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PCB 设计与技巧 主讲 : 李良荣. 内容提要. PCB 概述 PCB 设计流程 PCB Layout 设计 PCB Layout 技巧 EMC 知识 附录 A 、 B. PCB 概 述. 1 、 PCB 中文-印刷电路板 英文 - Printed Circuit Board 2 、 PCB 板的质量由基材的选用,组成电路各要素的物理特性决定的。. PCB 概 述. 3 、 PCB 的材料分类(刚性、挠性) A 、酚醛纸质层压板 B 、环氧纸质层压板 C 、聚酯玻璃毡层压板 D 、环氧玻璃布层压板 E 、聚酯薄膜 F 、聚酰亚胺薄膜

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Presentation Transcript
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PCB设计与技巧

主讲:李良荣


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内容提要

  • PCB概述

  • PCB设计流程

  • PCB Layout设计

  • PCB Layout技巧

  • EMC知识

  • 附录A、B


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PCB概 述

1、PCB

中文-印刷电路板

英文-Printed Circuit Board

2、PCB板的质量由基材的选用,组成电路各要素的物理特性决定的。


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PCB概 述

3、PCB的材料分类(刚性、挠性)

A、酚醛纸质层压板

B、环氧纸质层压板

C、聚酯玻璃毡层压板

D、环氧玻璃布层压板

E、聚酯薄膜

F、聚酰亚胺薄膜

G、氟化乙丙烯薄膜


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PCB概 述

4、PCB基板材料

A、 FR-4

B、聚酰亚氨

C、聚四氟乙烯

D、 (G10)

E、FR5 (G11)


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PCB概 述

5、组成PCB的物理特性

A、导线(线宽、线距)

B、过孔

C、焊盘

D、槽

E、表面涂层


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PCB概 述

6、PCB板按层数来分

A、单面板(单面、双面丝印)

B、双面板(单面、双面丝印)

C、四层板(两层走线、电源、GND)

D、六层板(四层走线、电源、GND)

E、雕刻板


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PCB概 述

7、PCB的基本制作工艺流程:

A、下料 B、丝网漏印

C、腐蚀 D、去除印料

E、孔加工 F、印标记

G、涂助焊剂 H、成品


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第二部分PCB 设计流程


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PCB 设计流程


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PCB 设计流程

  • 拿到原理图,进行分析,进行DRC检查。标准元件库的建立,特殊元器件的建立,具体印制板设计文件的建立,转网表。

  • 网表的输入。

  • 规则设置:进行线宽、线距、层定义、过孔、全局参数的设置等。


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PCB设计流程

  • 根据印制板结构尺寸画出边框,参照原理图,结合机构进行布局,检查布局。

  • 参照原理图进行预布线,检查布线是否符合电路模块要求,修改布线,并符合相应要求。


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PCB设计流程

  • PCB制作初步完成,“铺铜”与“补铜”,进行连线、连通性、间距、“孤岛”、文字标识检查,并对其进行修改,使其符合要求。

  • 检查无误后,生成底片,到此PCB板制作完成。


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第三部分PCB Layout设计


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PCB Layout设计

一、设计准备

原理图分析,DRC检查。标准元件库的建立,特殊元器件的建立,印制板设计文件的建立,转网表。


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PCB Layout设计


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PCB Layout设计


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PCB Layout设计


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PCB Layout设计


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PCB Layout设计

二、网表输入

将生成的网表转换到PCB设计中。

三、规则设置

进行线宽、线距、层定义、过孔、全局参数的设置等。


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PCB Layout设计

PCB布局的一般规则:

a、信号流畅,信号方向保持一致

b、核心元件为中心

c、在高频电路中,要考虑元器件的分布参数

d、特殊元器件的摆放位置;批量生产时,要考虑波峰焊及回流焊的锡流方向及加工工艺传送边。


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PCB Layout设计

四、手工布局

根据印制板结构尺寸画出边框,参照原理图,结合机构进行布局。并进行检查。


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PCB Layout设计

一、布局前的准备

a、画出边框;

b、定位孔和对接孔进行位置确认;

c、板内元件局部的高度控制;

d、重要网络的标志。


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PCB Layout设计

二、PCB布局的顺序:

a、固定元件

b、有条件限制的元件

c、关键元件

d、面积比较大元件

e、零散元件


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PCB Layout设计

三、参照原理图,结合机构,进行布局


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PCB Layout设计

四、布局检查:

