每個(gè)設計師都應該知道的五個(gè)PCB設計基礎知識

2022-04-29

每個(gè)設計師都應該知道的五個(gè)PCB設計基礎知識

工程師的PCB設計基礎

良好的設計實(shí)踐將確保您的設計能夠大批量生產(chǎn)并以高速工作，無(wú)論您是設計印刷電路板還是高速移動(dòng)。本指南包含現代電路板最重要的PCB設計指南。雖然某些專(zhuān)業(yè)設計可能需要遵守額外的布局指南，但此處介紹的PCB設計指南是一個(gè)很好的起點(diǎn)。

這些指南旨在幫助您進(jìn)行布線(xiàn)和可制造性以及基本的信號完整性和組裝。

定義設計規則以確保制造和裝配良率

組件放置是組件放置的目標是確?？山鉀Q性以及布線(xiàn)的簡(jiǎn)易性

為避免在電路板上布線(xiàn)，請按類(lèi)型對組件進(jìn)行分組。

PCB疊層中接地和電源的位置。這包括混合信號PCB布局的一些要點(diǎn)。

尊重機械限制，例如外殼限制和連接器位置

#1 - 在布局PCB設計規則之前，請確定以下內容：

當您開(kāi)始新設計時(shí)，很容易忘記指導您的印刷電路板項目的設計規則。通過(guò)在設計早期建立簡(jiǎn)單的間隙，可以消除組件移位和重新布線(xiàn)。在哪里可以找到這些信息？

首先與您的PCB制造商聯(lián)系。優(yōu)秀的制造商通常會(huì )在網(wǎng)上發(fā)布他們的能力，或在文檔中提供這些信息。如果郵件不在他們網(wǎng)站的顯眼位置，請向他們發(fā)送電子郵件以詢(xún)問(wèn)他們的能力。在開(kāi)始放置組件之前，這是一個(gè)好主意。當您使用它時(shí)，請提交您的疊加以供審核?；蛘?，查找要使用的標準疊加數據。

在您編制了它們的功能列表后，您可以將它們與您將使用的行業(yè)可靠性標準（2 類(lèi)與 3 類(lèi)或特殊標準）進(jìn)行比較。在確定了這些點(diǎn)之后，您將需要選擇可制造性或可靠性所需的最保守的設計布局限制。這些可以編碼到您的設計規則中。

您的設計規則將指導您完成布局過(guò)程，并幫助消除可能導致裝配或制造問(wèn)題的任何設計錯誤。一旦您建立了設計規則，就該開(kāi)始放置過(guò)程了。

#2 - 微調你的組件布局

元件放置是PCB設計過(guò)程中的關(guān)鍵階段。它需要對董事會(huì )上所有可用的房地產(chǎn)進(jìn)行戰略評估。元件放置是關(guān)于創(chuàng )建一個(gè)易于布線(xiàn)的電路板，盡可能少的層過(guò)渡。設計必須遵守設計規則并滿(mǎn)足組件放置的要求。盡管這些點(diǎn)很難平衡，但一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程可以幫助設計人員放置滿(mǎn)足這些要求的組件。

必須先放置使用必備組件。有時(shí)，由于機械外殼限制或其尺寸，組件必須位于特定位置。這些組件應首先放置，然后鎖定到位，然后再繼續布局的下一部分。

使用大型處理器和集成電路。將高引腳數 IC 連接到您設計中的其他組件。通過(guò)集中定位這些組件，可以更輕松地跟蹤PCB的布局。

避免過(guò)網(wǎng)。當元件放置在PCB布局中時(shí)，可以看到未布線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )。應盡量減少交叉網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò )的每個(gè)交叉點(diǎn)都需要通過(guò)過(guò)孔進(jìn)行層轉換。如果您可以通過(guò)創(chuàng )造性的組件放置消除凈橫截面，您將更容易為您的PCB布局創(chuàng )建最佳布線(xiàn)指南。

SMDPCB設計規則。建議將所有表面貼裝器件 (SMD) 組件放置在同一側。這是因為每個(gè)板面都需要自己的SMD焊接線(xiàn)。因此，最好將所有SMD放置在同一側。

