电路原理第5章制作双面电路板.doc

第5章 制作双面电路板利用PCB印制电路编辑器，可以设计出满足工程实际要求的印制电路板。设计印制电路板的核心有两个：一个是电路板上的元器件布置，另一个是电路板上铜膜导线的布置。对于一个比较复杂的电路板，如果仅凭手工方式布置元器件并连接导线，将是一个非常繁琐的事情，有时甚至是不可能实现的。但是Protel 2004提供了强大的自动布局和自动布线工具，只要参数设置合理，自动布线的连通率可以达到100%,在通过手工调整，一块真正的PCB板印制电路板就可以实现了。51 印制电路板设计的基本原则5.1.1 元件布局对于一块元件数目多、连线复杂的印制板来说，全依靠手工方式完成元件布局耗时多，效果还不一定好（主要是连线未必最短），而采用“自动布局”方式，连线可能最短，但又未必满足电磁兼容性要求，因此一般先按印制板元件布局规则，用手工方式放置好核心元件、输入/输出信号处理芯片、对干扰敏感的元件以及发热量大的功率元件，然后再使用“自动布局”命令放置剩余元件，最后再用手工方式对印制板上个别元件位置做进一步调整。总之，印制板元件布局对电路性能影响很大，绝对不能马虎。尽管印制板形状及结构很多、功能各异，元件数目、类型也各不相同，但印制板元件布局还是有章可循的。 元件位置安排的一般原则。在PCB设计中，如果电路系统同时存在数字电路、模拟电路以及大电流回路，则必须分开布局，使各系统之间耦合达到最小。在同一类型电路（指均是数字电路或模拟电路）中，按信号流向及功能，分块、分区放置元器件。输入信号处理元件、输出信号驱动元件应尽量靠近印制电路板边框，使输入/输出信号走线尽可能短，以减少输入/输出信号可能受到的干扰。 元件离印制板机械边框的最小距离必须大于2以上，如果印制板安装空间允许的话，最好保留510。 元件放置方向。在印制板上，元件只能沿水平和垂直两个方向排列，否则不利于插件。对于竖直安装的印制电路板，当采用自然对流冷却方式时，集成电路芯片最好竖直放置，发热量大的元件要放在印制板的最上方；当采用散热风扇强制冷却时，集成电路芯片最好水平放置，发热量大的元件要放在风扇直接吹到的位置。 元件间距。对于中等布线密度印制板，小元件，如小功率电阻、电容、二极管、三极管等分立元件彼此间的间距与插件、焊接工艺有关：当采用自动插件和波峰焊接工艺时，元件之间的最小距离可以取50100mil(即1.272.54)；而当采用手工插件或手工焊接时，元件间距要大一些，如取100mil或以上，否则会因元件排列过于紧密，给插件、焊接操作带来不便。对与大尺寸元件，如集成电路芯片，元件间距一般为100150mil。对于高密度印制板，可适当减小元件间距。总之，元件间距要适当，如果间距太小，除了不利于插件、焊接操作外，也不利于散热。对于发热量大的功率元件，元件间距要足够大，以利于大功率元件散热，同时也避免了大功率元件间通过热辐射相互加热，以保证电路系统的热稳定性。当元件间距电位差较大时，元件间距应足够大，以免出现放电现象，造成电路无法工作或损坏器件；带高压元件应尽量远离整机调试时手容易触及的部位，避免发生触电事故。但元件间距也不能太大，否则印制板面积会迅速增大，除了增加成本外，还会使连线长度变长，造成印制导线寄生电容、电阻、电感等增大，使系统抗干扰能力变差。 热敏元件要尽量远离大功率元件。 电路板上重量较大的元件应尽量靠近印制电路板支撑点，使印制电路板翘曲度降至最小。如果电路板不能承受，则可把这类元件移出印制板，安装到机箱内特制的固定支架上。 对于需要调节的元件，如电位器、微调电阻、可调电感等的安装位置应充分考虑整机结构要求：对于需要机外调节的元件，其安装位置与调节旋钮在机箱面板上的位置要一致：对于机内调节的元件，其放置位置以打开机盖后即可方便调节为原则。 在布局时IC去耦电容要尽量靠近IC芯片的电源和地线引脚，否则滤波效果会变差。在数字电路中，为保证数字电路系统工作可靠，在每一数字集成电路芯片（包括门电路和抗干扰能力较差的CPU、RAM、ROM芯片）的电源和地之间均需要放置IC去耦电容。一方面，IC去耦电容是该数字IC芯片的蓄能电容，它吸收了该集成块内有关门电路开、关瞬间引起电源波动而产生的尖峰脉冲，避免尖峰脉冲影响系统中的其他元件；另一方面去耦电容也滤除了叠加在电源上的干扰信号，避免通过电源线干扰IC内部单元电路。