PCB板的優(yōu)化設計

廣東省惠州市技師學院 何培森

?

PCB板的優(yōu)化設計

廣東省惠州市技師學院 何培森

【摘要】現(xiàn)代電子產品制造業(yè)都非常重視PCB板的設計，提高PCB板質量的關鍵是進行優(yōu)化設計。本文根據(jù)企業(yè)設計PCB板時采用的新工藝與新技術，對PCB板元器件布局的優(yōu)化、敷銅線布線的優(yōu)化問題，進行了系統(tǒng)的介紹。

【關鍵詞】PCB板；設計；布局；布線；優(yōu)化在現(xiàn)代電子產品制造業(yè)中，都離不開PCB板的設計，各生產企業(yè)都非常注重PCB板設計的質量問題。設計優(yōu)良的PCB板不但小巧精美、性能穩(wěn)定，而且使用壽命長，能給企業(yè)帶來良好的信譽與經濟效益。設計不好的PCB板，則易出現(xiàn)相鄰敷銅線之間干擾、相鄰層與層之間干擾、輻射干擾、元器件發(fā)熱過大等一系列的問題，嚴重影響電子產品的安全性、穩(wěn)定性與使用壽命，給企業(yè)造成不必要的各種損失。

1 影響PCB板設計質量的因素

從事PCB板設計工作的技術人員，在進行PCB板設計時，有時會感到很困惑，無法設計出實用性強、高質量的PCB板，無法滿足企業(yè)的設計要求。

根據(jù)本人在實際工作中的體會，在進行PCB板設計時，影響設計質量的主要因素是設計人員沒有注意把握好“元器件布局的優(yōu)化、敷銅線布線的優(yōu)化”這兩個關鍵問題。設計PCB板時，應根據(jù)電路的特點與設計要求，精心的對元器件的布局進行優(yōu)化、對敷銅線的布線進行優(yōu)化，這是PCB板設計的精髓。

2 PCB板的優(yōu)化設計

PCB板的優(yōu)化設計，包括PCB板元器件布局的優(yōu)化、敷銅線布線的優(yōu)化。

2.1 PCB板元器件布局的優(yōu)化

PCB板元器件的布局，就是根據(jù)電路工作原理圖，選擇一定尺寸的PCB板，按照電氣規(guī)范，在PCB板上確定好各個元器件的位置。元器件的布局是PCB板設計工作重要的一環(huán)，PCB板上的元器件只有合理布局，并認真優(yōu)化，PCB板才會有優(yōu)良的電氣性能。

2.1.1 PCB板尺寸的優(yōu)化

根據(jù)元器件的結構圖，確定出PCB板的大小，并按工藝規(guī)范的要求標注出PCB板的尺寸。PCB板尺寸選用過大，既浪費材料，也不利于縮小電路板的體積；PCB板尺寸選用過小，會出現(xiàn)不利生產、電氣性能不穩(wěn)定等的情況。

2.1.2 元器件布局區(qū)域的優(yōu)化

根據(jù)生產加工時夾持PCB板的要求，以及電路板安裝的要求，確定PCB板上元器件布局的區(qū)域和不能布局元器件的區(qū)域，在不能進行布局的區(qū)域內不能進行元器件的布局。

2.1.3 元器件布局位置的優(yōu)化

元器件位置的布局，即是把每個元器件擺布的位置確定下來。元器件布局時，要先從整體上確定各單元電路的位置，后確定各單元電路里每個元器件的具體位置。

1)確定各個單元電路的位置。電路原理圖中有多個單元電路時，要認真綜合考慮各個單元電路的擺布問題。優(yōu)化布局的重點是，根據(jù)電路組成主信號流程，布局各單元電路；結構相同的電路，盡可能采用“對稱式”結構進行布局；各單元電路之間總的連線盡可能短，關鍵信號線也要最短；高電壓、大電流信號與低電壓、小電流信號要完全分開布局；模擬信號與數(shù)字信號要分開布局；高頻信號與低頻信號也要分開布局。

