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發(fā)布時(shí)間:2023-01-09作者來源:蔣修國瀏覽:2063
在硬件設(shè)計(jì)中,PCB設(shè)計(jì)是其中非常重要、不可或缺的一個(gè)步驟。對(duì)于一些簡單的產(chǎn)品,PCB設(shè)計(jì)可能只是簡單地把所有的器件、網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)地連接起來。而對(duì)于高速電路、射頻電路,PCB的設(shè)計(jì)直接影響到產(chǎn)品的功能是否正常、產(chǎn)品是否能滿足入市的要求。下面,將從PCB設(shè)計(jì)的流程、PCB布局、PCB布線、PCB設(shè)計(jì)檢查表四個(gè)方面做介紹。
PCB設(shè)計(jì)的流程
PCB的質(zhì)量直接決定了一款電子產(chǎn)品的好與壞,那么一個(gè)好的PCB設(shè)計(jì)流程就至關(guān)重要。很多工程師認(rèn)為,PCB設(shè)計(jì)就是簡單地把所有的元器件擺好之后,再把所有相關(guān)的器件引腳連接在一起。這是一種狹隘的觀點(diǎn),一個(gè)好的PCB設(shè)計(jì)流程從原理方案設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)開始,比如如何選擇合適的方案、選擇合適的電子元器件等等。具體如下圖所示:
具體包含了原理方案設(shè)計(jì)、原理圖網(wǎng)表輸出和導(dǎo)入、機(jī)械結(jié)構(gòu)圖導(dǎo)入、層疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和編輯、信號(hào)完整性(SI)/電源完整性(PI)前仿真、PCB布局、設(shè)計(jì)約束規(guī)則導(dǎo)入、PCB布線、信號(hào)完整性(SI)/電源完整性(PI)/電磁兼容性(EMC)/熱后仿真、設(shè)計(jì)可制造性(DFM)檢查、生成生產(chǎn)文件(Gerber)。這些工作可能是一個(gè)工程師完成的,也有可能是多個(gè)工程師合作完成的。當(dāng)然,并不是每一個(gè)產(chǎn)品的PCB設(shè)計(jì)流程都是一樣的,具體的產(chǎn)品可以根據(jù)這個(gè)流程進(jìn)行適當(dāng)?shù)募?xì)化、增加或者刪減。
下面將就PCB設(shè)計(jì)流程中的幾個(gè)重要步驟做進(jìn)一步的介紹。
PCB布局
在設(shè)計(jì)中,布局是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。布局結(jié)果的好壞將直接影響布線的效果,因此可 以這樣認(rèn)為,合理的布局是 PCB 設(shè)計(jì)成功的[敏感詞]步。簡單的理解,PCB布局就是把所有的元器件按照功能結(jié)構(gòu)、模塊化、滿足DXF的要求、滿足順暢布局布線等原則進(jìn)行。
考慮整體美觀 一個(gè)產(chǎn)品的成功與否,一是要注重內(nèi)在質(zhì)量,二是兼顧整體的美觀,兩者都較完美才能認(rèn)為該產(chǎn)品是成功的。在一個(gè) PCB 板上,組件的布局要求要均衡,疏密有序,不能頭重腳輕或一頭沉。
圖 布局好的PCB
上面說到的只是一些大的方向和要求,其實(shí)PCB布局需要考慮到的因素非常多,比如常常會(huì)按照“先大后小,先滿足結(jié)構(gòu)后滿足美觀,先難后易”的布置原則,就是把重要的核心單元電路、高速電路、射頻電路、核心元器件、接口電路優(yōu)先布局,然后再把一些輔助性的電路布局好。在進(jìn)行PCB布局設(shè)計(jì)時(shí)具體可以遵循以下原則進(jìn)行布局。
1、布局中應(yīng)參考原理框圖,根據(jù)單板的主信號(hào)流向規(guī)律安排主要元器件。布局應(yīng)盡量滿足以下要求:
在沒有特殊要求時(shí),使布線的總長度盡可能短,關(guān)鍵信號(hào)線最短;
去耦電容的布局時(shí),依據(jù)電容的大小盡量依照越小的電容越靠近IC的電源管腳,并使之與電源和地之間形成的回路最短 ;
減少信號(hào)回流路徑,不要出現(xiàn)跨分割現(xiàn)象。
2、元器件的排列首先要滿足功能的要求,同時(shí)還要便于后續(xù)調(diào)試和維修,即小元件周圍不能放置大元件、需調(diào)試的元器件周圍要有足夠的空間,太緊湊就會(huì)導(dǎo)致無法下烙鐵。
3、相同結(jié)構(gòu)電路部分,盡可能采用“對(duì)稱式”標(biāo)準(zhǔn)布局;按照均勻分布、重心平衡、版面美觀的標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化布局。
4、同類型插裝元器件在X或Y方向上應(yīng)朝一個(gè)方向放置。同一種類型的有極性分立元件也要盡量在X或Y方向上保持一致,便于生產(chǎn)和檢驗(yàn)。
5、發(fā)熱元件要一般應(yīng)均勻分布,以利于單板和整機(jī)的散熱,除溫度檢測(cè)元件以外的溫度敏感器件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱量大的元器件。除了溫度傳感器,三極管也屬于對(duì)熱敏感的器件。
6、高電壓、大電流信號(hào)與小電流,低電壓的弱信號(hào)完全分開。
7、模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)分開;高頻信號(hào)與低頻信號(hào)分開;高頻元器件的間隔要充分。
8、元件布局時(shí),應(yīng)適當(dāng)考慮使用同一種電源的器件盡量放在一起,以便于將來的電源路徑設(shè)計(jì)以及與其它電源平面分割開。
對(duì)于一些特殊元器件的位置在布局時(shí)一般要遵守以下原則:
1、DC/DC 變換器、開關(guān)元件和整流器應(yīng)盡可能靠近變壓器放置,整流二極管盡可能靠近調(diào)壓元件和濾波電容器。以減小其線路長度。
2、電磁干擾(EMI)濾波器要盡可能靠近 EMI 源。盡可能縮短高頻元器件之間的連接,設(shè)法減少他們的分布參數(shù)及和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互離的太近,輸入和輸出應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。