去耦电容一般采用瓷片电容或多层瓷片电容，容量为0.010.1F,对于容量为0.1F的瓷片电容，寄生电感为5nH，共振频率约为7MHz，可以滤除10 MHz以下的高频干扰信号。IC去耦电容容量选择并不严格，一般按系统工作频率f的倒数选择，例如，对于工作频率为10MHz的电路系统，去耦电容C取1/f，即0.1F。另一方面，为了提高电路的抗干扰能力，每10块中小功率数字IC，增加一个10F的蓄能电容。原则上在每一数字IC芯片的电源和地线间都要加接一个0.010.1F的瓷片电容，在中高密度印制板上，没有条件给每一块数字IC增加去耦电容时，也要保证每4块芯片加一个去耦电容；此外，在电路板电源入口处的电源线和地线间也需加接一个10F左右的电解电容（最好不要用铝电容，原因是铝电容由两层铝箔片卷成，寄生电感大，高频特性差，不能有效滤除电源中的高频干扰信号）以及一个0.01F的瓷片电容。 时钟电路元件尽量靠近CPU时钟引脚。数字电路，尤其是单片机控制系统中的时钟电路，最容易产生电磁辐射，干扰系统内其他元器件。因此，布局时，时钟电路元件应尽可能靠在一起，且尽可能靠近单片机芯片时钟信号引脚，以减少时钟电路的连线长度。如果时钟信号需要接到电路板外，则时钟电路应尽可能靠近电路板边缘，使时钟信号引出线最短；如果不需引出，可将时钟电路放在印制板中心。51.2 PCB电路板布线PCB电路板布线的基本原则是：（1）印制导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过他们的电路值决定。当铜箔厚度为0.05mm，宽度为115mm时，通过2A的电流，温度高于3oC，因此导线宽度为1.5mm可满足要求。对于集成电路，尤其是数字电路，通常选0.020.3mm导线宽度。（2）输入/输出端用的导线应尽量避免相邻平行。最好加粗间地线，以免发生反馈耦合。只要允许，还是尽可能用宽线，尤其是电源线和地线。（3）导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定，以免发生反馈耦合。只要允许，还是尽可能用宽线，尤其是电源和地线。（3）导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路，尤其是数字电路，只要工艺允许，可使间距小至58mm。（4）印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外，尽量避免使用大面积铜箔，否则，长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象，必须大面积使用铜箔时，最好用栅格状，这样有利于排出铜箔与基板间拈合剂受热产生的挥发性气体。513 PCB电路板的焊盘 焊盘中心孔要比其他器件引线直径稍微大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径D一般不小于（d+1.2）mm，其中d为引线孔径。对高密度的数字电路，焊盘最小直径可取(d+1.0)mm。534 电磁兼容性设计电磁兼容性是指电子设备在各种电磁环境中仍能够协调、有效地进行工作的能力。电磁兼容性设计的目的是使电子设备既能抑制各种外来的干扰，使电子设备在特定的电磁环境中能够正常工作，同时又能减少电子设备本身对其他电子设备的电磁干扰。（1） 选择合理的导线宽度由于瞬时电流在印制线条上所产生的冲击干扰主要是由印制导线的电感成分造成的。因此应尽量减少印制导线的电感量。印制导线的电感量与其长度成正比，与其宽度成反比，因而短而精的导线对抑制干扰是有利的。时钟引线、行驱动器或总线驱动器的信号线常常载有大的瞬时电流，印制导线要尽可能地短，对于分立元件电路，印制导线宽度在1.5mmm左右时，即可完全满足要求；对于集成电路，印制导线宽度可在0.21.0mm之间选择。（2） 采用正确的布线策略 采用平等走线可以减少导线电缆，但导线之间的互感和分布电容增加，如果布局允许，最好采用井字形网状布线结构，具体做法是印制板的一面横向布线，另一面纵向布线，然后在交叉孔处用金属化过孔相连。