數(shù)字網(wǎng)線(xiàn)測(cè)試儀PCB設(shè)計(jì)

溫亮泉

【摘 要】現(xiàn)代電子產(chǎn)品的制造都離不開(kāi)PCB的設(shè)計(jì)，PCB設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接決定著電子產(chǎn)品使用的壽命和安全。本文以數(shù)字網(wǎng)線(xiàn)測(cè)試儀PCB設(shè)計(jì)為實(shí)例，合理設(shè)置PCB元器件的布局及布線(xiàn)，提高數(shù)字電路的抗干擾能力和電子產(chǎn)品的使用壽命。

【關(guān)鍵詞】PCB設(shè)計(jì)；設(shè)置；布局；布線(xiàn)

0 引言

PCB是電子產(chǎn)品中不可缺少的重要組成部件，支撐著電子元器件，并對(duì)電子元器件提供必要的電氣連接，影響著電子產(chǎn)品的工作、使用安全及壽命。因此PCB設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文以數(shù)字網(wǎng)線(xiàn)測(cè)試儀PCB的設(shè)計(jì)為例，介紹單片機(jī)控制電路PCB設(shè)計(jì)的一般原則和要求，提高電子產(chǎn)品的使用可靠性、安全性，延長(zhǎng)電子產(chǎn)品的使用壽命，為企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益。

數(shù)字網(wǎng)線(xiàn)測(cè)試儀是一款常用的網(wǎng)線(xiàn)質(zhì)量測(cè)試工具，可以測(cè)量網(wǎng)線(xiàn)的通斷、芯線(xiàn)順序是否正確及是否短路等。電路包括電源電路、單片機(jī)控制電路、網(wǎng)線(xiàn)連接電路，程序下載接口電路、雙色數(shù)碼管顯示電路等，具有典型性、代表性。

所設(shè)計(jì)的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀電路有一個(gè)PQFP-44封裝的STC89C58RD+單片機(jī)芯片，體積小，重量輕；二個(gè)RJ45網(wǎng)線(xiàn)插座；一個(gè)RS232串行通訊接口；16個(gè)0.56英寸的一位雙色數(shù)碼管；6個(gè)SOP16封裝的集成8位移位寄存器74HC595和4個(gè)SOP18封裝的集成反相驅(qū)動(dòng)器UL2803APG等。在本電路里面大部分元器件采用貼片安裝，旨在在減小電路板的體積和重量，方便攜帶使用。

1 影響PCB設(shè)計(jì)質(zhì)量的主要因素

很多技術(shù)人員可能感覺(jué)PCB設(shè)計(jì)容易上手，但要設(shè)計(jì)出高水平的PCB，還是會(huì)感覺(jué)到存在一定的難度，無(wú)法滿(mǎn)足電子產(chǎn)品的實(shí)用性、可靠性和安全性等性能要求，這需要技術(shù)人員長(zhǎng)期的實(shí)踐及不斷地學(xué)習(xí)來(lái)積累經(jīng)驗(yàn)。

筆者從事電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)多年，根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)電路的特點(diǎn)和使用要求，首先要考慮的主要因素是元器件的布局。合理布局是PCB設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，如數(shù)控機(jī)床的電腦控制主板，由于當(dāng)初PCB設(shè)計(jì)鈕扣電池太靠近微處理器，工作時(shí)間一長(zhǎng)，電池失效漏液，漏出的液體腐蝕元器件和銅箔導(dǎo)線(xiàn)，造成電路板的損壞，并且很難維修，從而大大縮短了電路板的使用壽命。后經(jīng)改進(jìn)，將電池安裝位置引出電路板，解決了此問(wèn)題，延長(zhǎng)了電路板的使用壽命，受到了用戶(hù)的好評(píng)。其次是要對(duì)PCB布線(xiàn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在PCB布線(xiàn)時(shí)要考慮導(dǎo)線(xiàn)流過(guò)的電流、導(dǎo)線(xiàn)之間承受的電壓、導(dǎo)線(xiàn)之間的相互干擾及導(dǎo)線(xiàn)連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。如在高電壓的電源電路里面，如果某條導(dǎo)線(xiàn)要流過(guò)大電流，除了按要求加寬銅箔的截面積，可能還要求銅箔裸露并上焊錫，使導(dǎo)線(xiàn)有足夠大的截面積來(lái)承受流過(guò)它的電流，保證不燒壞銅箔導(dǎo)線(xiàn)。

2 PCB元器件布局設(shè)計(jì)

數(shù)字網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀的PCB布局設(shè)計(jì)包括確定電路板尺寸、功能分區(qū)及各元器件位置，我們要遵照印制版設(shè)計(jì)通用標(biāo)準(zhǔn)IPC-2221A，這樣才能設(shè)計(jì)出符合要求、性能優(yōu)良的電路板。數(shù)字網(wǎng)線(xiàn)測(cè)試的PCB布局如圖1（a）、（b）所示。

