PCB

PCB( Printed Circuit Board),中文名称为印制电路板,又称印刷线路板,是重要的电子部件,是电子元器件的支撑体,是电子元器件电气连接的载体。由于它是采用电子印刷术制作的,故被称为“印刷”电路板。

而双层pcb板即双层线路板,双层线路板这种电路板的两面都有布线,不过要用上两面的导线,必须要在两面间有适当的电路连接才行。这种电路间的“桥梁”叫做导孔。导孔是在pcb上,充满或涂上金属的小洞,它可以与两面的导线相连接。用PROTEL画双面pcb板子的时候,在TopLayer(顶层)上画导线连接元器件,就是在顶层画板; 选择BottomLayer(底层),在底层上画导线连接元器件,就是在底层上画板。以上就是画双层pcb,意思是在一块pcb板子的顶层和底层都画导线。双面板解决了单面板中因为布线交错的难点(可以通过孔导通到另一面),即正反两面都有布线,元器件可以焊接在正面,也可以焊接在反面,它更适合用在比单面板更复杂的电路上。

双层pcb板—设计及布线原则

双层板地线设计成栅状围框形成,即在印制板一面布较多的平行地线,另一面为抄板垂直地线,然后在它们交叉的地方用金属化过孔连接起来(过孔电阻要小)。  

为考虑到每个IC芯片近旁应设有地线,往往每隔1~115cm布一根地线,这样密集的地线使信号环路的面积更小,有利于降低辐射。该地网设计方法应在布信号线之前,否则实现比较困难。

双层pcb板信号线布线原则

双层板在元器件合理布局确定后,紧接着先设计地网抄板电源线,再布重要线---敏感线、高频线,后布一般线---低频线。关键引线最好有独立的电源,地线回路,引线且非常短,所以有时在关键线边上布一条地线紧靠信号线,让它形成最小的工作回路。

四层板顶面、底面的布线原则同双层板的信号线,也是先布关键晶体、晶振电路,时钟电路,CPU等信号线,一定要遵守环流面积尽量小的原则。

印制板IC电路工作时,前面多次提及环流面积,实际它的出处在差模辐射的概念。如差模辐射的定义:电路工作电流在信号环路中流动,这个信号环路会产生电磁辐射,由于这种电流是差模的,因此信号环路产生的辐射称为差模辐射,其辐射场强的计算公式:E1=K1·f2·I·A/γ

式中:E1---差模抄板印制板电路空间γ处的辐射场强由差模辐射公式可见,其辐射场强与工作频率f2、环流面积A、工作电流I成正比,如当工作频率f确定后,环流面积的大小是我们设计中可直接控制的关键因素,同时环流工作速度、电流只要满足可靠性,并非越大越好,信号上跳沿下跳沿越窄,它的谐波分量就越大,越宽,电磁辐射就越高,功率越大其电流必然就大(上述已指出过),这是我们不期望的。电路开关速度越快,则允许的面积越小。

关键的联线,如有可能其周围均可用地线包围之。另待PCB抄板布线完毕后,可用地线将所有空隙覆盖,但必须注意这些覆盖地线都要与大地层低阻抗的联体短接,这样能取得良好的效果(注意:有空隙要求的应满足条件,如爬电距离等)。

双层pcb板—布线技巧

使用自动布线器来设计pcb 是吸引人的。大多数的情形下,自动布线对纯数字的电路(尤其是低频率信号且低密度的电路)的动作不至于会有问题。但当尝试使用布线软件提供的自动布线工具做模拟、混合讯号或高速电路的布线时,可能会出现一些问题,而且有可能造成极严重的电路性能问题。关于布线有许多要考虑的事项,但较为困扰的问题是接地方式。假使接地路径是由上层开始,每个装置的接地皆经由在该层上的拉线连接到地线。对下层的每个装置而言,是由电路板右边的贯孔连接到上层而形成接地回路。使用者在检查布线方式时会看到的立即红色旗标表示存在多个接地回路。

此外,下层的接地回路被一条水平处。可降低数字切换δi/δt 对模拟电路造成的影响。 但须注意的是,这两片双层板在电路板的下层都有一个接地面。如此设计是为了让工程师在做故障排除时可以迅速地看到布线,此种方式常出现在装置制造商的示范与评估板上。但更典型的做法是在电路板的上层铺上接地面,以降低电磁干(emi)。