为了抑制印制板导线之间的串扰，在设计布线时应该尽量避免长距离的平等走线，尽量能拉开线与线之间的距离，信号线与地线及电源线尽可能不交叉。在一些对于干扰十分敏感的信号线之间设置一根接地的印制线，可以有效地抑制串扰。（3） 抑制反射干扰为了抑制出现在印制线条终端的反射干扰，除了特殊需要之外，应尽可能缩短印制线的长度和采用慢速电路、必要时可加终端匹配，即在传输线的末端对地和电源端各加接一个相同阻值的匹配电阻。根据经验，对一般速度较块的TTL、电路，其中印制线条长于10cm以上时就应采用终端匹配措施。匹配电阻的阻值应根据集成电路的输出驱动电流及吸收电流的最大值来决定。535 去耦电容配置 PCB设计的常规做法之一是在印制板的各个关键部位配置适当的去耦电容。去藕电容的一般配置原则是：（1）电源输入端跨接10100uF的电解电容器。如有可能100uF以上的更好。（2）原则上每个集成电路芯片都应该布置一个0.01pF的瓷片电容，如遇印制板空隙不够，可以每45个芯片布置一个110p的钽电容。（3）对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如RAM、ROM存储器，应该在芯片的电源线和地线之间直接接入退耦电容。（4）电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。此外，还应该注意以下几点：（1）在印制电路板中有接触器、继电器、按钮等元件时，操作它们时均会产生较大火花放电，必须采用RC电路来吸收放电电流。一般R取12Kd,C取2.24.7uF。（2）CMOS的输入阻抗很高，且易受感应，因此在使用时对不用端要接地或接正电源，在电路板设计过程中，经常使用排阻作为上拉或下拉。排阻的公共端接电源或地线，在实际使用过程中发现，如果排阻值较大则通过公用端耦合会引起误动作，排阻值较小则增加系统共好。因此，排阻阻值要慎选，公共端接线或电源线要粗，最好有去藕电容。536 高频电路中的电路板设计数字器件正朝着高速、低耗、小体积、高抗干扰性的方向发展，这一趋势对印制电路板的设计提出了很多要求，Protel 2004软件在国内的应用已相当普遍，然而，不少设计者仅仅关注于Protel 2004软件的“布通率”，对Protel 2004软件为适当器件特性的变化所做的改进并未用于设计中，这不仅使软件资源浪费严重，更使得很多新器件的优异性难以发挥。本问拟在简介高频电路布线一般要求的同时，以Protel 2004软件作为例来介绍一下高频电路布线时Protel 2004软件能提供的一些特殊对策。（1）高频电路往往集成度较高，布线密度大，采用多层板既是布线必需的，也是降低干扰的有效手段。Protel 2004能提供16个铜线层和4个电源层，合理选择层数能大幅度降低印制板尺寸，能充分利用中间层来设置屏蔽，能更好地实现就近接地，能有效地降低寄生电感，能有效缩短信号的传输长度，能大幅度地降低信号间的交叉干扰等，所有这些都对高频电路的可靠工作有利。有资料显示，同种材料时，四层板要比双面板的噪声低20dB。但是，板层数越高，制造工艺越复杂，成本越高。（2）高速电路器件引脚间的引线玩折越少越好。高频电路布线的引线最好采用全直线，需要转折，可以用450折线或圆弧转折，这种要求在低频电路中仅仅用于提高铜箔的固有强度， 而在高频电路中，满足这一要求却可以减少高频信号对外的发射和相互间的耦合。（4） 高频电路器件中引脚间的引线层间交替越少越好。所谓“引线的层间交替越少越好”是指元件连接过程中所用的过孔（Via）越少越好，据测，一个过孔可带来约0.5pF的分布电容，减少过孔数量能显著提高速度。（5） 高频电路布线要注意信号线近距离平行走线所引入的“交叉干扰”，若无法避免平行分布，可在平行信号线的反面布置大面积“地”来大幅度减少干扰。同一层内的平行走线几乎无法避免，但是在相邻的两个层，走线的方向务必取为相互垂直，这在Protel 2004中不难办到但却不容易忽视。在高频电路布线中最好在相邻层分别取水平和垂直布线交替进行。同一层内的平行走线无法避免，但可以在印制反面大面积敷设地线来降低干扰（这是常用的双面板而言，多层板可利用中间的电源层来实现这一功能），（6） 对特别重要的信号线或局部单元实施地线包围的措施。该措施在Protel 2004软件中也能自动实现。