1、检查元件在二维、三维空间上是否有冲突。

2、元件布局是否疏密有序,排列整齐。

3、元件是否便于更换,插件是否方便。

4、热敏元件与发热元件是否有距离。

5、信号流程是否流畅且互连最短。

6、插头、插座等机械设计是否矛盾。

7、元件焊盘是否足够大。


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PCB Layout设计

五、手工布线

参照原理图进行预布线,检查布线是否符合电路模块要求,修改布线,并符合相应要求。


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PCB Layout设计

一、走线规律:

1、走线方式

尽量走短线,特别是小信号。12mil。

2、走线形状

同一层走线改变方向时,应走斜线。

3、电源线与地线的设计

40-100mil,高频线用地线屏蔽。

4、多层板走线方向

相互垂直,层间耦合面积最小;禁止平行走线。

5、焊盘设计的控制


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PCB Layout设计

二、布线

首先,进行预连线,看一下项目的可连通性怎样,并根据原理图及实际情况进行器件调整,使其更加有利于走线。


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PCB Layout设计

三、检查走线

1、间距是否合理,是否满足生产要求。

2、电源线和地线的宽度是否合适,电源与地线之间是否紧耦合(低的波阻抗)。

3、对于关键的信号线是否采取了最佳措施,输入线及输出线要明显地分开。

4、模拟电路和数字电路部分,是否有各自独立的地线。


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PCB Layout设计

5、后加在PCB中的图形(如图标、注标)是否会造成信号短路。

6、对一些不理想的线形进行修改。

7、在PCB上是否加有工艺线?阻焊是否符合生产工艺的要求,阻焊尺寸是否合适,字符标志是否压在器件焊盘上,以免影响电装质量。

8、多层板中的电源地层的外框边缘是否缩小,如电源地层的铜箔露出板外容易造成短路。


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PCB Layout设计

六、项目检查

PCB制作初步完成,“铺铜”与“补铜”,连线、连通性、间距、“孤岛”、文字标识


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PCB Layout设计

对线路进行检查,进行补铜处理,重新排列元件标识;通过检查窗口,对项目进行间距、连通性检查。


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PCB Layout设计

七、CAM 输出

检查无误后,生成底片,并作CAM350检查。


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PCB Layout设计

到此,PCB设计就完成了,最后CAM350检查,无误后,就可以送底片了。

项目完了,作存档记录。


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第四部分PCB设计技巧


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PCB设计技巧

1、为确保正确实现电路,遵循的设计准则:

  • (1)尽量采用地平面作为电流回路

  • (2)将模拟地平面和数字地平面分开

  • (3)如果地平面被信号走线隔断,为降低对地电流回路的干扰,应使信号走线与地平面垂直;

  • (4)模拟电路尽量靠近电路板边缘放置,数字电路尽量靠近电源连接端放置,这样做可以降低由数字开关引起的di/dt效应。


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PCB设计技巧

分隔开的地平面有时比连续的地平面有效


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PCB设计技巧

2、无地平面时的电流回路设计(1) 如果使用走线,应将其尽量加粗

(2)应避免地环路(3)如果不能采用地平面,应采用星形连接策略

(4)数字电流不应流经模拟器件

(5)高速电流不应流经低速器件


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PCB设计技巧

如果不能采用地平面,可以采用“星形”布线策略来处理电流回路


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PCB设计技巧

旁路或去耦电容

电源入口,IC芯片电源输入


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PCB设计技巧

旁路或去耦电容

电源入口,IC芯片电源输入


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PCB设计技巧

布局规划

模拟电路放置在线路的末端


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PCB设计技巧

印制导线宽度与容许电流


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PCB设计技巧

3、高频数字电路pcb布线规则如下:

(1)高频数字信号线要用短线。

(2)主要信号线集中在pcb板中心。

(3)时钟发生电路应在板的中心附近,时钟扇出应采用菊链式和并联布线。

(4)电源线应远离高频数字信号线,或用地线隔开,电路布局必须减少电流回路,电源的分布必须是低感应的(多路设计)

(5)输入与输出之间的导线避免平行。


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PCB设计技巧

4. 布线的注意事项:

(1)专用地线、电源线宽度应大于1mm。

(2)其走线应成“井”字型排列,以便是分部电流平衡。

(3)尽可能的缩短高频器件之间的连线,设法减少它们之间地分布参数和相互间的信号干扰。


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PCB设计技巧

(4)某些元器件或导线可能有较高的电位差,应加大它们的间距,避免放电引起意外短路。

(5)尽量加大电源线宽度,减少环路电阻,电源线、地线的走向和数据传递方向一致,有助于增强抗干扰能力。

(6)当频率高于100k时,趋附效应就十分严重了,高频电阻增大


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第五部分EMC知识


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EMC 知识

1、电磁兼容(Electromagnetic Compatibility--EMC)