2.1 確定PCB的形狀及尺寸

根據(jù)所有元器件實(shí)際尺寸及工藝要求等來(lái)確定PCB的形狀及尺寸。PCB的長(zhǎng)寬比例一般設(shè)計(jì)為3：2或4：3的長(zhǎng)方形，也可以根據(jù)實(shí)際的需要來(lái)確定PCB的形狀。尺寸選用方面，若過(guò)大，既浪費(fèi)材料，又使電子產(chǎn)品的重量和體積增大，不方便攜帶使用；若過(guò)小，元器件布局困難，嚴(yán)重影響電路的安裝調(diào)試、維修及電氣安全等。如果是采用機(jī)器（波峰焊、回流焊）來(lái)裝配焊接電路板的，還要考慮機(jī)器使用的極限尺寸。數(shù)字網(wǎng)線(xiàn)測(cè)試儀由于有16個(gè)數(shù)碼管、一個(gè)RS232串行通訊接口等元器件，數(shù)量多且封裝絲印面積較大，所以設(shè)計(jì)此PCB尺寸為175mm×110mm。

（a） 頂層元器件布局圖

（b） 底層元器件布局圖

2.2 確定PCB的元器件布局層數(shù)

PCB元器件布局的層數(shù)與電路的復(fù)雜性、電路板的尺寸要求和電氣性能等有關(guān)，一些比較簡(jiǎn)單的電路可以將元器件單層布局，而一些比較復(fù)雜的電路的元器件進(jìn)行雙層布局。數(shù)字網(wǎng)線(xiàn)測(cè)試雖然元件多，PCB尺寸要求較小，在此元器件進(jìn)行雙層布局，大部分元器件在PCB的頂層布局，如顯示用的雙色數(shù)碼管，布在頂層方便觀看。其它一些元器件布在底層，如二個(gè)RJ45網(wǎng)線(xiàn)插座，底層布局，用于連接測(cè)試用的網(wǎng)線(xiàn)，影響不大。

2.3 確定單元電路分區(qū)的布局

單元電路合理分區(qū)，有利于電路可靠、穩(wěn)定地工作，方便電路的檢查和維修。單元電路的分區(qū)布局一般按信號(hào)流程，從左到右，從上到下，同一功能的電路元器件盡量放在一起。各分區(qū)電路盡量相互獨(dú)立，互不干擾。數(shù)字網(wǎng)線(xiàn)測(cè)試儀按電路的結(jié)構(gòu)、功能進(jìn)行PCB分區(qū)，分成：電源電路區(qū)，單片機(jī)控制電路區(qū)，數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)和顯示電路區(qū)，程序下載電路區(qū)和網(wǎng)線(xiàn)插座電路區(qū)等。

2.3.1 電源電路盡量與單片機(jī)控制電路、存儲(chǔ)器電路分開(kāi)，越遠(yuǎn)越好，以防電源電路的大電壓、大電流電磁干擾單片機(jī)、存儲(chǔ)器電路的正常工作，提高電路工作的可靠性。

2.3.2 晶體振蕩器和二個(gè)負(fù)載電容盡量靠近單片機(jī)，避免單片機(jī)工作用的時(shí)鐘振蕩脈沖受干擾，影響單片機(jī)的正常工作。

2.3.3 相同結(jié)構(gòu)的電路，盡量采用對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行元器件的布局，如數(shù)字網(wǎng)線(xiàn)測(cè)試儀發(fā)射數(shù)據(jù)用的8個(gè)雙色數(shù)碼管顯示電路與接收數(shù)據(jù)用的8個(gè)雙色數(shù)碼管顯示電路采用上下對(duì)稱(chēng)布局。

2.4 確定各元器件的具體位置

確定了單元電路的布局后，還要確定各元器件的具體擺放位置。原則是先將體積較大的核心元器件先擺放好，后根據(jù)核心元器件來(lái)合理放置體積較小的元器件，并要根據(jù)電路信號(hào)流程和元器件引腳的連接關(guān)系等來(lái)擺放。

2.4.1 同一單元電路的同一類(lèi)元器件（如0805封裝的貼片電阻）盡量在X或Y方向按順序放在一起，方便安裝和使用，如R3-R4、R6-R7、R9-R10這幾個(gè)電阻采用Y的方向擺放并按順序排列。

2.4.2 元器件之間在X或Y方向上對(duì)齊及均勻分布，疏密有序，多采用左右對(duì)齊或上下對(duì)齊、水平分布或垂直分布，使各元器件的排列有規(guī)律。

2.4.3 各種連接端口（如RJ45網(wǎng)線(xiàn)插座、RS232串行通訊接口）一般擺放在電路板的邊緣，方便連接使用。

3 PCB元器件的布線(xiàn)設(shè)計(jì)

布線(xiàn)是PCB設(shè)計(jì)重要的一環(huán)。布線(xiàn)要根據(jù)工藝要求來(lái)確定布線(xiàn)的層數(shù)、導(dǎo)線(xiàn)的寬度、安全間距等。數(shù)字網(wǎng)線(xiàn)測(cè)試的PCB布線(xiàn)如圖2（a）、（b）所示。