利用此功能，可以自动地对所选定的重要信号线进行所谓的“包地”处理，当然，把此功能用于时钟等单元布局进行包地处理对高速系统也将非常有益。（7） 各类信号走线的走线原则除了前面所讲的最短化原则外，还有基于X方向、基于Y方向和菊花状（daisy）走线方式，采用菊花状走线能有效避免布线时形成环路。（8） 每个集成电路块的附近应设置一个高频去藕电容。由于Protel 2004软件在自动放置元件时并不考虑去藕电容与被去藕的集成电路间的位置关系，任由软件放置，使两者相距太远，去藕效果大打折扣，这时必须用于手工移动元件的办法事先干预两者位置， 使之靠近。（9） 模拟地线、数字地线等接往公共地线时要用高频扼流环节。在实际装配高频蛾流环节时用的往往是中心孔穿有导线的高频铁氧体磁珠，在电路原理图上对它一般不予表达，由此形成的网络表就不包含这类元件，布线时就会因此而忽视它的存在。针对此现实，可在原理图中把它当作电感，在PCB元件库中单独为它定义一个元件封装，布线前把它手工移动到靠近公共地线汇合点的合适位置上。为了避免高频信号通过印制导线时产生的电磁辐射，在印制电路板布线时，还应注意以下几点：u 尽量减少印制导线的不连续性，例如导线宽度不要突变，导线的拐角应大于900，禁止环状走线等。u 时钟信号引线最容易产生电磁辐射干扰，走线时应与地线回路相靠近，驱动器应紧挨着连接器。u 总线驱动器应紧挨其欲驱动的总线。对于那些离开印制电路板的引线，驱动器应紧挨着连接器。u 数据总线的布线应每两根信号线之间夹一根信号地线。最好是紧挨着最不重要的地址引线放置地回路，因为后者常载有高频电流。54 自动布线参数设置执行Design/Rules命令，显示如图5-11所示的PCB Rules and Constrains Editor对话框。图5-11 PCB Rules and Constrains Editor对话框在PCB Rules and Constrains Editor对话框中，将PCB的设计规则分成10大类，包括了设计过程中的电气特性、布线和测试等方面。这些参数可根据具体情况进行设置，也可直接使用默认值。541 Electrical 规则展开图5-11中Electrical树形结构目录菜单，共有以下几个规则。(1) 设置Clearance（允许安全间距）安全间距（即同一层面上两个图元之间所允许的最小间距。各项规则名称在Electrical下是以树形结构展开，单击Electrical展开目录下的Clearance，在PCB Rules and Constraints Editor对话框右边区域将显示Clearance规则使用的范围和约束特性，如图5-12所示。系统默认情况下整个电路板中的安全间距为10mil（0.254mm）。图5-12 Clearance规则Where the First object matches选项组和Where the Second object matches选项组用于设置规则的使用范围。Constraints选项中的Minimum Clearance文本框用于设置约束特性。设置规则使用范围中各选项的意义。u All:当前规则对全部网络有效。u Net:当前规则对某个指定网络有效。u Net Class：当前规则对指定网络分组有效。u Layer:当前规则对指定网络分组有效。u Net and Layer:当前规则对某个指定网络和指定的工作层面有效。u Advanced：高级设置选项。系统默认只有一个Clearance的安全距离规则设置，当要增加新的规则时，用鼠标选择Clearance，单击鼠标右键并执行New Rules命令。当PCB设计中同时存在两个Clearance规则时，必须设置它们之间的优先权。(2) 设置Short-Circuit（短路规则设定）短路规则表达的是两个物体之间的连接关系。单击Electrical展开目录下的ShortCircuit,在PCB Rules and Constraints Editor对话框右区域将显示ShortCircuit规则设置对话框，如图5-135所示,系统默认设置为不允许短路，如选中Constraints选项中的Allow Short Circuit复选框，则允许短路。