幾條很接地氣的PCB設(shè)計(jì)指南
2021-11-27
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在開始新設(shè)計(jì)時(shí)，因?yàn)閷⒋蟛糠謺r(shí)間都花在了電路設(shè)計(jì)和元件的選擇上，在PCB布局布線階段往往會(huì)因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)不足，考慮不夠周全。
如果沒有為PCB布局布線階段的設(shè)計(jì)提供充足的時(shí)間和精力，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)從數(shù)字領(lǐng)域轉(zhuǎn)化為物理現(xiàn)實(shí)的時(shí)候，在制造階段出現(xiàn)問題，或者在功能方面產(chǎn)生缺陷。
那么設(shè)計(jì)一個(gè)在紙上和物理形式上都真實(shí)可靠的電路板的關(guān)鍵是什么？讓我們探討設(shè)計(jì)一個(gè)可制造，功能可靠的PCB時(shí)需要了解的前6個(gè)PCB設(shè)計(jì)指南。
1、微調(diào)您的元件布置
PCB布局過程的元件放置階段既是科學(xué)又是藝術(shù)，需要對(duì)電路板上可用的主要元器件進(jìn)行戰(zhàn)略性考慮。雖然這個(gè)過程可能具有挑戰(zhàn)性，但您放置電子元件的方式將決定您的電路板的制造難易程度，以及它如何滿足您的原始設(shè)計(jì)要求。
雖然存在元件放置的常規(guī)通用順序，如按順序依次放置連接器，印刷電路板的安裝器件，電源電路，精密電路，關(guān)鍵電路等，但也有一些具體的指導(dǎo)方針需要牢記，包括：
取向- 確保將相似的元件定位在相同的方向上，這將有助于實(shí)現(xiàn)高效且無差錯(cuò)的焊接過程。
布置- 避免將較小元件放置在較大元件的后面，這樣小元件有可能受大元件焊接的影響而產(chǎn)生裝貼問題。
組織- 建議將所有表面貼裝（SMT）元件放置在電路板的同一側(cè)，并將所有通孔（TH）元件放置在電路板頂部，以盡量減少組裝步驟。
最后還要注意的一條PCB設(shè)計(jì)指南 - 即當(dāng)使用混合技術(shù)元件（通孔和表面貼裝元件）時(shí)，制造商可能需要額外的工藝來組裝電路板，這將增加您的總體成本。
良好的芯片元件方向（左）和不良的芯片元件方向（右）
良好的元件布置（左）和不良元件布置（右）
2、合適放置電源，接地和信號(hào)走線
放置元件后，接下來可以放置電源，接地和信號(hào)走線，以確保您的信號(hào)具有干凈無故障的通行路徑。在布局過程的這個(gè)階段，請記住以下一些準(zhǔn)則：
1)、定位電源和接地平面層
始終建議將電源和接地平面層置于電路板內(nèi)部，同時(shí)保持對(duì)稱和居中。這有助于防止您的電路板彎曲，這也關(guān)系到您的元件是否正確定位。
對(duì)于給IC供電，建議為每路電源使用公共通道，確保有堅(jiān)固并且穩(wěn)定的走線寬度，并且避免元件到元件之間的菊花鏈?zhǔn)诫娫催B接。
2）、信號(hào)線走線連接
接下來，按照原理圖中的設(shè)計(jì)情況連接信號(hào)線。建議在元件之間始終采取盡可能短的路徑和直接的路徑走線。
如果您的元件需要毫無偏差地固定放置在水平方向，那么建議在電路板的元件出線的地方基本上水平走線，而出線之后再進(jìn)行垂直走線。
這樣在焊接的時(shí)候隨著焊料的遷徙，元件會(huì)固定在水平方向。如下圖上半部分所示。而下圖下半部分的信號(hào)走線方式，在焊接的時(shí)候隨著焊料的流動(dòng)，有可能會(huì)造成元件的偏轉(zhuǎn)。
建議的布線方式 (箭頭指示焊料流動(dòng)方向)
