【电赛新兵训练营 】电子工程训练基础知识讲座_第15课时_PCB设计基本原则

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查看: 841回复: 76 发表于 2020-5-13 10:02:58   只看该作者
本课将讲解PCB设计中的两个基本原则:

(1)布局原则
(2)布线原则。

1、布局原则
好的元件布局会让布线更加容易,电气性能更加优异。元件布局是否合理,显然直接关系到PCB设计的成败。不然,一上来就开始迫不及待布线,就会落得“一顿操作猛如虎,一看月薪两千五”的尴尬境地。

1.1 信号流布局原则
在原理图中,通常元件排列应遵循信号流向, 一般从左到右依次布局输入级、中间级直至输出级去排列主要元件,如图1所示为AD的某范例工程

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图1 从左至右按信号流向排列的原理图

与原理图相对应,PCB上主要元件也应按信号流向排列,如图2所示。

image002.png
图2 与原理图对应的PCB元件排列

在排列好主要核心元件后,每个单元电路应相对集中, 并以核心元件为中心,围绕它进行布局。
(1)如图3所示,输入排针JP1及其上下拉配置电阻R4、R8、R9。

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图3 输入排针单元的元件排列

(2)如图4所示,主芯片U1有关的电阻、电容、电感、晶振围绕主芯片放置。

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图4 主芯片单元的元件排列

(3)如图5所示,LED指示灯一般不会影响电路性能,无需看成主芯片单元的部件。通常指示灯单元在电路板边沿集中规则放置。

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图5 在电路板边沿排列的LED指示灯

(4)如图6所示,网络隔离变压器T1有关的电阻电容按就近原则排列在T1周围。

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图6 网络变压器单元的元件排列

(5)如图7所示,RJ45网络端口的外围电阻电容同样就近放置。

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图7 网络端口单元的元件排列

1.2 其他布局原则
除了常规按信号流布局核心元件、就近排列单元元件外,其他布局规则还有:
(1)如图8所示,对称式电路尽量维持对称布局。

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图8 对称式电路的元件排列

(2)如图9所示,电源插座、接插件、开关等应放置在电路板边缘易于插拔和操作的位置。

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图9 开关接插件的元件排列

(3)如图10所示,关键路径走线尽量缩短,例如驱动单元和开关管之间的连接,甚至不惜使用子母电路板对插方式。

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图10 驱动单元和开关管之间的子母电路板对插连接

(4)如图11所示,发热的元器件,如功率电感、功率开关、功率电阻优先单独考虑散热。

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图11 加装散热器的一些电路板排列

(5)如图12所示,元件优先放置同一板层,如确需反面放置元件,只安排小体积的电阻电容等元件。单面放置元件可以节约焊接费用。

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图12 正反面电路板的元件排列

(6)如图13所示,电路板预留安装孔和定位孔。

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图13 AD中带大量定位安装孔的某PCB效果图

(7)如图14所示,在丝印层留下清晰的元件标识。漂亮精美的丝印层不仅提高电路板档次,而且会带来操作、维护、调试的种种便利。

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图14 AD中某PCB的丝印层效果图

(8)如图15所示,对于一些高密度元件布局的PCB,也应想办法标注元件。

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图15 高密度PCB板的一些丝印标注范例

2、布线原则
PCB布线博大精深,在这里我们先讲解一些最基本的布线原则:
(1)粗短走线优于细长走线、大间距优于小间距、过孔数目越少越好。
(2)为避免线径突变,高频信号“圆弧走线”优于“45°折线”优于“90°折线”。
(3)关键线路先手工布线并锁定,如电源、接地、时钟、高速信号、差分线。
(4)不同板层导线尽量不要平行,以减小寄生电容效应。
(5)布线线径:地线>电源线>信号线。