3、對(duì)于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動(dòng)開關(guān)等可調(diào)元器件的布局應(yīng)考慮整塊扳子的結(jié)構(gòu)要求,一些經(jīng)常用到的開關(guān),在結(jié)構(gòu)允許的情況下,應(yīng)放置到手容易接觸到的地方。元器件的布局到均衡,疏密有度。
4、發(fā)熱元件應(yīng)該布置在 PCB 的邊緣,以利散熱。如果 PCB 為垂直安裝,發(fā)熱元件應(yīng) 該布置在 PCB 的上方。熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。
5、在電源布局時(shí),盡量讓器件布局方便電源線布線走向。布局時(shí)需要考慮減小輸入電源回路的面積。滿足流通的情況下,避免輸入電源線滿板跑,回路圈起來的面積過大。電源線與地線的位置良好配合,可降低電磁干擾的影響。如果電源線和地線配合不當(dāng),會(huì)出現(xiàn)很多環(huán)路,并可能產(chǎn)生噪聲。
6、高、低頻電路由于頻率不同,其干擾以及抑制干擾的方法也不相同。所以在元件布局時(shí),應(yīng)將數(shù)字電路、模擬電路以及電源電路按模塊分開布局。將高頻電路與低頻電路有效隔離,或者分成小的子電路模塊板,之間用接插件連接。
7、布局中還應(yīng)特別注意強(qiáng)、弱信號(hào)的器件分布及信號(hào)傳輸方向路徑等問題。為將干擾減輕到最小程度,模擬電路和數(shù)字電路分隔開之后,保持高、中、低速邏輯電路在 PCB 上也要用不同區(qū)域,PCB 板按頻率和電流開關(guān)特性分區(qū)。噪聲元件與非噪聲元件要距離遠(yuǎn)一些。熱敏元件與發(fā)熱元件距離遠(yuǎn)一些。低電平信號(hào)通道遠(yuǎn)離高電平信號(hào)通道和無濾波的電源線。將低電平的模擬電路和數(shù)字電路分開,避免模擬電路、數(shù)字電路和電源公共回線產(chǎn)生公共阻抗耦合。
PCB布線
當(dāng)原理圖網(wǎng)表導(dǎo)入到PCB設(shè)計(jì)軟件中時(shí),所有的元器件相互連接的引腳都是通過“鼠線”連接的,這些并沒有網(wǎng)絡(luò)屬性意義。如下圖所示:
圖 鼠線連接的PCB
這需要工程師把它們按照相應(yīng)的設(shè)計(jì)約束規(guī)則相互連接起來。只有當(dāng)所有的網(wǎng)絡(luò)連接在一起時(shí),它們才有電氣特性。布線就是這樣一個(gè)作用,即把所有的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)、電源網(wǎng)絡(luò)和地網(wǎng)絡(luò)都連接好。
在PCB布線時(shí)需要使用到設(shè)計(jì)約束規(guī)則,這些規(guī)則就包含信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的線寬、差分對(duì)內(nèi)的線間距、差分對(duì)之間的等長誤差、傳輸線之間的間距要求、傳輸線的總長度、傳輸線對(duì)內(nèi)或者對(duì)間的分段等長要求等等。如下圖所示為Intel某平臺(tái)對(duì)PCIE設(shè)計(jì)的要求:
圖Intel某平臺(tái)對(duì)PCIE設(shè)計(jì)的要求
按照相應(yīng)的要求完成布局、布線之后,就得到了一份錯(cuò)落有致的PCB版圖,如下圖所示為連接好的PCB版圖:
圖 連接好的PCB版圖
PCB設(shè)計(jì)完成之后,就可以按照生產(chǎn)要求輸出生產(chǎn)文件,一般包括PCB生產(chǎn)文件、PCBA生產(chǎn)文件、鋼網(wǎng)文件等等。
PCB設(shè)計(jì)檢查表
在正式生成PCB生產(chǎn)文件之前,一般都會(huì)對(duì)PCB設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的檢查,包括DFM、SI、PI、EMC、Thermal、可靠性等等檢查。如何檢查呢?有的公司是通過工具進(jìn)行檢查,有的公司是通過各個(gè)工程師自己檢查,不管是哪一種,其實(shí)都是依照一定的規(guī)則進(jìn)行檢查分析,也就是大家通常所說的PCB設(shè)計(jì)檢查。
項(xiàng)目 |
檢查內(nèi)容 |
Y/N |
備注 |
常規(guī)類檢查項(xiàng) |
禁止布局布線區(qū)域設(shè)置是否正確。(注意限高區(qū))增加:晶振,電感,變壓器下方畫好禁布區(qū)。 |
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結(jié)構(gòu)是否更新正確,螺孔大小,接口定位與方向是否正確。對(duì)于有疑問的接口方向有沒有與結(jié)構(gòu)工程師確認(rèn)? |
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結(jié)構(gòu)是否是最終文件。 |
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封裝是否經(jīng)過檢查。 |
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改版設(shè)計(jì)時(shí),封裝是否檢查并更新(原點(diǎn)變化導(dǎo)致固定器件偏位等) |
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有出差工程師自建或臨時(shí)替換的封裝有沒有進(jìn)行復(fù)查和更正 |
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光繪設(shè)置是否正確。 |
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每種電源是否都有來源,寬度是否都滿足載流量。過孔數(shù)量是否足夠。 |
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原理圖和PCB文件網(wǎng)表否是[敏感詞]的,導(dǎo)入是否一致 |
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是否有未擺器件、是否有未連接網(wǎng)絡(luò)、是否有多余線段 |
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IPC網(wǎng)表是否對(duì)比、并確認(rèn)沒有斷路和短路存在 |
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規(guī)則設(shè)置 |