是指设备或系统在其电磁环境中正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。

两个含义:

(1)“污染”;(2)防御。


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EMC 知识

电磁噪声耦合途径


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EMC 知识

电磁噪声传播途径示意图


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EMC 知识


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EMC 知识

系 统 接 地

接地按主要功能划分:

A、安全地 B、信号地

C、机壳地 D、屏蔽地

安全接地子系统:

A、防止设备漏电的安全接地

B、防止雷击的安全接地


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EMC 知识

A、防止设备漏电的安全接地


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EMC 知识

B、防止雷击的安全接地

使用高建筑物避雷针技术

防雷保护面积:9πh2

h:避雷针离地面的高度


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EMC 知识

  • 信号地系统的几种形式:单点接地系统、多点地网或地平面接地系统、复合接地系统、浮地。

  • 单点信号地系统


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多点地网和地平面信号系统

  • 多用于高频(>10MHz)电路。


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EMC 知识

比较大型设备机壳接地示意图


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集中控制组合装置接地系统示意图

在控制装置与功率变换装置中,专门设置了噪声地线,一般为继电器、接触器、马达专用,两装置之间的控制与反馈电路均采用屏蔽电缆连接,并与功率变换输出电缆及电力电缆尽量远离,其屏蔽层屏蔽层正确接地,系统分布范围通常以15m为限制为佳。


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大型分散组合系统的接地系统

  • 此接法基于地平面及地栅网具有优良接地性能地优点;

  • 计算机集中监控系统必须配置专用的计算机接地系统,禁止也与其他系统接地相连,并保持足够远的距离;

  • 信号传送必须经过信号隔离与良好的屏蔽。


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计算机集中监控室的接地系统

  • 交流进线部分用EMI滤波器,将电网与系统的瞬态及高频噪声加以有效地隔离;

  • 供电柜的电源变压器采用双屏蔽,将变压器的原副边绕组之间的漏电容减少到几个pf左右,保证电网任何瞬态噪声均不会进入计算机主控电源;

  • 监控室的IN/OUT信号线,均采用屏蔽电缆,屏蔽层正确接地。


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屏 蔽

屏 蔽 技 术

  • 屏蔽电场的条件:完善的屏蔽及屏蔽体良好接地。

    磁 场 技 术

    1、采用高磁导率材料地屏蔽体进行磁屏蔽

    2、采用反向磁场抵消的办法,实现磁屏蔽


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磁 场 技 术

A图可以屏蔽高频干扰源磁场,W 》Wc时,Is约=I1。

B图可以用来屏蔽低频磁场。W < Wc 时,Is<I1,随着W的降低,越来越多的电流将从地阻抗分流,因而达不到目的。


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滤 波

电源EMI滤波器与电源滤波器

  • 电源EMI滤波器:IN端通常与噪声源相连,OUT端与电网相连,主要目的是防止由电力电子装置产生的传导行噪声进入电网;

  • 电源滤波器: IN端与电网相连,OUT端与电子设备直接相连,主要目的是防止电网输电线中的各种高频及瞬态噪声,通过传导耦合进入电子装置,对其进行干扰。


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EMI滤波器

EMI的基本电路

右:方框图

下:原理图


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EMI滤波器的电路结构

A:低的源和负载阻抗 B:高的源和负载阻抗

C:低的源阻抗和高的负载阻抗

D:高的源阻抗和低的负载阻抗


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电源EMI滤波器允许的最大串联电感:

Lmax=△Umax/2πfmIm

△Umax:允许电感器上的电压降

Lmax :允许串连电感的数值

Fm :电网频率

Im :网测额定工作电流


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电源EMI滤波器允许的最大滤波电容:

Cy=Ig/ (Um*2 πfm)

Cy :最大滤波电容

Ig :接地漏电流

Um :电网电压

fm :电网频率

对于小功率电子设备:

Lmax Cmax=100uHuF


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A:原理图规范

1、原理图使用模块化方式绘制,这样利于读原理图,又利于模块化布局。

2、原理图大部分的PCB封装要确认下来,个别器件没有封装,作个标志,利于我们建库、添加封装。


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原理图规范

3、原理图必须通过DRC检验。


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原理图规范

DRC检查:


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B:PCB检查

1、检查线路设计是否与原理图设计思想一致。

2、检查定位孔与PCB的大小,以及固定键安装位置是否与机构相吻合。

3、结合EMC知识,看PCB 是否有不符合EMC常规的线路。


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PCB检查

4、检查PCB封装是否与实物相对应。

1)三极管、稳压器件的封装。


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PCB检查

2)双排插件:


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