玩方向。旋轉零部件以消除交叉點(diǎn)。這可以通過(guò)定向連接的焊盤(pán)使它們彼此面對來(lái)簡(jiǎn)化布線(xiàn)。

此PCB設計中的主處理器位于中央，走線(xiàn)從邊緣引出。這是較大IC和外圍設備的理想放置。

如果您遵循第 1 點(diǎn)和第 2 點(diǎn)，則可以更輕松地安排板的其余部分。您的板也將具有現代的外觀(guān)和感覺(jué)。中央處理器為電路板周邊的所有組件提供數據。

#3 - 使用電源、接地和信號走線(xiàn)

現在您已經(jīng)準備好所有組件，是時(shí)候布置電源、接地和信號走線(xiàn)了。這將確保信號遵循清晰且無(wú)故障的路徑。這些是一些提示，可幫助您瀏覽布局過(guò)程的這一階段。

電源層和接地層的放置位置

電源和接地通常放置在內部層內的兩層上。這可能不適用于 2 層板。您可以在其中一層上放置一個(gè)大的接地層，然后將信號或電源走線(xiàn)路由到第二層。接地平面比嘗試布線(xiàn)接地走線(xiàn)更好。如果組件需要直接電源連接，建議您使用共軌。共軌適用于最小100密耳的組件。

一些指南規定平面層放置應該是對稱(chēng)的。然而，這不是制造的要求。這對于大型電路板來(lái)說(shuō)可能是必要的，以盡量減少翹曲。但是，對于較小的電路板則不需要。首先，關(guān)注電源和接地。接下來(lái)，確保所有走線(xiàn)與最近的接地層具有強返回路徑耦合。然后，擔心 PCB疊層內的完美對稱(chēng)性。

PCB布局布線(xiàn)指南

接下來(lái)，連接您的信號跡線(xiàn)以匹配您的原理圖。PCB布局最佳實(shí)踐建議應盡可能頻繁地將組件放置在彼此之間。但是，這可能并不總是適用于較大的電路板。如果組件放置需要水平走線(xiàn)，請將走線(xiàn)垂直布線(xiàn)到另一側。這只是眾多重要的PCB設計規則之一。

隨著(zhù)疊層數量的增加，印刷電路板布局指南和設計印刷電路板的規則變得更加復雜。如果您不使用參考平面分隔信號層，您的布線(xiàn)策略將要求您在交替層中使用交替的水平和垂直線(xiàn)。復雜電路板中常用的許多PCB最佳實(shí)踐不適用于專(zhuān)業(yè)應用。您將需要根據您的特定應用設計您的PCB。

確定走線(xiàn)寬度

PCB的布局需要走線(xiàn)來(lái)連接組件。但是這些走線(xiàn)寬度應該有多寬呢？三個(gè)因素會(huì )影響不同網(wǎng)絡(luò )所需的走線(xiàn)寬度：

制造業(yè)。走線(xiàn)不能太薄，否則將無(wú)法可靠地制造。大多數情況下，您需要使用比制造商可以生產(chǎn)的更大的走線(xiàn)寬度。

當前的。這決定了防止走線(xiàn)升溫所需的最小寬度。如果電流更大，則跡線(xiàn)必須更大。

阻抗。高速數字信號或無(wú)線(xiàn)電波需要具有指定的跡線(xiàn)寬度才能達到所需的阻抗值。這不適用于所有信號和網(wǎng)絡(luò )。因此，您不必在設計指南中對每個(gè)網(wǎng)絡(luò )都設置阻抗控制。

對于大多數低電流模擬和數字信號來(lái)說(shuō)，10 mil 的走線(xiàn)寬度就足夠了?？赡苄枰褂∷㈦娐钒遄呔€(xiàn)的寬度超過(guò) 0.3 A。您可以使用IPC-2152 nomograph進(jìn)行檢查。這將確定電流和溫升限制所需的PCB走線(xiàn)寬度。

平面連接器，用于通孔組件的散熱

接地層充當散熱器并在整個(gè)電路板上均勻加熱。如果過(guò)孔連接到接地層，散熱焊盤(pán)將從該過(guò)孔移除，以允許熱量流到接地層。這將防止熱量逸出到表面。如果您使用波峰焊將通孔組件連接到板上，這可能會(huì )成為一個(gè)問(wèn)題。你需要熱量才能停留在地表附近。