图5-13 Short-Circuit（短路规则设定）设置对话框（3） 设置Un-Routed Net(未布线网络规则)未布线网络规则表达的是同一个网络之间的连接关系。单击Electrical展开目录下的Un-Routed Net，在PCB Rules and Constraints Editor对话框右边区域将显示UnRoutedNet规则设置对话框，如图5-14所示。UnRoutedNet规则用于检查指定范围内的网络是否成功布线，如果网络中有布线不成功的，该网络中已布的导线将保留，没有成功的布线将保持飞线。图5-14 Un-Routed Net(未布线网络规则)设置对话框（4）设置Un-Connected Pin（未连引脚规则）未连接引脚规则设置如图5-15示，此规则用来检测PCB板中是否有未连接的引脚。当增加这条规则时只要在规则作用域定义即可。图5-15 UnConnected Pin规则设置对话框5.4.2 Routing 规则展开图5-11中Routing树形结构目录菜单，此类规则设置主要和布线有关，共分以下几个规则。(1) Width（布线宽度）Width主要用于设置布线时的导线宽度。单击Routing展开目录下的Width，在PCB Rules and Constraints Editor对话框右边区域将显示Width规则设置对话框，如图5-16所示。可分别在Minimum文本框中设置最小走线宽度，在Maximum文本框中设置最大走线宽度。图5-16 Width 规则设置对话框(2) Routing Topology(拓扑规则)Routing Topolopy主要用于定义布线的拓扑结构，单击Routing展开RoutingTopolopy,在PCB Rules and Constraints Editor对话框右边框将显示RoutingTopolopy规则设置对话框，如图5-17所示。图5-17 RoutingTopolopy规则设置对话框u Shortest(连线最短)这种拓扑方式连接所有的节点，使整体连接长度最短。u Horizontal(水平)这种拓扑方式把所有的节点连在一起，以5：1的水平最短和垂直最短使水平更可取。用这种方式强制水平布线。u Vertical(垂直)这钟拓扑方式把所有的节点连在一起，以5：1的垂直最短和水平最短更可取。用这种方法强制垂直布线。u Daisy-Simple(简易链)这种拓扑方式把所有的节点一个接一个地链在一起。他们链接的次序决定于整体长度最短的那种。如果起始焊盘和终结焊盘被指定了，所有其他的焊盘在它们之间被串成了一条链，并使总长度尽可能短。编辑一个焊盘并把它设置为起始点或总结点。如果多个起始点（或总结点）被指定了，在每一个的末端它们将被链在一起。u Daisy-MidDriven(中间驱动) 这种拓扑方式把其始节点放在Daisy链的中间。先把节点分成相等的两段，再把它们分别链在一起，但任一边的起始节点不要连起来。这需要两个终结点，每段一个。多哥其始节点在中间链在一起。 如果没有两个终结点，那它就是一个简单的Daisy拓扑。u Daisy-Balanced(平衡)这种拓扑先把所有的节点分成相等的几段，链的数目等于终结点的数目。然后把这些链都连到起始点形成一个平衡结构。多个起始点都被链在一起。u Star(星形)这种拓扑把每个节点都直接连到起始节点。如果终结点存在，它们被连到每个节点之后，多个起始节点被链在一起，就象Daisy-Balanced拓扑一样。注：根据自己的设计需求，在下拉列表中选择适宜的拓扑连接方式，应用到相应的对象上。(3) Routing Priority(布线优先级)Routing Priority主要用于设置布线优先次序。单击Routing展开目录下的RoutingPriority,在PCB Rules and Constraints Editor对话框右边区域将显示RoutingPriority对话框，如图5-18所示。图5-18 RoutingPriority对话框Protel 2004提出了一个布线优先权的概念，即程序允许用户设定网络布线的顺序，先布线的网络的优先权比后布线的网络的优先权高。其中提供了0代表的优先权最低，数字100代表的优先权最高。