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电子工程师,如何风度翩翩的进行PCB布线?

作为一名电子工程师,电子产品的小型化和系统设计的复杂性使得PCB设计越来越复杂。如今高度集成化的使得电路板越来越小,封装器件的管脚越来越密,这些都给布线带来了巨大的压力。

布线作为PCB设计过程的重中之重,这将直接影响PCB板的性能好坏,设计过程也最繁琐,要求更高。虽然现在很多高级的EDA工具提供了自动布线功能,而且也相当智能化,但是自动布线并不能保证100%的布通率。因此,很多工程师对自动布线的结果并不满意,手工布线现在还是大部分工程师的选择,通过进行电器规则约束布线,以达到信号完整性的要求。


在PCB的设计过程中,布线可以大致划分为三种境界:
第一是布通,这也是PCB设计最基础的要求。线路不通,那么板子的基础作用都没有,那就是一块废板,更不用提别的了。 第二是性能,这是衡量一块印刷电路板好坏的标准。布线完成,就要考虑如何达到最佳性能,避免出现各种的干扰。 第三是美观,线路通畅,性能优异,但是画面很美你却不敢看的话就应该考虑如何把杂乱无章的线路进行美化。布线整齐划一,也可以为以后的测试和维修带来极大的方便,这也是高级工程师所应具备的基本素质。

布线远远没有想象中的那样简单,也不仅仅是简单的工作,但如果把布线当做一项艺术去完成时,会有不一样的收获。有图有真相,让我们一同感受下新手与高手的布线差别吧。



那么如何优雅的布线呢?布线的方式可以千差万别,为了在布线时避免输入端与输出端的边线相邻平行而产生反射干扰和两相邻布线层互相平行产生寄生耦合等干扰而影响线路的稳定性,甚至在干扰严重时造成电路板根本无法工作,布线时需要考虑诸多因素的影响,现在就给大家安利一下PCB布线的规则。

 

3W规则 


这里3W是线与线之间的距离保持3倍线宽。你说3H也可以。但是这里H指的是线宽度。不是介质厚度。为了减少线间串扰,应保证线间距足够大,如果线中心距不少于3倍线宽时,则可保持70%的线间电场不互相干扰,称为3W规则。如要达到98%的电场不互相干扰,可使用10W规则。

 


20H规则

  "20H规则"的采用是指要确保电源平面的边缘要比0V平面边缘至少缩入相当于两个平面间层距的20倍。是指电源层相对地层内缩20H的距离,当然也是为抑制边缘辐射效应。在板的边缘会向外辐射电磁干扰。将电源层内缩,使得电场只在接地层的范围内传导。以一个H(电源和地之间的介质厚度)为单位,若内缩20H则可以将70%的电场限制在接地层边沿内;内缩100H则可以将98%的电场限制在内。


五五规则


印制板层数选择规则,即时钟频率到5MHz或脉冲上升时间小于5ns,则PCB板须采用多层板,这是一般的规则,有的时候出于成本等因素的考虑,采用双层板结构时,这种情况下,最好将印制板的一面做为一个完整的地平面层。

 


电源、地线规则


电源与底线的干扰直接影响着产品的性能好坏,所以电源、地线的布线应当力求把产生的噪声干扰减小到最低,以保证产品的质量。对每个从事电子产品设计的工程人员来说都明白地线与电源线之间噪音所产生的原因,现只对降低式抑制噪音作以表述: 众所周知的是在电源、地线之间加上去耦电容。尽量加宽电源、地线宽度,最好是地线比电源线宽,它们的关系是:地线>电源线>信号线,通常信号线宽为:0.2~0.3mm,最经细宽度可达0.05~0.07mm,电源线为1.2~2.5 mm 对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路, 即构成一个地网来使用(模拟电路的地不能这样使用) 用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。或是做成多层板,电源,地线各占用一层。


信号线布在电(地)层规则

 

在多层印制板布线时,由于在信号线层没有布完的线剩下已经不多,再多加层数就会造成浪费也会给生产增加一定的工作量,成本也相应增加了,为解决这个矛盾,可以考虑在电(地)层上进行布线。首先应考虑用电源层,其次才是地层。因为最好是保留地层的完整性。


数字电路与模拟电路的共地规则


现在PCB大多由数字电路和模拟电路组成,布线时应考虑相互之间的干扰问题,特别是地线上的噪声干扰。数字电路的频率高,模拟电路的敏感度强,对信号线来说,高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件,对地线来说,整人PCB对外界只有一个结点,所以必须在PCB内部进行处理数、模共地的问题,而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的它们之间互不相连,只是在PCB与外界连接的接口处(如插头等)。数字地与模拟地有一点短接,请注意,只有一个连接点。也有在PCB上不共地的,这由系统设计来决定。

 

大面积导体中连接腿的处理规则


在大面积的接地(电)中,常用元器件的腿与其连接,对连接腿的处理需要进行综合的考虑,就电气性能而言,元件腿的焊盘与铜面满接为好,但对元件的焊接装配就存在一些不良隐患如:①焊接需要大功率加热器。②容易造成虚焊点。所以兼顾电气性能与工艺需要,做成十字花焊盘,称之为热隔离(heat shield)俗称热焊盘(Thermal),这样,可使在焊接时因截面过分散热而产生虚焊点的可能性大大减少。多层板的接电(地)层腿的处理相同。

 

网络系统规则

 

网格接地系统是减少走线电感的有效方法,并提供射频电流返回路径。网格过密,通路虽然有所增加,但步进太小,图场的数据量过大,这必然对设备的存贮空间有更高的要求,同时也对象计算机类电子产品的运算速度有极大的影响。而有些通路是无效的,如被元件腿的焊盘占用的或被安装孔、定们孔所占用的等。网格过疏,通路太少对布通率的影响极大。所以要有一个疏密合理的网格系统来支持布线的进行。 标准元器件两腿之间的距离为0.1英寸(2.54mm),所以网格系统的基础一般就定为0.1英寸(2.54 mm)或小于0.1英寸的整倍数,如:0.05英寸、0.025英寸、0.02英寸等。

 

设计规则检查(DRC)规则

布线设计完成后,需认真检查布线设计是否符合设计者所指定的规则,同时也需确认所制定的规则是否符合印制板生产工艺的需求,一般检查有如下几个方面:


1、线与线,线与元件焊盘,线与贯通孔,元件焊盘与贯通孔,贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理,是否满足生产要求。


2、电源线和地线的宽度是否合适,电源与地线之间是否耦合(低的波阻抗)?在PCB中是否还有能让地线加宽的地方。


3、对于关键的信号线是否采取了最佳措施,如长度最短,加保护线,输入线及输出线被明显地分开。


4、模拟电路和数字电路部分,是否有各自独立的地线。


5、后加在PCB中的图形(如图标、注标)是否会造成信号短路。


6、对一些不理想的线形进行修改。在PCB上是否加有工艺线?阻焊是否符合生产工艺的要求,阻焊尺寸是否合适,字符标志是否压在器件焊盘上,以免影响用电装质量。


7、多层板中的电源地层的外框边缘是否缩小,如电源地层的铜箔露出板外容易造成短路。


PCB布线中需要注意的点有很多,以上规则仅仅是其中一部分,在实际的工作中遇到的问题会更多。而且自动布线的布通率,依赖于良好的布局,布线规则包括走线的弯曲次数、导通孔的数目、步进的数目等需要提前预定。所以想要真正的掌握好PCB布线仍需要勤加练习,不断积累丰富的经验,掌握更多地规则技巧,才能优雅地进行PCB布线,设计出精而美的PCB板。


     ---部分内容来自电子工程专辑


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