双层pcb板—设计操作步骤
1、准备电路原理图
2、新建一个pcb文件并载入元器件封装库
3、规划电路板
4、装入网络表和元件
5、元器件自动布局
6、布局调整
7、网络密度分析
8、布线规则设定
9、自动布线
10、手动调整布线

双层pcb板—PCB设计经验(嵌入式硬件经验)
1. clearance间距一般最小10mil, 高密度布线的话最少也要5mil
2. 从焊座出来的线,要出线至少10mil再变向,不要斜出线,会产生锐角,不美观
3. 主电源线(电流比较大)的过孔用双孔并列方式,防止一个过孔失效电路不能工作
4.电源入口电容采用100uf并104陶瓷的方式 出口电容容量要足够大满足电路要求(大电流时不会把电压瞬间拉低)。关断二极管离电源芯片输出引脚越近越好
5.电源部分电阻电容要核算功率,封装要满足功率要求
6. 多个射频电路,可以将射频交叉布在不同层上,减少干扰
7.要注意引线位置,要满足原理图,不是信号相同就可以任意位置可以引出
8.相同特性的信号线布线时信号特性要一样,走线距离尽量一样长,过孔数相同
9.将一些电源的去耦电容滤波电容可以骑在管脚上放于反面,节省空间也缩短布线距离
10.布线采用经纬布线,上下层布线清晰,也能减少过孔,减小干扰
11.绘制原理图时要严格核算电源芯片额定电流额定功率,使其满足实际负载要求
12.布线时要将直插式元件放于周围,不要放在核心布线区,这样会产生穿插,影响经纬走线。 防止穿插,因为焊接时可能刮破线路的组焊层,这样焊管脚时就可能产生粘连
13.网络芯片下禁止铺铜
14.焊接时晶振严谨摔,因为过度的震荡会影响其性能
15.板子四角最好做成圆角 防止刮伤

来源:玩转单片机

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电子设备工作时产生的热量,使设备内部温度迅速上升,若不及时将该热量散发,设备会持续升温,器件就会因过热失效,电子设备的可靠性将下降。因此,对电路板进行散热处理十分重要。

一、印制电路板温升因素分析

引起印制板温升的直接原因是由于电路功耗器件的存在,电子器件均不同程度地存在功耗,发热强度随功耗的大小变化。

印制板中温升的2种现象:

(1)局部温升或大面积温升;

(2)短时温升或长时间温升。

在分析PCB热功耗时,一般从以下几个方面来分析。

1、电气功耗

(1)分析单位面积上的功耗;

(2)分析PCB电路板上功耗的分布。

2、印制板的结构

(1)印制板的尺寸;

(2)印制板的材料。

3、印制板的安装方式

(1)安装方式(如垂直安装,水平安装);

(2)密封情况和离机壳的距离。

4、热辐射

(1)印制板表面的辐射系数;

(2)印制板与相邻表面之间的温差和他们的绝对温度;

5、热传导

(1)安装散热器;

(2)其他安装结构件的传导。

6、热对流

(1)自然对流;

(2)强迫冷却对流。

从PCB上述各因素的分析是解决印制板的温升的有效途径,往往在一个产品和系统中这些因素是互相关联和依赖的,大多数因素应根据实际情况来分析,只有针对某一具体实际情况才能比较正确地计算或估算出温升和功耗等参数。

二、电路板散热方式

1、高发热器件加散热器、导热板

当PCB中有少数器件发热量较大时(少于3个)时,可在发热器件上加散热器或导热管,当温度还不能降下来时,可采用带风扇的散热器,以增强散热效果。当发热器件量较多时(多于3个),可采用大的散热罩(板),它是按PCB板上发热器件的位置和高低而定制的专用散热器或是在一个大的平板散热器上抠出不同的元件高低位置。将散热罩整体扣在元件面上,与每个元件接触而散热。但由于元器件装焊时高低一致性差,散热效果并不好。通常在元器件面上加柔软的热相变导热垫来改善散热效果。