不建議的布線方式 (箭頭指示焊料流動(dòng)方向)
3）、定義網(wǎng)絡(luò)寬度
您的設(shè)計(jì)可能需要不同的網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)將承載各種電流，這將決定所需的網(wǎng)絡(luò)寬度。考慮到這一基本要求，建議為低電流模擬和數(shù)字信號(hào)提供0.010’’(10mil）寬度。當(dāng)您的線路電流超過0.3安培時(shí)，它應(yīng)該進(jìn)行加寬。這里有一個(gè)免費(fèi)的線路寬度計(jì)算器，使這個(gè)換算過程變得簡單。
3、有效隔離
您可能已經(jīng)體驗(yàn)到電源電路中的大電壓和電流尖峰如何干擾您的低壓電流的控制電路。要盡量減少此類干擾問題，請遵循以下準(zhǔn)則：
隔離 - 確保每路電源都保持電源地和控制地分開。如果您必須將它們在PCB中連接在一起，請確保它盡可能地靠近電源路徑的末端。
布置 - 如果您已在中間層放置了地平面，請確保放置一個(gè)小阻抗路徑，以降低任何電源電路干擾的風(fēng)險(xiǎn)，并幫助保護(hù)您的控制信號(hào)。可以遵循相同的準(zhǔn)則，以保持您的數(shù)字和模擬的分開。
耦合 - 為了減少由于放置了大的地平面以及在其上方和下方走線的電容耦合，請嘗試僅通過模擬信號(hào)線路交叉模擬地。
元件隔離示例（數(shù)字和模擬）
4、解決熱量問題
您是否曾因熱量問題而導(dǎo)致電路性能的降低甚至電路板損壞？由于沒有考慮散熱，出現(xiàn)過很多問題困擾許多設(shè)計(jì)者。這里有一些指導(dǎo)要記住，以幫助解決散熱問題：
1）、識(shí)別麻煩的元件
第一步是開始考慮哪些元件會(huì)耗散電路板上的最多熱量。這可以通過首先在元件的數(shù)據(jù)表中找到“熱阻”等級(jí)，然后按照建議的指導(dǎo)方針來轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的熱量來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，可以添加散熱器和冷卻風(fēng)扇以保持元件溫度下降，并且還要記住使關(guān)鍵元件遠(yuǎn)離任何高熱源。
2）、添加熱風(fēng)焊盤
添加熱風(fēng)焊盤對(duì)于生產(chǎn)可制造的電路板非常有用，它們對(duì)于高銅含量元件和多層電路板上的波峰焊接應(yīng)用至關(guān)重要。由于難以保持工藝溫度，因此始終建議在通孔元件上使用熱風(fēng)焊盤，以便通過減慢元件管腳處的散熱速率，使焊接過程盡可能簡單。
作為一般準(zhǔn)則，始終對(duì)連接到地平面或電源平面的任何通孔或過孔使用熱風(fēng)焊盤方式連接。除了熱風(fēng)焊盤外，您還可以在焊盤連接線的位置添加淚滴，以提供額外的銅箔/金屬支撐。這將有助于減少機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力。
典型的熱風(fēng)焊盤連接方式
5、熱風(fēng)焊盤科普
許多工廠內(nèi)負(fù)責(zé)制程(Process)或是SMT技術(shù)的工程師經(jīng)常會(huì)碰到電路板元件發(fā)生空焊(solder empty)、假焊(de-wetting)或冷焊(cold solder)等等這類焊不上錫(non-wetting)的不良問題，不論制程條件怎么改或是回流焊的爐溫再怎么調(diào)，就是有一定焊不上錫的比率。這究竟是怎么回事？
撇開元件及電路板氧化的問題，究其根因后發(fā)現(xiàn)有很大部分這類的焊接不良其實(shí)都來自于電路板的布線(layout)設(shè)計(jì)缺失，而最常見的就是在元件的某幾個(gè)焊腳上連接到了大面積的銅皮，造成這些元件焊腳經(jīng)過回流焊后發(fā)生焊接不良，有些手焊元件也可能因?yàn)橄嗨魄樾味斐杉俸富虬傅膯栴}，有些甚至因?yàn)榧訜徇^久而把元件給焊壞掉。
