 印制板盡量使用 45 折線而不用 90 折線布線以減小高頻信號對外的發(fā)射與耦合。

 

(11) 印制板按頻率和電流開關(guān)特性分區(qū)，噪聲元件與非噪聲元件要距離再遠一些。

 

(12) 單面板和雙面板用單點接電源和單點接地、電源線、地線盡量粗，經(jīng)濟是能承受的話用多層板以減小電源，地的容生電感。

 

(13) 時鐘、總線、片選信號要遠離 I/O 線和接插件。

 

(14) 模擬電壓輸入線、參考電壓端要盡量遠離數(shù)字電路信號線，特別是時鐘。

 

(15) 對 A/D 類器件，數(shù)字部分與模擬部分寧可統(tǒng)一下也不要交*。

 

(16) 時鐘線垂直于 I/O 線比平行 I/O 線干擾小，時鐘元件引腳遠離 I/O 電纜。

 

(17) 元件引腳盡量短，去耦電容引腳盡量短。

 

(18) 關(guān)鍵的線要盡量粗，并在兩邊加上保護地。高速線要短要直。

 

(19) 對噪聲敏感的線不要與大電流，高速開關(guān)線平行。

 

(20) 石英晶體下面以及對噪聲敏感的器件下面不要走線。

 

(21) 弱信號電路，低頻電路周圍不要形成電流環(huán)路。

 

(22) 任何信號都不要形成環(huán)路，如不可避免，讓環(huán)路區(qū)盡量小。

 

(23) 每個集成電路一個去耦電容。每個電解電容邊上都要加一個小的高頻旁路電容。

 

(24) 用大容量的鉭電容或聚酷電容而不用電解電容作電路充放電儲能電容。使用管狀電容時，外殼要接地。