在PCB(印制電路板)中,印制導(dǎo)線用來實(shí)現(xiàn)電路元件和器件之間電氣連接,是PCB中的重要組件,PCB導(dǎo)線多為銅線,銅自身的物理特性也導(dǎo)致其在導(dǎo)電過程中必然存在一定的阻抗,導(dǎo)線中的電感成分會(huì)影響電壓信號(hào)的傳輸,而電阻成分則會(huì)影響電流信號(hào)的傳輸,在高頻線路中電感的影響尤為嚴(yán)重,因此,在PCB設(shè)計(jì)中必須注意和消除印制導(dǎo)線阻抗所帶來的影響。1印制導(dǎo)線產(chǎn)生干擾的原因PCB上的印制導(dǎo)線通電后在直流或交流狀態(tài)下分別對(duì)電流呈現(xiàn)電阻或感抗,而平行導(dǎo)線之間存在電感效應(yīng),電阻效應(yīng),電導(dǎo)效應(yīng),互感效應(yīng);一根導(dǎo)線上的變化電流必然影響另一根導(dǎo)線,從而產(chǎn)生干擾;PCB板外連接導(dǎo)線甚至元器件引線都可能成為發(fā)射或接收干擾信號(hào)的天線。印制導(dǎo)線的直流電阻和交流阻抗可以通過公式和公式來計(jì)算,R=PL/S和XL=2πfL式中L為印制導(dǎo)線長度(m),s為導(dǎo)線截面積(mm2),ρ為銅的電阻率,TT為常數(shù),f為交流頻率。正是由于這些阻抗的存在,從而產(chǎn)生一定的電位差,這些電位差的存在,必然會(huì)帶來干擾,從而影響電路的正常工作。2 PCB電流與導(dǎo)線寬度的關(guān)系PCB導(dǎo)線寬度與電路電流承載值有關(guān),一般導(dǎo)線越寬,承載電流的能力越強(qiáng)。在實(shí)際的PCB制作過程中,導(dǎo)線寬度應(yīng)以能滿足電氣性能要求而又便于生產(chǎn)為宜,它的最小值以承受的電流大小而定,導(dǎo)線寬度和間距可取0.3mm(12mil)。導(dǎo)線的寬度在大電流的情況下還要考慮其溫升問題。PCB設(shè)計(jì)銅鉑厚度、線寬
1.系統(tǒng)布局是否保證布線的合理或者最優(yōu),是否能保證布線的可靠進(jìn)行,是否能保證電路工作的可靠性。在布局的時(shí)候需要對(duì)信號(hào)的走向以及電源和地線網(wǎng)絡(luò)有整體的了解和規(guī)劃。2.印制板尺寸是否與加工圖紙尺寸相符,能否符合PCB制造工藝要求、有無行為標(biāo)記。這一點(diǎn)需要特別注意,不少PCB板的電路布局和布線都設(shè)計(jì)得很漂亮、合理,但是疏忽了定位接插件的精確定位,導(dǎo)致設(shè)計(jì)的電路無法和其他電路對(duì)接。3.元件在二維、三維空間上有無沖突。注意器件的實(shí)際尺寸,特別是器件的高度。在焊接免布局的元器件,高度一般不能超過3mm。4.元件布局是否疏密有序、排列整齊,是否全部布完。在元器件布局的時(shí)候,不僅要考慮信號(hào)的走向和信號(hào)的類型、需要注意或者保護(hù)的地方,同時(shí)也要考慮器件布局的整體密度,做到疏密均勻。5.需經(jīng)常更換的元件能否方便地更換,插件板插入設(shè)備是否方便。應(yīng)保證經(jīng)常更換的元器件的更換和接插的方便和可靠。6.調(diào)整可調(diào)元件是否方便。7.熱敏元件與發(fā)熱元件之間是否有適當(dāng)?shù)木嚯x。8.在需要散熱的地方是否裝有散熱器或者風(fēng)扇,空氣流是否通暢。應(yīng)注意元器件和電路板的散熱。9.信號(hào)走向是否順暢且互連最短。10.插頭、插座等與機(jī)械設(shè)計(jì)是否矛盾。11.線路的干擾問題是否有所考慮。12.電路板的機(jī)械強(qiáng)度和性能是否有所考慮。13.電路板布局的藝術(shù)性及其美觀性。
這里主要是說了從PCB設(shè)計(jì)封裝來解析選擇元件的技巧。元件的封裝包含很多信息,包含元件的尺寸,特別是引腳的相對(duì)位置關(guān)系,還有元件的焊盤類型。當(dāng)然我們根據(jù)元件封裝選擇元件時(shí)還有一個(gè)要注意的地方是要考慮元件的外形尺寸。引腳位置關(guān)系:主要是指我們需要將實(shí)際的元件的引腳和PCB元件的封裝的尺寸對(duì)應(yīng)起來。我們選擇不同的元件,雖然功能相同,但是元件的封裝很可能不一樣。我們需要保證PCB焊盤尺寸位置正確才能保證元件能正確焊接。焊盤的選擇:這個(gè)是我們需要考慮的比較多的地方。首先包括焊盤的類型。其類型包括兩種,一是電鍍通孔,一種是表貼類型。我們需要考慮的因素有器件成本、可用性、器件面積密度和功耗等因數(shù)。