(4) Routing Layers(布线工作层)Routing Layers主要用于设置布线的工作层面及各布线层面上走线方向。单击Routing展开目录，在PCB Rules and Constraints Editor对话框右边区域将显示RoutingLayers对话框，如图5-19所示。图5-19 RoutingLayers对话框u 此规则规定在自动布线过程中所使用的层，以及各层的走线方式。默认状态为顶层和底层分别设置为Horizontal(水平)和Vertical（垂直）布线趋势，中间信号层为Not Used。规则应用范围设置同其他的规则设置。 一般在双面板设计中均可采用默认设置。u 在Constraints选项组中，设置层是否使用，以哪种方式布线。在层名所对应的下拉列表框中，在以下选项：u NotUsed:表明该层在自动布线时不布线。(5) Routing Corners(布线拐角模式)Routing Corners主要用于定义布线时拐角的形状及最大和最小的允许尺寸。单击Routing展开目录下的RoutingCorners，在PCB Rules and Constraints Editor对话框右边区域将显示RoutingCorners对话框，如图5-20所示。系统提供3种模式，它们是90Degrees、45Degrees和Rounded，一般取系统默认值，即45Degrees。图5-20 RoutingCorners对话框 (6) Routing Via Style(过孔样式)Routing Via Style用于设置自动布线过程中使用的过孔的最大和最小尺寸。单击Routing展开目录下的Routing Via Style，在PCB Rules and Constraints Editor对话框右边区域将显示RoutingViaStyle对话框，如图5-21所示。图5-21 RoutingViaStyle对话框（7）Fanout Control（扇出控制规则）Fanout Control用于设置SMD扇出式布线控制。单击Routing展开目录下的Fanout Control,在PCB Rules and Contraints Editor对话框右边区域将显示如图5-24所示FanoutControl对话框。系统默认设置了6种扇出式布线控制规则，大多数情况下可以采用采用默认设置。图5-22 FanoutControl对话框563 SMT封装规则（1）SMT To Corner(SMD焊盘引线长度)展开图5-11中SMT树形结构目录菜单，单击SMT展开目录下的SMTToCorner,在PCB Rules and Constraints Editor对话框右边区域将显示如图5-25所示的SMDToCorner对话框。SMD To Corner用于设置SMD焊盘与导线拐角之间的最小距离。图5-23 SMDToCorner设置对话框（2）SMD To Plane(SMD与内地层连接)SMD To Plane用于设置SMD与Plane(内地层)的焊盘或导线之间的距离， 如图5-24所示。图5-24 SMDToPlane设置对话框（3）SMD Neck-Down(SMD的瓶颈限制)该选项定义SMD的瓶颈限制，即SMD的焊盘宽度与引出导线宽度的百分比，如图5-25所示。图5-25 SMDNeckDown设置对话框564 Mask 规则展开图5-11中Mask树形结构目录菜单，共有以下两个规则。（1）Solder Mask Expansion(阻焊层规则)Solder Mask Expansion 用于设置阻焊层收缩宽度，即阻焊层中的焊盘孔比焊盘要大多少，单击Mask展开目录下的SolderMaskExpansion，在PCB Rules and Constraints Editor话框右边区域将显示如图5-26所示的SolderMaskExpansion对话框。图5-26 SolderMaskExpansion 对话框（2）Paste Mask Expansion(助焊层规则)Paste Mask Expansion用于设置助焊层收缩宽度，即SMD焊盘与钢摸板（锡膏层焊盘孔之间的距离。单击Mask展开目录下的PasteMaskExpansion,在PCB Rules and Constraint