地线设计原则:
(1)复杂电路使用多层板,应设计地线层,高速信号靠近地线层。
(2)没有地线板层,公共地线可布置电路板边缘,且不能设计成闭合回路。
(3)模拟地、数字地、功率地分开。
(4)尽可能多的覆地铜,以减小地线阻抗、增强屏蔽作用。
(5)用地线隔离干扰信号以及易干扰信号。

电源线设计原则:
(1)电源线尽量宽,多层板有条件应设立电源层、含多个电压电源时,电源层可进一步做分割。
(2)总的数字电源和数字地、模拟电源和模拟地之间接1~100μF电解电容和0.01~0.1μF瓷片/独石电容。
(3)每个集成电路芯片的VCC和GND配0.1μF去耦电容,去耦电容尽量靠近芯片。
(4)关键芯片或几个芯片共用一个1~10μF的钽电容。

3、本课小结
本节课讲解了PCB的布局原则和布线原则。对于每种布局原则,都给了出例子以帮助理解。但是对于布线原则,仅仅是罗列了文字,希望同学自己对着这些布线原则,挨个去搞懂为什么。为什么是这样的内容安排?

(1)布局原则不涉及高深理论知识,范例仅仅是为了帮助理解是“怎么干”。
(2)布线原则大多是定性非定量的,而且一个实际的PCB很可能无法满足所有布线原则,那么哪些可以妥协,哪些不能妥协?布线原则涉及的是模拟电路、数字电路、高频电子线路等课程的知识,不理解“为什么这么干”,给再多的“怎么干”的例子,也于事无补。

所以,指望单纯通过学习AD软件使用,就掌握PCB布线之终极奥义,是本末倒置的想法。只有理论基础扎实,先掌握为什么要这样布线的“原则”,才能通过AD软件去实现这些“原则”。
最后,以一个运放反相输入引脚下方不能敷地铜的“布线原则”,来结束本课学习,内容来源《模拟电子设计导论》的附录A.3。

反相输入端的寄生电容
在学习PCB布线规范的时候,芯片的可靠去耦和敷设地铜的道理大部分人都明白,但是对于运放反向输入端引脚下面不要敷设地铜的道理却是难以捉摸,为什么同相输入端就没有这个顾虑和要求呢?

如图A.3.1所示,电路接为同相比例放大电路,OP1和OP2电路仅有反相输入端电容大小不一样。

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图A.3.1 运放反相端输入电容造成的反馈延迟TINA仿真

反馈电阻RF和反相端输入电容CN构成了低通滤波器,给反馈回路带来了延迟。如图A.3.2所示为瞬时仿真现象图。通过仿真可以看出,PCB布线不良(反向输入端引脚下方的地铜)带来的额外寄生电容会增大反馈延迟,进而带来振铃。

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图A.3.2 运放反相端输入电容的瞬时现象仿真图

下面我们来讨论一下同相输入端引入额外电容的现象,如图A.3.3所示,给信号源VG1增加50Ω内阻R2和R3(避免成为理想信号源有失公允),给OP2增加1nF电容C1,模拟同相输入端的寄生电容。

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图A.3.3 模拟同相输入端寄生电容的TINA仿真

瞬时现象仿真如图A.3.4所示。OP2虽然引入了额外的同相输入端对地电容,但是振铃或振荡并无发生。

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图A.3.4 同相输入端寄生电容的瞬时现象仿真图





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好好学习,天天向上。

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签到15,感谢老师分享

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打卡学习,万用表马上就到手了

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万用表我来啦!!!

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感谢老师的整理老师辛苦了

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一顿操作猛如虎,一看月薪两千五哈哈哈哈

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发表于 2020-5-13 15:47:06   只看该作者
pcb设计规则看起来有点吃力,主要还没上手,既然一次没看懂。那就多看几次

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长见识了,谢谢老师

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发表于 2020-5-13 18:28:58   只看该作者
运放反相输入引脚下方不能敷地铜的“布线原则” 这个原则算是学到了,然后原理图以输入输出的的原则布局,学到了.
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