基於PROTEL-DXP軟件的PCB板設計佈局原則

2021-08-14

Author：IPCB

電腦輔助設計 是第一個集成所有設計工具的板級設計系統. 電子設計師可以實施自己的設計方法，從最初的項目模塊規劃到最終的生產數據. 電腦輔助設計在優化設計瀏覽器平臺上運行, 具有當今所有先進的設計特點, 能够處理各種複雜的印刷電路板電路板設計流程. 通過集成設計輸入模擬, 印刷電路板繪圖和編輯, 拓撲自動佈線, 信號完整性分析和設計輸出, 電腦輔助設計提供全面的設計解決方案.

印刷電路板板設計原則包括以下幾個方面：

1、印刷電路板板的選擇

2、印刷電路板板尺寸

3、印刷電路板板組件佈局

4、印刷電路板板佈線

5、印刷電路板板接地

6、印刷電路板板抗干擾

7、印刷電路板板墊

8、印刷電路板板大面積填充

9、印刷電路板板跳線

10、印刷電路板板高頻接線

印刷電路板板的選擇

印刷電路板板通常由覆銅板製成，層的選擇應考慮電力效能、可靠性、加工要求和經濟指標。常用的覆銅層壓板有覆銅酚醛紙層壓板、覆銅環氧紙層壓板、覆銅環氧玻璃布層壓板、覆銅環氧酚醛玻璃布層壓板和覆銅聚四氟乙烯玻璃。環氧玻璃布用於布層壓板和多層印製電路板等。不同資料的層壓板具有不同的特性。環氧樹脂和銅箔有很好的附著力，囙此銅箔的附著力和工作溫度相對較高，在260°C的熔融錫中不會起泡。浸漬有環氧樹脂的玻璃布層壓板受水分影響較小。 UHF電路板優選為覆銅聚四氟乙烯玻璃布層壓板。在需要阻燃的電子設備中，還需要阻燃印刷電路板板。這些印刷電路板板是用阻燃樹脂浸漬的層壓板。

印刷電路板板尺寸

印刷電路板板的厚度應根據印刷電路板板的功能、安裝部件的重量、印刷電路板板插座的規格、印刷電路板板的外部尺寸及其承受的機械載荷來確定。主要應保證足够的剛度和强度。

常見印刷電路板板的厚度為：0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm。

考慮到成本、銅膜線長度和抗雜訊能力，印刷電路板板尺寸越小越好。但是，如果印刷電路板板尺寸太小，散熱就會很差，相鄰的導線很容易造成干擾。印刷電路板板的生產成本與印刷電路板板的面積有關。面積越大，成本越高。當設計帶有主機殼的印刷電路板板時，印刷電路板板的尺寸也受到主機殼外殼尺寸的限制。在確定印刷電路板板尺寸之前，必須先確定主機殼尺寸，否則無法確定印刷電路板板尺寸。通常，禁止佈線層中的指定佈線範圍是印刷電路板板的尺寸。

印刷電路板板的最佳形狀為矩形，縱橫比為3:2或4:3。當印刷電路板板尺寸大於200×150mm時，應考慮印刷電路板板的機械強度。總之，在確定印刷電路板板尺寸時，應綜合考慮利弊。

印刷電路板板組件佈局

雖然Protel-DXP可以自動佈局，但實際上，印刷電路板組件的佈局幾乎都是在設計過程中手動完成的。印刷電路板板組件的佈局一般遵循以下規則：

1、特殊構件佈置

特殊部件的佈置從以下幾個方面考慮：

1）高頻分量

高頻元件之間的連接越短越好，儘量減少連接的分佈參數和彼此之間的電磁干擾，易受干擾的元件不宜太近。輸入和輸出組件之間的距離應盡可能大。

2）高電位差元件

應新增具有高電位差的部件與連接之間的距離，以避免意外短路時損壞部件。為避免發生爬電現象，一般要求銅膜線之間的距離2000V電位差應大於2mm。對於較大的電位差，應新增距離。高壓設備應盡可能硬地放置在調試過程中不易觸及的地方。