從制造角度看,表貼器件通常要比通孔器件便宜,而且一般可用性較高。對(duì)于我們一般設(shè)計(jì)來說,我們選擇表貼元件,不僅方便手工焊接,而且有利于查錯(cuò)和調(diào)試過程中更好的連接焊盤和信號(hào)。其次我們還應(yīng)該注意焊盤的位置。因?yàn)椴煌奈恢?,就代表元件?shí)際當(dāng)中不同的位置。我們?nèi)绻缓侠戆才藕副P的位置,很有可能就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)區(qū)域元件過密,而另外一個(gè)區(qū)域元件很稀疏的情況,當(dāng)然情況更糟糕的是由于焊盤位置過近,導(dǎo)致元件之間空隙過小而無法焊接,下面就是我失敗的一個(gè)例子,我在一個(gè)光耦開關(guān)旁邊開了通孔,但是由于它們的位置過近,導(dǎo)致光耦開關(guān)焊接上去以后,通孔無法再放置螺絲了。另外一種情況就是我們要考慮焊盤如何焊接。在實(shí)際過程中我們常按一個(gè)特定的方向排列焊盤,焊接起來比較方便。元件的外形尺寸:在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中,一些元件(如有極性電容)可能有高度凈空限制,所以我們需要在元件選擇過程中加以考慮。我們?cè)谧畛蹰_始設(shè)計(jì)時(shí),可以先畫一個(gè)基本的電路板外框形狀,然后放置上一些計(jì)劃要使用的大型或位置關(guān)鍵元件(如連接器)。這樣,就能直觀快速地看到(沒有布線的)電路板虛擬透視圖,并給出相對(duì)精確的電路板和元器件的相對(duì)定位和元件高度。這將有助于確保PCB經(jīng)過裝配后元件能合適地放進(jìn)外包裝(塑料制品、機(jī)箱、機(jī)框等)內(nèi)。當(dāng)然我們還可以從工具菜單中調(diào)用三維預(yù)覽模式瀏覽整塊電路板。對(duì)于元件的選擇,除了要依據(jù)設(shè)計(jì)要求外,還要選擇正規(guī)廠家所生產(chǎn)的產(chǎn)品,這樣才能保證實(shí)現(xiàn)你的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
開發(fā)SMT焊接如果阻抗變化只發(fā)生一次,例如線寬從8mil變到6mil后,一直保持6mil寬度這種情況,要達(dá)到突變處信號(hào)反射噪聲不超過電壓擺幅的5%這一噪聲預(yù)算要求,SMT焊接阻抗變化必須小于10%。這有時(shí)很難做到,以 FR4板材上微帶線的情況為例,我們計(jì)算一下。如果線寬8mil,線條和參考平面之間的厚度為4mil,特性阻抗為46.5歐姆。線寬變化到6mil后特性阻抗變成54.2歐姆,阻抗變化率達(dá)到了20%。反射信號(hào)的幅度必然超標(biāo)。至于對(duì)信號(hào)造成多大影響,還和信號(hào)上升時(shí)間和驅(qū)動(dòng)端到反射點(diǎn)處信號(hào)的時(shí)延有關(guān)。但至少這是一個(gè)潛在的問題點(diǎn)。幸運(yùn)的是這時(shí)可以通過阻抗匹配端接解決問題。如果阻抗變化發(fā)生兩次,例如線寬從8mil變到6mil后,拉出2cm后又變回8mil。那么在2cm長6mil寬線條的兩個(gè)端點(diǎn)處都會(huì)發(fā)生反射,一次是阻抗變大,發(fā)生正反射,接著阻抗變小,發(fā)生負(fù)反射。如果兩次反射間隔時(shí)間足夠短,兩次反射就有可能相互抵消,從而減小影響。假設(shè)傳輸信號(hào)為1V,第Y次正反射有0.2V被反射,1.2V繼續(xù)向前傳輸,第二次反射有 -0.2*1.2 = 0.24v被反射回。再假設(shè)6mil線長度極短,兩次反射幾乎同時(shí)發(fā)生,那么總的反射電壓只有0.04V,小于5%這一噪聲預(yù)算要求。因此,這種反射是否影響信號(hào),有多大影響,和阻抗變化處的時(shí)延以及信號(hào)上升時(shí)間有關(guān)。研究及實(shí)驗(yàn)表明,只要阻抗變化處的時(shí)延小于信號(hào)上升時(shí)間的20%,反射信號(hào)就不會(huì)造成問題。如果信號(hào)上升時(shí)間為1ns,那么阻抗變化處的時(shí)延小于0.2ns對(duì)應(yīng)1.2英寸,反射就不會(huì)產(chǎn)生問題。也就是說,對(duì)于本例情況,6mil寬走線的長度只要小于3cm就不會(huì)有問題。