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PCB板工程设计方法


PCB板设计是目前电子产品设计链中的一个关键环节,其设计的好坏直接影响到产品的质量和生产效率。对于许多大学生和初从事电子设计的人员来说,虽然已学习了一些印制线路板设计软件以及设计规则,但由于经验不足,设计出的印制线路板经常出现各种问题。那么如何设计一块既美观又性能好、成本低的PCB板呢?需对PCB板设计的方法技巧有较深入的了解,并把握其发展的趋势。

一、PCB板设计概述及应用

PCB,中文名称为印制电路板,是电子元器件的支撑体,是电子元器件电气连接的提供者。由于它是采用电子印刷术制作的,故被称为“印刷”电路板。根据电路层数分为单面板、双面板和多层板。常见的多层板一般为4层板或6层板,复杂的多层板可达十几层。

我们能见到的电子设备几乎都离不开PCB板,小到电子手表、计算器、通用电脑,大到计算机、通迅电子设备、军用武器系统,只要有集成电路等电子元器件,它们之间电气互连都要用到PCB板。PCB板提供集成电路等各种电子元器件固定装配的机械支撑,实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气连接。同时为自动锡焊提供阻焊图形,为元器件插装、检查、维修提供识别字符和图形。PCB板的设计是以电路原理图为根据,通过考虑外部连接的布局、内部电子组件的优化布局、金属连线和通孔的优化布局、电磁保护、热耗散等各种因素来实现电路设计者所需要的功能的一种版图设计。简单的版图设计可以用手工实现,复杂的版图设计需要借助计算机辅助设计实现,即运用PCB设计软件来实现。

二、PCB板设计软件

PCB板设计软件有很多种,各有不同的特点,下面就常见的软件进行比较。

protel是PCB板设计中广泛使用的一种优秀软件,许多初学者都非常喜爱使用protel99SE。2002年7月底由Altium公司发布的ProtelDXP电路设计软件,由于其良好的操作性等优点已成为电路设计者的新宠。但protel软件虽然在设计单面板、两层板时有非常好的功能,可以得心应手,但在设计4层以上特别是高频高速的多层板时就显得有些吃力。

PowerPCB与PowerLogic系列软件是由美国MentorGraphics公司主推的电路设计自动化软件,也是目前在电子工程领域内使用最广泛、性能最优秀的EDA软件之一。新版PowerPCB2007的视窗更简洁,是基于形状化(shape-based)、规则驱动(rulesdriven)的布局布线设计方案,适合复杂、高速印制电路板的设计应用。PowerPCB2007采用自动和交互式的布线方法,具有目标连接与嵌入(OLE)自动化功能,将前后端的设计工具有机集成,其中包括测试、准备和生产制造等过程。PowerPCB2007支持Microsoft标准的编程界面,使得与其它基于Windows的补充设计工具连接更加方便有效。PowerPCB2007具有智能化的属性定义和控制、基于形状化(Shape-based)的全自动布线、禁止区(Keepouts)和切割区(cutouts)、锁定/保护(Lock/protect)导线等功能,确保了设计数据的准确性。其中,PADSRouter“快速交互布线编辑器”的功能是交互式布线领域的一次跨越,采用了PADSAutorouter(BlazeRouter)算法,包括推挤功能、平滑布线、自动变线宽、焊盘入口质量和Plowing分等级的布线规则设置等。

ORCAD是由ORCAD公司于20世纪80年代末推出的EDA软件,它的新产品集成了电路原理图绘制和印制电路板设计、模拟与数字电路混合仿真等功能,其电路仿真的元器件库高达8500个,收入了几乎所有的通用型电子元器件模块,是世界上使用最广的EDA软件,每天都有上百万的电子工程师在使用它。但强大功能导致了它的售价不菲。另外还有wgmentor公司新出版的WG2005,基于windows平台,它的自动布线功能非常强大,布线规则设计非常专业,被誉为拉线之王。

三、PCB板的设计方法与技巧

从电路原理图到真实的PCB板,这个过程看似并不那么复杂,但往往许多设计者自己认为完全按原理图设计出的PCB板,在工程中却难以实现,或者板子的性能并不好。所以要设计好一块PCB板必须有一定的方法和技巧。

(一)整体分析和把握所要设计的PCB板

接受到一个设计任务,对所设计的PCB板要有整体的分析和把握,做到心中有数。比如:所要设计的板子是普通的PCB板还是小信号处理PCB板,亦或是高频PCB板。若是普通的PCB板,那么只要做到机械尺寸准确、布局布线合理就可以了。当板上有毫伏级以下的小信号时,为防止其受到其他强信号的干扰,需要采取屏蔽措施,否则将大大降低信噪比。而当板上有超过40MHz以上的信号线时,就要考虑线间串扰等问题,甚至对布线的长度都要有严格的限制。所以在做PCB板前,要明确该设计的设计目标。

(二)考虑元器件的功能及其对布线的要求

许多元器件在布局布线时有特殊的要求,比如LOTI和APH所用的模拟信号放大器,它要求电源平稳、纹波小,模拟小信号部分要尽量远离功率器件。在OTI板上,小信号放大部分要加屏蔽罩以便屏蔽掉电磁干扰。NTOI板上用的GLINK芯片,功耗很大导致发热严重,所以散热问题是布局时一定要重点考虑的。另外喇叭或其他大功率的器件也会对电源造成严重的影响,布局布线时也应注意。总言之,布局布线之前把元器件的功能对布局布线的特殊要求了解清楚,会使设计更加合理。