2、通过PCB板本身散热

目前广泛应用的PCB板材是覆铜/环氧玻璃布基材或酚醛树脂玻璃布基材,还有少量使用的纸基覆铜板材。这些基材虽然具有优良的电气性能和加工性能,但散热性差,作为高发热元件的散热途径,几乎不能指望由PCB本身树脂传导热量,而是从元件的表面向周围空气中散热。但随着电子产品已进入到部件小型化、高密度安装、高发热化组装时代,若只靠表面积十分小的元件表面来散热是非常不够的。同时由于QFP、BGA等表面安装元件的大量使用,元器件产生的热量大量地传给PCB板,因此,解决散热的最好方法是提高与发热元件直接接触的PCB自身的散热能力,通过PCB板传导出去或散发出去。

3、采用合理的走线设计实现散热

由于板材中的树脂导热性差,而铜箔线路和孔是热的良导体,因此提高铜箔剩余率和增加导热孔是散热的主要手段。

评价PCB的散热能力,就需要对由导热系数不同的各种材料构成的复合材料一一PCB用绝缘基板的等效导热系数(九eq)进行计算。

4、对于采用自由对流空气冷却的设备,最好是将集成电路(或其他器件)按纵长方式排列,或按横长方式排列。

5、同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列,发热量小或耐热性差的器件(如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等)放在冷却气流的最上流(入口处),发热量大或耐热性好的器件(如功率晶体管、大规模集成电路等)放在冷却气流最下游。

6、在水平方向上,大功率器件尽量靠近印制板边沿布置,以便缩短传热路径;在垂直方向上,大功率器件尽量靠近印制板上方布置,以便减少这些器件工作时对其他器件温度的影响。

7、对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域(如设备的底部),千万不要将它放在发热器件的正上方,多个器件最好是在水平面上交错布局。

8、设备内印制板的散热主要依靠空气流动,所以在设计时要研究空气流动路径,合理配置器件或印制电路板。空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动,所以在印制电路板上配置器件时,要避免在某个区域留有较大的空域。整机中多块印制电路板的配置也应注意同样的问题。

9、避免PCB上热点的集中,尽可能地将功率均匀地分布在PCB板上,保持PCB表面温度性能的均匀和一致。往往设计过程中要达到严格的均匀分布是较为困难的,但一定要避免功率密度太高的区域,以免出现过热点影响整个电路的正常工作。如果有条件的话,进行印制电路的热效能分析是很有必要的,如现在一些专业PCB设计软件中增加的热效能指标分析软件模块,就可以帮助设计人员优化电路设计。

10、将功耗最高和发热最大的器件布置在散热最佳位置附近。不要将发热较高的器件放置在印制板的角落和四周边缘,除非在它的附近安排有散热装置。在设计功率电阻时尽可能选择大一些的器件,且在调整印制板布局时使之有足够的散热空间。

11、高热耗散器件在与基板连接时应尽能减少它们之间的热阻。为了更好地满足热特性要求,在芯片底面可使用一些热导材料(如涂抹一层导热硅胶),并保持一定的接触区域供器件散热。

12、器件与基板的连接:

(1)尽量缩短器件引线长度;

(2)选择高功耗器件时,应考虑引线材料的导热性,如果可能的话,尽量选择引线横段面最大;

(3)选择管脚数较多的器件。

13、器件的封装选取:

(1)在考虑热设计时应注意器件的封装说明和它的热传导率;

(2)应考虑在基板与器件封装之间提供一个良好的热传导路径;

(3)在热传导路径上应避免有空气隔断,如果有这种情况可采用导热材料进行填充。

来源:网络(版权归原作者所有)

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很多刚接触阻抗的人都会有这个疑问,为什么常见的板内单端走线都是默认要求按照50欧姆来管控而不是40欧姆或者60欧姆?这是一个看似简单但又不好回答的问题。在写这篇文章前我们也查找了很多资料,其中最有知名度的是Howard Johnson, PhD关于此问题的答复,原文可以详见如下链接:http://www.edadoc.com/cn/jswz/show_815.html,相信很多人都有看过。

为什么说不好回答呢?信号完整性问题本身就是一个权衡取舍的问题,所以在业内最著名的一句话也就是:"It depends……" 这就是没有标准答案,仁者见仁智者见智的一个问题。今天高速先生也就这个问题综合各种答复来简单总结下,在此也是抛砖引玉,希望更多的人可以从各自的角度出发总结出更多相关的因素。