3）重量過大的部件

此類組件應使用支架固定，大型、重型和產生大量熱量的組件不應安裝在印刷電路板上。

4）加熱和熱敏元件

請注意，加熱元件應遠離熱敏元件。

5）可調組件

For 這個 <一 href="/tw/pcb-layout.html" target="_blank" title="pcb 佈局">佈局屬於 adjustable components such as potentiometers, 可調電感器, 可變電容器, 微動開關, 等., the structural requirements 屬於 the whole machine should be considered. 如果在機器內部進行調整, 應將其放置在印刷電路板易於調整的地方., 其位置應與底盤面板上調節旋鈕的位置相對應.

6）電路板安裝孔和支架孔

印刷電路板板的安裝孔和支架的安裝孔應預留，因為這些孔和孔附近不能佈線。

2、按電路功能佈置

如果沒有特殊要求，應盡可能按照原理圖中的元件佈置佈置元件，訊號從左側進入，從右側輸出，從頂部輸入，從底部輸出。根據電路流程，安排各功能電路單元的位置，使訊號流動更加順暢，方向一致。以各功能電路為覈心，圍繞該覈心電路進行佈局，元器件的排列應均勻、整齊、緊湊。原則是减少和縮短每個部件之間的導線和連接。數位電路部分應與類比電路部分分開佈置。

3、元件與印刷電路板板邊緣的距離

所有元件應放置在距離印刷電路板板邊緣3mm以內，或至少距離印刷電路板板邊緣的距離等於印刷電路板板的厚度。這是因為大規模生產中的裝配線挿件和波峰焊應提供給導向槽。同時，還可以防止印刷電路板的邊緣因形狀加工而受損，導致銅膜線斷裂，造成浪費。如果印刷電路板上的元件太多，需要超過3mm，可以在印刷電路板板的邊緣上新增3mm的輔助邊緣，在輔助邊緣上開一個V形槽，在生產過程中用手折斷。

4、構件放置順序

首先，放置與結構緊密匹配的固定位置組件，如電源插座、指示燈、開關和連接插頭。然後放置特殊組件，如加熱組件、變壓器、集成電路等。最後，放置小組件，如電阻器、電容器、二極體等。

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印刷電路板板佈線

印刷電路板板佈線規則如下：

1）電纜長度

銅膜線路應盡可能短，尤其是在高頻電路中。銅膜線的角應為圓形或斜角，在高頻電路和高佈線密度的情况下，直角或銳角會影響電力效能。雙面接線時，兩側導線應相互垂直、對角或彎曲，避免相互平行，以减少寄生電容。

2）線條寬度

銅膜線的寬度應基於滿足電力特性且易於生產的標準。其最小值取決於流經它的電流，但通常不應小於0.2mm。只要板面積足够大，銅膜線寬和間距最好為0.3mm。通常，1～1.5mm的線寬允許2A的電流流過。例如，地線和電源線的線寬最好大於1mm。當兩條導線在IC座墊之間佈線時，墊直徑為50密耳，線寬和線間距均為10密耳。在焊盤之間佈線時，焊盤直徑為64密耳，線寬和線間距為12ml。注意公制和英制之間的換算，100mil=2.54mm。

3）行距，行距

相鄰銅膜線間距應滿足電氣安全要求，為便於生產，間距應盡可能寬。最小距離至少能承受施加電壓的峰值。在佈線密度較低的情况下，間距應盡可能大。

4）遮罩和接地

銅膜線的公共接地應盡可能放置在電路板的邊緣。在印刷電路板板上保留盡可能多的銅箔作為地線，以增强遮罩能力。此外，地線的形狀最好是環形或網狀的。多層印刷電路板板使用內層作為電源和接地的專用層，囙此可以發揮更好的遮罩效果。

印刷電路板 板 grounding

1、地線共阻抗干擾

電路圖上的地線表示電路中的零電位，並用作電路中其他點的公共參考點。在實際電路中，由於地線（銅膜線）阻抗的存在，必然會帶來共阻抗干擾。接線時，帶有接地符號的點不能隨意連接在一起，這可能會造成有害的耦合，影響電路的正常工作。