疊層設(shè)置是否正確。(包括正負(fù)片)是否有按增加的工藝制作說明進(jìn)行規(guī)則設(shè)置 |
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差分線、單端線等線寬、線距規(guī)則設(shè)置是否正確。 |
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高電壓安規(guī)設(shè)置是否正確。 |
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等長誤差與[敏感詞]長度設(shè)置是否正確。 |
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保護(hù)地是否設(shè)置2mm以上間距。 |
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是否有把相同分類的網(wǎng)絡(luò)全部分配到對(duì)應(yīng)的分組。 |
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相應(yīng)規(guī)則是否打開。 |
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如果有隔離盤花焊盤,是否設(shè)置正確。 |
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布局 |
確保結(jié)構(gòu)限高區(qū)沒有擺放超過限制高度的器件。 |
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有順序要求的(如LED,按鍵)是否符合結(jié)構(gòu)要求擺放。 |
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數(shù)字、模擬、高速、低速部分是否分開布局。模擬布局是否保證主通路走線最短。 |
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相同模塊是否相同布局。 |
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源端與末端匹配器件布局是否正確。 |
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晶體、晶振及時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器擺放是否合理。 |
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開關(guān)電源是否按要求布局布線。(回路是否最小,是否做單點(diǎn)接地) |
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每種電源電壓電容是否均勻分布。(0.1uf以下小電容每個(gè)電源管腳有一個(gè))。 |
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熱敏感器件是否遠(yuǎn)離電源和其他大功耗的元件(測(cè)溫器件是否放在合適的位置)。 |
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繞線電感是否有平行擺放一起。(建議相互垂直擺放) |
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射頻電路是否考慮一字型或者L型布局。 |
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隔離器件(如變壓器)前后部分器件要分開布局。 |
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發(fā)熱量大的器件也要相互分開,方便散熱。 |
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確保禁布區(qū)沒有放置器件。 |
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布線 |
鎖相環(huán)電路,REF,電感兩端走線是否加粗。 |
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信號(hào)或者電源孔密集處是否增加回流地孔。 |
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電源引腳出線是否都有20mil以上或同引腳一樣寬。(包括熱焊盤,上下拉電阻除外) |
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所有關(guān)鍵信號(hào)線走線是否有跨相鄰平面層分割。 |
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射頻線與天線是否處理正確(加粗控50ohm阻抗,并加上相應(yīng)的參考面,陶瓷天線按要求挖空,射頻線周邊加屏蔽地過孔。) |
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模擬走線和不要求阻抗的線(如晶體時(shí)鐘線,Reset等)是否加粗8mil以上。 |
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是否存在多余過孔和線,多余殘樁(Stub)走線。 |
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是否存在直角和銳角走線。 |
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是否存在孤銅和無網(wǎng)絡(luò)銅。 |
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有極性器件是否正確。(特別注意二極管、極性電容、ESD、LED等) |
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布線拓樸結(jié)構(gòu)是否合理。 |
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隔離器件(光耦、共模電感、變壓器等)是否做隔離或挖空處理。 |