2)確定各個單元電路元器件的位置。對每個單元電路的元器件進行布局時，要重點從如下幾方面對各個元器件進行優(yōu)化布局。每個單元電路里的元器件，應按照先大后小、先難后易來進行布局，重要的核心元器件優(yōu)先布局；同類型的元器件，在X或Y方向上色環(huán)或極性應朝一個方向布局，便于生產和質量檢驗；元器件采用波峰焊接生產工藝時，阻、容元器件軸向要與波峰焊傳送方向垂直進行布局；阻排及SOP封裝元器件軸向，要與波峰焊傳送方向平行進行布局；發(fā)熱元件應均勻布局，以利于整機的散熱；溫度敏感器件應遠離發(fā)熱量大的元器件（溫度檢測元件除外）；需調試的元器件周圍要有足夠的空間；采用BGA封裝形式的元器件與相鄰元件之間的距離要大于5毫米；各集成電路的去耦電容要盡量靠近其電源引腳，并使之與電源、地之間形成的回路最短。另外，安裝孔、接插件等元器件要均勻分布，使之重心平衡、版面美觀。

2.2 PCB板敷銅線布線的優(yōu)化

PCB板元器件的布局情況確定之后，就應在PCB板上進行布線。PCB板的布線，就是在PCB板上用敷銅箔作為導線，把元器件的引腳按照要求連接起來，使電路通電后能正常工作。PCB板布線的優(yōu)化，也是PCB板設計工作重要的一環(huán)。

2.2.1 布線層數(shù)的優(yōu)化

PCB板上的元器件數(shù)量不相同時，元器件總的引腳數(shù)是不相同的，也就是單位面積上引腳的密度是不相同的。為此可利用PCB板設計軟件的統(tǒng)計功能，求出PCB板上平均管腳密度參數(shù)，以便確定所需要的信號布線層數(shù)，也即確定PCB板的層數(shù)。信號層數(shù)的確定，可參考表1經驗數(shù)據(jù)。

表1 信號層數(shù)數(shù)據(jù)表

其中，引腳密度系數(shù)按“板面積（平方英寸）÷（板上管腳總數(shù)×14）”方法進行計算。

PCB板布線時，電源、摸擬小信號、高頻信號、時鐘信號、同步信號等關鍵信號的元器件優(yōu)先布線；盡量為時鐘信號、高頻信號等敏感信號提供專門的布線層，并保證其最小的回路面積；電源元件產生的干擾較大，布線時應避免靠近對干擾敏感的元器件。

2.2.2 線寬的優(yōu)化

線寬即敷銅箔印制導線的寬度，線寬的優(yōu)化要考慮板上元器件的密度與信號的電流強度這兩個因素。PCB板元器件的密度較高時，線寬可窄一些；當信號的平均電流較大時，銅箔的厚度與線寬都要加大。PCB板敷銅箔的厚度、走線寬度與流過的電流有密切的關系，不同厚度，不同寬度的敷銅箔的載流量見表2。實際使用時，為確保安全，敷銅箔寬度的載流量，應按表中的值50%進行選擇。

表2 銅箔寬度與電流量關系表

2.2.3 導線間距的優(yōu)化

導線間距是PCB板上相鄰印制導線（敷銅線）之間的距離，相鄰導線之間的距離由爬電距離來決定。為了減少印制導線之間的串擾，應計算出相鄰印制導線之間的工作電壓差，由工作電壓差再確定出爬電距離，不同工作電壓下的爬電距離見表3。相鄰印制導線之間的距離應大于爬電距離。

表3 爬電距離數(shù)值表

計算相鄰導線的電壓差較困難，實際應用時，可采用“3W規(guī)則”確定導線距離，當相鄰兩導線中心間距大于3倍導線寬時，基本可滿足抗干擾的要求。如要達到優(yōu)良的抗干擾性能，則可使相鄰印制導線間大于10W的間距，如圖1（a）所示。