首先,50欧姆是有一定历史渊源的,这得从标准线缆说起。我们都知道近代电子技术很大一部分是来源于军队,慢慢的军用转为民用,在微波应用的初期,二次世界大战期间,阻抗的选择完全依赖于使用的需要。随着技术的进步,需要给出阻抗标准,以便在经济性和方便性上取得平衡。在美国,最多使用的导管是由现有的标尺竿和水管连接成的,51.5欧姆十分常见,但看到和用到的适配器/转换器又是50欧姆到51.5欧姆;为联合陆军和海军解决这些问题,一个名为JAN的组织成立了,就是后来的DESC,由MIL特别发展的,综合考虑后最终选择了50欧姆,并且特别的导管被制造出来,并由此转化为各种线缆的标准。此时欧洲标准是60欧姆,不久以后,在象Hewlett-Packard这样在业界占统治地位的公司的影响下,欧洲人也被迫改变了,所以50欧姆最终成为业界的一个标准沿袭下来,也就变成约定俗成了,而和各种线缆连接的PCB,为了阻抗的匹配,最终也是按照50欧姆阻抗标准来要求了。

其次,从加工可实现的角度出发,50欧姆实现起来比较方便。从前面阻抗计算公式可知,过低的阻抗需要较宽的线宽以及薄介质(或较大的介电常数),这对于目前高密板来说空间上比较难满足;过高的阻抗又需要较细的线宽及较厚的介质(或较小的介电常数),不利于EMI及串扰的抑制,同时对于多层板及从量产的角度来讲加工的可靠性会比较差;而50欧姆在常用材料的环境下普通的线宽和介质厚度(4~6mil)即符合设计要求(如下图一阻抗计算),又方便加工,慢慢的成为默认选择也就不足为奇了。


图一 阻抗计算

第三,从损耗的角度出发,根据基本的物理学可以证明50欧姆阻抗趋肤效应损耗最小(摘自Howard Johnson, PhD的回复)。通常电缆的趋肤效应损耗L(以分贝做单位)和总的趋肤效应电阻R(单位长度)除以特性阻抗Z0成正比。总的趋肤效应电阻R是屏蔽层和中间导体电阻之和。屏蔽层的趋肤效应电阻在高频时,和它的直径d2成反比。同轴电缆内部导体的趋肤效应电阻在高频时,和他的直径d1成反比。总共的串联电阻R,因此和(1/d2+1/d1)成正比。综合这些因素,给定d2和相应的隔离材料的介电常数Er,可以用以下公式来使得趋肤效应损耗最小。

2

在任何关于电磁场和微波的基础书中,都可以找到Z0是d2,d1和Er的函数。

3

把公式2代入公式1中,分子分母同时乘以d2,整理得到

4

从公式3分离出常数项( /60)*(1/d2),有效的项((1+d2/d1)/ln(d2/d1))来确定最小值点。仔细查看公式3的最小值点仅由d2/d1控制,和Er以及固定值d2无关。以d2/d1为参数,为L做图,显示d2/d1=3.5911时,取得最小值。假定固态聚乙烯的介电常数为2.25,d2/d1=3.5911 得出特性阻抗为51.1欧姆。很久之前,无线电工程师为了方便使用,把这个值近似为50欧姆作为同轴电缆最优值。这证明了在50欧姆附近,L是最小的。

最后,从电气性能的角度看,50欧姆的优势也是综合考虑之后的折中。单纯从PCB走线的性能来说,阻抗低比较好,对一个给定线宽的传输线,和平面距离越近,相应的EMI会减小,串扰也会因此减小,同时也不易受容性负载影响。但从全路径的角度看,还需要考虑最关键的一个因素,那就是芯片的驱动能力,早期大多数芯片驱动不了阻抗小于50欧姆的传输线,而更高阻抗的传输线由于实现起来不便,所以折中采用了50欧姆阻抗。

综上所述:50欧姆作为业界的默认值有其先天的优势,同时也是综合考虑后的折中方案,但并不是说就一定要用50欧姆阻抗了,很多时候还是取决于与之匹配的接口,如75欧姆仍然是远程通讯的标准,一些线缆和天线都是使用的75欧姆,此时就需要与之匹配的PCB线路阻抗。另外还有一些特殊的芯片通过改善芯片驱动能力,来降低传输线的阻抗,以此得到更好的抑制EMI和串扰的效果,如Intel的多数芯片要求阻抗控制在37欧姆、42欧姆甚至更低,在此不再赘述。

来源:搏科技自媒体

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