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靜電保護(hù)地,保護(hù)地與工作地是否已做隔離設(shè)計(jì)(至少相隔2.5mm) |
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電源模塊、時(shí)鐘模塊是否有信號(hào)線走過,特別是開關(guān)電源電感下不能穿線。 |
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相鄰信號(hào)層是否有平行走線。平行走線必需錯(cuò)開或者垂直走線,不可以重疊。 |
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差分線和重要信號(hào)線換層處是否加有回流地過孔。[敏感詞]對(duì)稱加上兩個(gè)回流地孔。 |
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對(duì)敏感信號(hào)是否進(jìn)行了地屏蔽處理,每500mil是否有一個(gè)過孔。 |
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多層板板邊是否每150mil加有屏蔽地過孔。 |
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平面層是否有通孔隔離盤過大造成平面割斷導(dǎo)致電源平面電流不足。 |
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電源平面與地平面比較是否有內(nèi)縮。 |
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平面層各塊電源網(wǎng)絡(luò)是否都有花盤連接。 |
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IC與連接器是否都有電源和地管腳且加粗走線。 |
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發(fā)熱量大器件鋪銅面積是否足夠大。是否在表層有加上散熱開窗的銅皮。 |
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金手指上是否有鋪銅,內(nèi)層鋪到金手指焊盤的一半的位置,金手指上是否有整塊阻焊。 |
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器件(電阻電容電感等)引腳中間是否有過線。 |
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表層空白處是否有鋪銅處理。 |
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兩層板正反面地是否連接良好。特別注意電源和地在換層的地方過孔是否滿足載流能力。 |
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串口芯片(例如232、485、429、422)部分電容走線是否加粗。 |
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時(shí)鐘電路(包括晶體、晶振、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器等)的電源是否進(jìn)行了很好的濾波,對(duì)于時(shí)鐘走線不能殘樁(Stub)。 |
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做等長時(shí),是否確保每個(gè)信號(hào)分組中的每一根網(wǎng)絡(luò)都做到的等長。 |
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重要信號(hào)線是否優(yōu)先布線,走在最優(yōu)布線層。 |
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電源平面壓差較大時(shí),隔離帶是否相應(yīng)加寬。 |
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同組高速信號(hào)線的過孔數(shù)是否最少且個(gè)數(shù)一致,盡量小于2個(gè)過孔。 |
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輸出產(chǎn)生文件檢查 |
確定SMT器件是否有開鋼網(wǎng)和所有器件開阻焊層。 |
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阻焊開窗是否與表層鋪銅一致。 |
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確定器件字符及絲印標(biāo)示方向是否正確,是否有干涉和文字錯(cuò)誤上焊盤現(xiàn)象,器件1腳標(biāo)示是否正確明顯。 |
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走線線寬是否與生產(chǎn)說明一致。 |
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非金屬化孔焊盤是否設(shè)置正確。 |
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板上標(biāo)注是否正確。(包括Drill層說明及誤差標(biāo)注) |
這是一個(gè)常規(guī)的PCB 設(shè)計(jì)檢查表,每一類產(chǎn)品使用的檢查表大同小異。一般建議按照自身產(chǎn)品的特定制作特定的PCB設(shè)計(jì)檢查表。
免責(zé)聲明:本文原創(chuàng)作者蔣修國,本文僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn),不代表薩科微及行業(yè)觀點(diǎn),只為轉(zhuǎn)載與分享,支持保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán),轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明原出處及作者,如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系我們刪除。
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