圖1 3W規(guī)則與線孔

2.2.4 線孔的優(yōu)化

PCB板上的線孔主要是指元器件引腳的過線孔，有焊接孔、盲孔、埋孔之分。焊接孔一般設置在雙面板的焊盤上，元器件引腳穿過孔后再進行焊接，如圖1（b）所示。PCB板焊接孔的孔徑取決于板厚度、焊盤直徑的大小，板厚度與孔徑之比，應小于 5~8。焊盤孔徑大小、焊盤直徑大小、PCB板的厚度數(shù)值的對應關系見表4。設計線孔時應根據(jù)板的厚度優(yōu)化選取線孔的直徑。

表4 板厚度、焊盤直徑、焊盤孔徑對應關系表

在多層板中，盲孔是連接在PCB板最表面層和內層之間，但又不貫通整板的導通孔；埋孔則是連接在PCB板內、層與層之間，但在PCB板最表面層不可見的導通孔。這兩類過孔的作用是，把PCB板各層之間的元器件進行連通，這兩類孔的尺寸選取方法與焊線孔相同。

2.3 地線回路的優(yōu)化

地線回路優(yōu)化的方法是，信號線所構成的環(huán)路面積要盡可能小，地線的面積要足夠大。環(huán)路面積越小，對外的輻射越少，接收外界的干擾也越小。在雙層PCB板設計中，應為電源地留下足夠的空間，且要增加一些必要的過孔，將雙面電源地有效連接起來。另外，對一些關鍵信號，信號線之間盡量采用地線進行隔離，以減少信號之間的竄擾。

2.4 竄擾控制的優(yōu)化

竄擾是指PCB板上不同網絡（單元電路）之間，因較長的、相鄰的敷銅線的分布電容和分布電感引起的相互干擾。克服竄擾進行優(yōu)化的方法是，加大相鄰敷銅線的間距，或在相鄰敷銅線之間插入接地的隔離線，都可有效解決問題。

2.5 屏蔽保護的優(yōu)化

對一些特別重要，頻率特別高的信號，進行優(yōu)化設計時，應該采用銅軸電纜屏蔽結構，即將所布的敷銅線的上下、左右，用地線與周圍元器件進行隔離，達到屏蔽干擾的作用，如圖2（a）所示。

圖2 屏蔽保護與走線方向優(yōu)化

2.6 走線方向的優(yōu)化

在多層PCB板中，相鄰層敷銅線的走線方向，在空間應成正交結構，不可成平行結構，以減少不必要的層間竄擾，如圖2(b)所示。

2.7 走線開環(huán)的優(yōu)化

在設計PCB板時，不允許出現(xiàn)一端浮空、類似天線結構的敷銅線，以減少電路不必要的輻射和接受外來的干擾信號，如圖3(a)所示。

圖3 走線開環(huán)與諧振要求

2.8 走線諧振的優(yōu)化

設計高頻電路的PCB板時，還應注意敷銅線的長短問題，敷銅線的布線長度不得與高頻信號的波長成整數(shù)倍關系，以免產生諧振現(xiàn)象而引發(fā)干擾，如圖3（b）所示。

2.9 倒角的優(yōu)化

在PCB板的設計中，經常會碰到敷銅線需要轉彎的情況，敷銅線轉彎時，應避免設計成銳角和直角，應優(yōu)化成圓弧角，以減少不必要的輻射干擾，并提高電路的工藝性能。

2.10 重疊電源與地線層的優(yōu)化

對多層結構的PCB板，當不同層的電路的供電電壓不相同時，相鄰層之間的電源在空間上要避免重疊，特別是一些電壓相差很大的電源之間，電源平面的重疊問題一定要設法避免，主要是為了減少不同電源之間的干擾，如圖4所示。

圖4 重疊電源優(yōu)化要求

何培森，現(xiàn)供職于廣東省惠州市技師學院。教研成果：從事職業(yè)教育工作29年，是人社部教材辦全國通用教材編委。編寫出版過《電視機原理分析》、《液晶電視機原理與維修技能訓練》、《SMT貼片技術》等多門全國通用教材。

作者簡介：