（a）元器件頂層布線(xiàn)圖

（b）元器件底層布線(xiàn)圖

3.1 確定PCB布線(xiàn)的層數(shù)

PCB布線(xiàn)的層數(shù)與電路的復(fù)雜性、電路板的尺寸要求和電氣性能等有關(guān)。數(shù)字網(wǎng)線(xiàn)測(cè)試雖然元件多，元器件封裝的絲面積較大，但電路要求不高，在此進(jìn)行雙層布線(xiàn)。

3.2 確定導(dǎo)線(xiàn)的寬度

導(dǎo)線(xiàn)的寬度設(shè)置一定要考慮導(dǎo)線(xiàn)中流過(guò)的最大電流，如果導(dǎo)線(xiàn)寬度過(guò)小會(huì)燒掉線(xiàn)路板；導(dǎo)線(xiàn)過(guò)寬會(huì)影響布線(xiàn)，使布線(xiàn)困難，甚至布不了線(xiàn)。在條件允許的情況下，電源線(xiàn)、地線(xiàn)盡量寬，最好地線(xiàn)比電源線(xiàn)寬，以保證電氣性能。它們之間的關(guān)系為：地線(xiàn)>電源線(xiàn)>信號(hào)線(xiàn)。如有可能，地線(xiàn)的寬度最好大于3mm；電源線(xiàn)的寬度一般為1.2-2.5mm；信號(hào)線(xiàn)為0.2-0.3mm，最細(xì)寬度可達(dá)0.05-0.07mm。數(shù)字電路PCB地線(xiàn)可用粗導(dǎo)線(xiàn)來(lái)構(gòu)成一個(gè)回路，即組成一個(gè)地網(wǎng)絡(luò)來(lái)使用，但模擬電路不可以使用這樣的地。

3.3 確定導(dǎo)線(xiàn)之間的安全間距

導(dǎo)線(xiàn)的安全間距（即導(dǎo)線(xiàn)最小間距）與導(dǎo)線(xiàn)間的電壓有密切關(guān)系，可根據(jù)IPC-2221標(biāo)準(zhǔn)推算出。安全間距過(guò)小，有可能導(dǎo)線(xiàn)間擊穿短路；安全間距過(guò)大，也會(huì)造成PCB布線(xiàn)困難。要計(jì)算導(dǎo)線(xiàn)之間的電壓比較困難，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)之間的安全間距可采用“3W規(guī)則”來(lái)確定，即兩相鄰導(dǎo)線(xiàn)的中心間距要大于3倍的導(dǎo)線(xiàn)寬度。要使電路達(dá)到優(yōu)良的抗干擾性能，相鄰導(dǎo)線(xiàn)間距要大于10W。

3.4 導(dǎo)線(xiàn)與過(guò)孔的設(shè)置

布線(xiàn)不要采用90°，盡可能采用45°折線(xiàn)，以減小高頻信號(hào)的干擾，必要時(shí)，我們還可以采用弧形布線(xiàn)。過(guò)孔大小和數(shù)量的合理設(shè)置，提高布線(xiàn)效率。過(guò)孔的大小一般設(shè)置為0.7-1.27mm，如果布線(xiàn)的密度較高時(shí)，可適當(dāng)減小過(guò)孔的大小，但不要太小，一般可采用0.6-1.0mm。信號(hào)線(xiàn)的過(guò)孔要盡量少，以減少對(duì)信號(hào)的干擾。

3.5 電氣規(guī)則檢查

PCB布完線(xiàn)后要進(jìn)行DRC電氣規(guī)則檢查，以保證PCB布線(xiàn)的電氣性能。主要檢查PCB有無(wú)漏掉布線(xiàn)、安全間距違規(guī)等，發(fā)現(xiàn)有違規(guī)，需要及時(shí)排除，保證PCB的質(zhì)量。

3.6 覆銅

在DRC電氣規(guī)則檢查沒(méi)有問(wèn)題后，可以進(jìn)行覆銅，以減少地線(xiàn)阻抗，提高電路的抗干擾能力；降低壓降，提高電源效率；以及覆銅與地線(xiàn)相連，減小環(huán)路面積。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)介紹了數(shù)字網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀的PCB布局和布線(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程、要求和規(guī)則，并經(jīng)過(guò)實(shí)際的制板、元器件安裝、調(diào)試、測(cè)試及使用，完全可以達(dá)到實(shí)際產(chǎn)品使用的要求。PCB設(shè)計(jì)合理，符合工藝規(guī)范，為其它技術(shù)人員設(shè)計(jì)PCB提供了一定的參考價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

[1]黃智偉.印制電路板（PCB）設(shè)計(jì)技術(shù)與實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社.2009.

[2]鄭振宇，林超文，徐龍俊，等.Altium Designer PCB畫(huà)板速成[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016.

[責(zé)任編輯：張濤]