(三)合理布局元器件

元器件的布局是PCB板设计的一个重要环节,对产品的寿命、稳定性、电磁兼容都有很大的影响,所以应该特别注意。首先,布局时需要对信号的走向以及电源和地线网络有整体的了解和规划。其次,元器件放置要按一定的顺序:依次放置指示灯、开关、电源插座、连接件之类与结构有紧密配合的固定位置的元器件——放置大的元器件及特殊元件(如发热元件等)——放置小器件。再者要考虑的因素就是电性能。把连线关系密切的元器件尽量放在一起,特别是对一些高速线,要使它尽可能短,功率信号和小信号器件要分开。在满足电路性能的前提下,还要考虑下列情况:热敏元件与发热元件之间要有适当的距离,在需要散热的地方要装有散热器,使空气流通;元器件摆放需疏密有序、整齐而美观;器件的实际尺寸,特别是器件的高度一般不能超过3mm;注意所设计的板子是否符合PCB制造工艺要求,有无行为标记;不能疏忽定位接插件的精确定位,否则导致设计的电路无法和其他电路对接;保证需经常更换的元器件的更换和接插方便、可靠;要便于测试;板子的机械尺寸、插座的位置、线路的干扰、元件在二维及三维空间上有无冲突等。信号线上的传输时间对总的系统速度影响很大,特别是对高速电路来说。因此像移位寄存器、同步计数器这种同步工作部件最好放在同一块插件板上。

(四)布线设计应注意的问题

布线不仅与产品的样式与结构有关,而且还影响其性能,甚至决定能否生产出合格的产品,因此在PCB设计中,布线是完成产品设计的重要步骤。在整个PCB中,以布线的设计过程要求最细、工作量最大。无论是单面布线还是双面布线和多层布线,都必须遵循一定的规则和掌握一定的技巧,才能达到好的效果。这里说明一些布线时特别要注意的问题。

(1)印制电路板的走线应尽可能短,在高频电路中更应如此。走线拐角最好大于90°,要尽量设计成具有一定尺寸的均匀的圆弧线。双面板布线时,两面的导线应避免相互平行,以减小寄生耦合;电路的输入及输出用的印制导线应尽量避免相邻平行,而且在这些导线之间最好加接地线。

(2)布线所用宽度应以能满足电气性能要求而又便于生产为宜,它的最小值以承受的电流大小而定,一般不宜小于0.2mm。在高密度、高精度的印制线路中,导线宽度和间距一般可取0.3mm。在大电流情况下,为防止温升,单面板一般选用1-1.5mm宽度导线即可满足要求。印制导线的公共地线应尽可能粗,常使用大于2-3mm的导线。

(3)相邻导线间距必须满足电气安全要求,间距应尽量宽些。对高、低电平悬殊的信号线应尽可能短且加大间距,隔离距离与要承受的耐压有关,通常情况下在2000kV时板上要距离2mm,在此之上以比例算还要加大。许多情况下为避免爬电,还需在印制线路板上的高低压之间开槽。

(4)为了得到更好的屏蔽效果,应尽可能多保留铜箔做地线,而且公共地线应尽量布置在印制线路板的边缘。印制导线的公共地线最好形成环路或网状,使噪声容限不会降低。多层印制线路板中,地线层和电源层设计在内层,可视为多层电路板的屏蔽层。

(5)单面板焊盘必须大,焊盘相连的线一定要粗。大面积敷铜要用网格状的。

(6)同是地址线或数据线,走线长度要尽量相同,并且要走在焊接面上,特别是通孔工艺的PCB板,最好少用过孔及跳线。

(7)在由模拟电路和数字电路混合构成的PCB板中,由于数字电路的高频率和模拟电路的高敏感性,布线时需要考虑它们之间互相干扰的问题,特别是地线上的噪音干扰,高频信号线要尽可能远离模拟电路器件。

(8)在布线网络系统中,网格过密或过疏,会使步进太小或通路太少,所以布线时要有一个疏密合理的网格系统。一般网格系统的基础定为0.1英寸(2.54mm)或小于0.1英寸的整倍数较为合适。

四、PCB板设计发展趋势

随着系统设计复杂性和集成度的大规模提高,目前约50%PCB板设计的时钟频率超过50MHz,将近20%的设计主频超过120MHz。当系统工作在50MHz以上时,将产生传输线效应和信号的完整性问题;而当系统时钟达到120MHz时,基于传统方法设计的PCB板将无法工作。因此,高速电路设计技术已经成为电子系统设计人员必须采取的设计手段。常用的PCB板高速设计技术有电磁兼容性设计技术、抑制传输线效应技术、热设计技术等。而目前发展起来的微化孔技术(即:微化孔等离子蚀刻技术)在多层板,尤其是在蜂窝电话和家用电器中的应用大大改变了对布局布线工具的要求。3D布局技术则针对目前应用日益广泛的异形和定形板也可以进行布局布线。我们相信,自由角度布线、自动布局和3D布局等新型软件技术将会同目前普及的自动布线技术一样成为底板设计人员的日常设计工具,因此掌握它们已势在必行。

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