2、如何連接地線

通常在電子系統中，地線分為系統接地、主機殼接地（遮罩接地）、數位接地（邏輯接地）和類比接地。連接地線時，應注意以下幾點：

1）正確選擇單點接地和多點接地

在低頻電路中，訊號頻率小於1MHz，佈線和元件之間的電感可以忽略，並且在接地電路電阻上產生的壓降對電路的影響較大，囙此應採用單點接地。當訊號頻率大於10MHz時，地線電感的影響較大，應採用就近多點接地管道。當訊號頻率在1～10MHz之間時，如果採用單點接地管道，地線長度不應超過波長的1/20，否則應採用多點接地。

2）單獨的數位接地和類比接地

印刷電路板上有數位電路和類比電路。它們應盡可能分開，接地線不應混在一起。它們應連接到電源的接地端子（最好電源端子也單獨連接）。儘量增大線性電路的面積。一般來說，數位電路具有很强的抗干擾能力。 TTL電路的雜訊容限為0.4～0.6V電壓。 CMOS數位電路的雜訊容限為電源電壓的0.3～0.45倍。只要類比電路中存在微伏雜訊，就足以使其工作异常。囙此，這兩種類型的電路應分開佈置和佈線。

3）盡可能加厚地線

如果接地線很薄，接地電位會隨著電流的變化而變化，導致電子系統的訊號受到干擾，尤其是類比電路部分，囙此接地線應盡可能寬，一般大於3mm。

4）將地線形成閉合回路

當印刷電路板上只有數位電路時，地線應形成回路，這可以顯著提高抗干擾能力。這是因為，當印刷電路板上有許多集成電路時，如果接地線很細，則會導致接地變大。電位差，而環形地線可以减小接地電阻，從而减小接地電位差。

5）同級電路接地

同一級別電路的接地點應盡可能靠近，該級別電路的電力濾波電容器也應連接到該級別的接地點。

6）通用接地線的連接

主地線必須嚴格按照高頻、中頻、低頻的順序從弱電連接到強電。高頻部分最好使用大面積的接地線，以確保良好的遮罩效果。

印刷電路板板抗干擾

對於帶有微處理器的電子系統，抗干擾和電磁相容性是設計過程中必須考慮的問題，尤其是對於具有高時鐘頻率和快速匯流排週期的系統；具有大功率和大電流驅動電路的系統；和較弱的類比。訊號和高精度A／D轉換電路系統。為了提高系統的抗電磁干擾能力，應考慮以下措施：

1）選擇時鐘頻率較低的微處理器

只要控制器效能能够滿足要求，時鐘頻率越低越好。低時鐘可以有效地降低雜訊，提高系統的抗干擾能力。由於方波包含各種頻率成分，其高頻成分很容易成為雜訊源。通常，時鐘頻率為3倍的高頻雜訊是最危險的。

2）减少訊號傳輸中的失真

當高速訊號（高訊號頻率=具有快速上升和下降沿的訊號）在銅膜線上傳輸時，由於銅膜線的電感和電容的影響，訊號將失真。當失真過大時，訊號將失真。系統工作不可靠。通常要求印刷電路板上用於訊號傳輸的銅膜線越短越好，過孔數量越少越好。典型值：長度不超過25cm，過孔數量不超過2個。

3）减少訊號之間的交叉干擾

當訊號線具有脈衝訊號時，它將干擾另一條具有高輸入阻抗的弱訊號線。此時，有必要通過在微弱訊號周圍添加接地輪廓線來隔離微弱訊號線，或新增線之間的距離，並且可以通過新增功率和接地電平來解决不同電平之間的干擾。