需要PCB布局的散熱功能，以確?？梢栽诓ǚ搴腹に囍兄圃祀娐钒?。這是指直接連接到平面的通孔組件。當通孔直接連接到平面時(shí)，可能難以維持工藝溫度。因此，建議使用散熱片。熱釋放會(huì )在焊接過(guò)程中減慢散熱到平面的速度，以防止出現冷接點(diǎn)。

設計人員通常會(huì )告訴您對連接到內部電源或接地層的任何通孔或孔使用散熱圖案。這個(gè)建議通常過(guò)于籠統。在將您的電路板投入生產(chǎn)之前，請務(wù)必向您的制造商尋求指導。

#4 - 將事物分開(kāi)

您可以找到PCB布線(xiàn)指南，這些指南將幫助您對組件和跟蹤進(jìn)行分組和分離，從而使您的布線(xiàn)變得簡(jiǎn)單并防止電氣干擾。這些指南對于熱管理也很有用，因為您可能需要分離高功率部件。

分組組件

最好將組件組合在PCB布局中的一個(gè)位置。因為它們可以是電路的一部分，并且只能相互連接，所以沒(méi)有必要將它們放置在不同的側面或區域。PCB布局是一個(gè)設計和布局電路的過(guò)程，以便于將它們與走線(xiàn)連接起來(lái)。

許多布局將同時(shí)具有模擬和數字組件。您應該確保數字組件不會(huì )干擾模擬組件。這是過(guò)去幾十年的做法。然而，現代設計不允許這樣做。這是一種過(guò)時(shí)的設計選擇，可能會(huì )導致 EMI。

相反，在您的組件下方放置一個(gè)完整的平面圖。不要把它分成幾塊。您可以將模擬組件與以相同頻率運行的其他模擬組件保持在一起。將數字組件與其他數字部件放在一起。這可以看作是每個(gè)組件在PCB布局中占據不同的區域。然而，地平面在大多數設計中應該保持不變。

大功率元件的分離

分離在板上產(chǎn)生大量熱量的組件也是一個(gè)好主意。在PCB設計上分離高功率組件是一種平衡溫度并避免產(chǎn)生高溫組件聚集在一起的熱點(diǎn)的方法。為此，您可以先查看組件數據表的“熱阻”額定值，然后根據計算出的散熱量計算溫升。為了降低組件的溫度，可以使用散熱器或冷卻風(fēng)扇。在設計布線(xiàn)策略時(shí)，很難在這些部件的放置與保持走線(xiàn)長(cháng)度之間取得平衡。

#5 - 增強您的PCB設計

當您嘗試將最終部件組合在一起進(jìn)行制造時(shí)，很容易不知所措。它可以通過(guò)雙重和三重檢查來(lái)決定您的制造項目是成功還是失敗。

檢查電氣規則 (ERC)和設計規則 (DRC)是個(gè)好主意，以確保您滿(mǎn)足所有約束條件。這兩個(gè)系統允許您輕松定義間隙、走線(xiàn)寬度和常見(jiàn)的制造要求。這使您可以自動(dòng)化PCB設計審查指南并驗證您的布局。

許多設計過(guò)程要求您在設計過(guò)程的每個(gè)階段運行設計規則檢查。這是為了確保制造過(guò)程順利進(jìn)行。使用正確的軟件進(jìn)行設計，您可以在整個(gè)設計過(guò)程中進(jìn)行檢查。這使您可以快速識別潛在的設計問(wèn)題并在它們變得嚴重之前對其進(jìn)行修復。在您的最終ERC或 DRC沒(méi)有產(chǎn)生任何錯誤后，您可以檢查每個(gè)信號的路由并確認沒(méi)有任何遺漏。您也可以一次通過(guò)原理圖一根線(xiàn)來(lái)確認您的發(fā)現。

這些是我們可以應用于所有電路板設計的頂級PCB設計技巧。這些指南雖然數量不多，但可以作為設計功能性和可制造電路板的一個(gè)很好的起點(diǎn)。這些PCB設計指南只是整體情況的一小部分。但是，它們?yōu)闃嫿ê屠^續改進(jìn)您的設計流程提供了堅實(shí)的基礎。