一般PCB在電路設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常需要鋪設(shè)大面積的銅箔來當(dāng)作電源(Vcc、Vdd或Vss)與接地(GND，Ground)之用。這些大面積的銅箔一般會(huì)直接連接到一些控制電路(IC)及電子元件的管腳。
不幸的是如果我們想要將這些大面積的銅箔加熱到融錫的溫度時(shí)，比起獨(dú)立的焊墊通常需要花比較多的時(shí)間（就是加熱會(huì)比較慢），而且散熱也比較快。當(dāng)這樣大面積的銅箔布線一端連接在小電阻、小電容這類 小元器件，而另一端不是時(shí)，就容易因?yàn)槿阱a及凝固的時(shí)間不一致而發(fā)生焊接問題；如果回流焊的溫度曲線又調(diào)得不好，預(yù)熱時(shí)間不足時(shí)，這些連接在大片銅箔的元件焊腳就容易因?yàn)檫_(dá)不到融錫溫度而造成虛焊的問題。
人工焊接（Hand Soldering）時(shí)，這些連接在大片銅箔的元件焊腳則會(huì)因?yàn)樯崽欤鵁o法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成焊接。最常見到的不良現(xiàn)象就是包焊、虛焊，焊錫只有焊在元件的焊腳上而沒有連接到電路板的焊盤。從外觀看起來，整個(gè)焊點(diǎn)會(huì)形成一個(gè)球狀；更甚者，作業(yè)員為了要把焊腳焊上電路板而不斷調(diào)高烙鐵的溫度，或是加熱過久，以致造成元件超過耐熱溫度而毀損而不自知。如下圖所示。
包焊、冷焊或虛焊
既然知道了問題點(diǎn)就可以有解決的方法，一般我們都會(huì)要求采用所謂Thermal Relief pad（熱風(fēng)焊墊）設(shè)計(jì)來解決這類因?yàn)榇笃~箔連接元件焊腳所造成的焊接問題。如下圖所示，左邊的布線沒有采用熱風(fēng)焊盤，而右邊的布線則已經(jīng)采用了熱風(fēng)焊盤的連接方式，可以看到焊盤與大片銅箔的接觸面積只剩下幾條細(xì)小的線路，這樣就可以大大限制焊墊上溫度的流失，達(dá)到較佳的焊接效果。
采用Thermal Relief pad（熱風(fēng)焊墊）對(duì)比
6、檢查您的工作
當(dāng)您馬不停蹄地哼哧哼哧地將所有的部分組合在一起進(jìn)行制造時(shí)，很容易在設(shè)計(jì)項(xiàng)目結(jié)束時(shí)才發(fā)現(xiàn)問題，不堪重負(fù)。因此，在此階段對(duì)您的設(shè)計(jì)工作進(jìn)行雙重和三重檢查可能意味著制造是成功還是失敗。
為了幫助完成質(zhì)量控制過程，我們始終建議您從電氣規(guī)則檢查（ERC）和設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC）開始，以驗(yàn)證您的設(shè)計(jì)是否完全滿足所有的規(guī)則及約束。使用這兩個(gè)系統(tǒng)，您可以輕松進(jìn)行間隙寬度，線寬，常見制造設(shè)置，高速要求和短路等等方面的檢查。
當(dāng)您的ERC和DRC產(chǎn)生無差錯(cuò)的結(jié)果時(shí)，建議您檢查每個(gè)信號(hào)的布線情況，從原理圖到PCB，一次檢查一條信號(hào)線的方式仔細(xì)確認(rèn)您沒有遺漏任何信息。另外，使用您的設(shè)計(jì)工具的探測和屏蔽功能，以確保您的PCB布局材料與您的原理圖相匹配。
仔細(xì)檢查您的設(shè)計(jì)，PCB和約束規(guī)則
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