4）降低電源譟音

電源為系統提供能量的同時，也會給電源系統新增雜訊。系統中的復位、中斷和其他控制訊號最容易受到外部雜訊的干擾。囙此，應適當添加電容器，以過濾電源中的這些雜訊。

5）注意印刷電路板板和組件的高頻特性

在高頻情况下，印刷電路板上銅膜線、焊盤、過孔、電阻器、電容器和連接器的分佈電感和電容不容忽視。由於這些分佈電感和電容的影響，當銅膜線的長度為訊號或雜訊波長的1/20時，將發生天線效應，對內部造成電磁干擾，並向外部發射電磁波。正常情况下，過孔和焊盤將產生0.6pF電容，集成電路封裝將產生2~6pF電容，印刷電路板板連接器將產生520mH電感，DIP-24插座具有18nH電感，這些電容和電感對時鐘頻率低的電路沒有影響，必須注意時鐘頻率高的電路。

6）合理劃分構件佈局

元件在電路板上的位置應充分考慮抗電磁干擾問題。其中一個原則是，各種組件之間的銅膜線應盡可能短。在佈局中，類比電路、數位電路和產生大雜訊的電路（繼電器、大電流開關等）應合理分離，以便相互連接。訊號耦合最小。

7）處理接地線

按照前面提到的單點接地或多點接地方法處理接地線。分別連接類比地、數位地和大功率設備地，然後彙聚到電源的接地點。使用遮罩線連接印刷電路板外部的導線。對於高頻和數位信號，遮罩電纜的兩端必須接地。對於低頻類比信號，通常使用單端接地。對雜訊和干擾非常敏感的電路或對高頻雜訊特別敏感的電路應使用金屬遮罩。

8）去耦電容器

陶瓷電容器或多層陶瓷電容器對於去耦電容器具有更好的高頻特性。在設計印刷電路板板時，必須在每個集成電路的電源和接地之間添加去耦電容器。去耦電容器有兩個功能。一方面，它是集成電路的儲能電容器，在打開和關閉集成電路的瞬間提供和吸收充電和放電能量。另一方面，它繞過了設備產生的高頻雜訊。數位電路中的典型去耦電容器為0.1mF，此類電容器具有

5nH分佈電感對10MHz以下的雜訊有較好的去耦效果。通常，可以選擇0.01～0.1mF的電容器。

通常，需要在不到10個集成電路中添加一個10mF充放電電容器。此外，應在電源端子和電路板的四角連接一個10～100mF電容器。

印刷電路板板墊

焊盤尺寸：焊盤的內孔尺寸必須從元件引線直徑和公差尺寸，以及鍍錫層厚度、孔徑公差和孔金屬化鍍層厚度來考慮。通常情况下，金屬銷的直徑加上0.2mm被視為襯墊內孔的直徑。例如，如果電阻器的金屬引脚直徑為0.5mm，則焊盤孔的直徑為0.7mm，焊盤的外徑應為焊盤直徑加1.2mm，最小值應為焊盤直徑加1.0mm。當襯墊直徑為1.5mm時，為了新增襯墊的剝離强度，可以使用方形襯墊。孔徑小於0.4mm的焊盤，焊盤外徑/焊盤孔徑=0.5～3。孔徑大於2mm的焊盤，焊盤外徑/焊盤孔直徑=1.5～2。

常用焊盤尺寸：

接地孔直徑/mm

0.4； 0.5； 0.6； 0.8； 1.0； 1.2； 1.6； 2

襯墊外徑/mm

1.5； 1.5； 2.0； 2.0； 2.5； 3.0； 3.5； 4.

設計襯墊時的注意事項如下：

1）焊盤孔邊緣與印刷電路板板邊緣的距離應大於1mm，以免在加工過程中損壞焊盤。

2）墊子填滿了淚水。當連接到焊盤的銅膜線很薄時，焊盤和銅膜線之間的連接應設計成淚滴狀，以便焊盤不容易剝落。銅膜線和焊盤之間的連接不容易斷開。

3）相鄰襯墊應避免尖角。

印刷電路板板大面積填充

印刷電路板上的大面積填充有兩個目的。一種是散熱，另一種是使用遮罩來减少干擾。該區域由一個視窗填充，使填充網格類似。使用銅塗層還可以達到抗干擾的目的，並且銅塗層可以自動繞過焊盤並連接到地線。

印刷電路板板跳線