PCB设计需要知道的5个准则

2020-03-10

1、微调器件位置

2、放置电源、GND和信号线

3、分开处理

4、解决发热问题

5、设计规则检查布局

设计一个在纸上和物理上都真实的板子的关键是什么?让我们来看看你需要知道的前5个设计准则，来设计你的下一个可制造、功能和可靠的PCB。当开始一个新的设计时，很容易把PCB设计准则作为事后的考虑，因为你把大部分时间花在电路设计和元件选择上。但是在结束的时候，没有提供足够的时间和集中精力在PCB布局的基础上可能导致设计从数字领域到物理现实的转换很差，并可能最终成为你造成麻烦。那么设计一个在纸上和物理上都真实的板子的关键是什么呢?让我们来探讨5个PCB设计准则，为你设计出可靠的PCB。

一、微调器件位置

      PCB布局过程的组件放置阶段既是一门艺术，也是一门科学，需要对板上可用的主要空间进行战略性考虑。电子元件位置放置良好，可减少PCB贴片制造的难度及制作费用，提高可靠性。

      在元件放置过程中，有许多PCB布局规则需要考虑。虽然一般的电路板布局准则告诉你把元件按连接器、电源电路、精密电路、关键电路等分类，也有几个具体的电路板布局准则要记住。

      1、取向，确保相似的元件方向相同，这将有助于在PCB设计中有效的布线。它还有助于确保有效和无错误的焊接过程中组装。

      2、位置，避免将组件放置在板的焊料一侧，否则将放置在镀通孔组件的后面。

      3、组织，建议将所有表面贴装设备(SMD)组件按照SMD PCB设计规则放置在板的同一侧。所有通孔(TH)组件应放置在你的板的顶部一侧，以尽量减少组装步骤的数量。

      4、重点 ,当使用混合器件组件(通孔和表面贴装组件)时，贴片制作时贴片厂会增加价格。

良好组件方向(左)和糟糕芯片元件方向(右)

良好组件放置(左)和糟糕的组件放置(右)

二、放置电源、GND和信号线

      放置好组件后，现在就可以对电源、接地和信号进行布线，以确保信号有一个干净、无故障的传输路径。这里有一些指导方针，要记住这一阶段的布局过程:

设置电源和地平面

      建议电源线和地平面在pcb板内部，同时也要对称和居中。这将有助于防止板弯曲，这也将影响组件是否正确定位。注意，这在双层板上是不可能的，因为没有任何空间来放置组件，IC供电，建议为每个电源使用公共电源线。

PCB布线

      接下来，连接信号线以匹配原理图。建议器件到器件的连线最短。如果组件放置迫使水平跟踪路由位于面板的一侧，则将一侧面板上的线垂直于另一侧。这是2层PCB设计规则之一。

      随着堆叠层数的增加，印刷电路板设计规则和PCB布局规则变得更加复杂。你的走线策略将需要在交替层中交替使用水平和垂直布线，除非你使用参考平面将每个信号层分开。在用于特殊应用的非常复杂的电路板中，许多常用的PCB经验可能不再适用，需要根据电路板的实际情况进行分析。

定义网络线宽

pcb设计需要不同的网络，将携带大范围的电流，这将规定所需的网宽。考虑到这一基本要求，建议为低电流模拟和数字信号提供0.01mm的宽度。携带0.3 A以上的线应该更宽。

建议布线(箭头表示焊料移动)

 

不建议布线(箭头表示焊料移动)

三、分开处理

      电源电路和电流峰值中的高电压会干扰低压控制电路。为了尽量减少这种干扰问题，电力电子PCB设计准则往往建议如下:

      1、分离，每个供电阶段，务必将电源地和控制地分开。如果你必须把它们绑在你的pcb上，确保它在你的供应路径的末端。

      2、位置，如果你已经把你的地平面放在中间层，一定要放置一个小的阻抗路径，以减少任何电源电路干扰的风险，并帮助保护控制信号。同样的方针可以遵循，以保持数字和模拟地面分开。

      3、耦合，为了减少电容耦合，由于放置一个大的接地面和线路的布线上面和下面，尽量让模拟地面只有模拟线路交叉。

四、解决发热问题

电路板发热会导致电路性能下降甚至电路板损坏，如果不考虑散热问题，这个问题会影响电路板工作。以下是解决发热问题指导方针:

1、辨识组件

第一步是开始考虑哪些组件将在你的板上消耗最多的热量。通过组件的数据表，找到“热阻”等级，然后按照推荐来转移热量。例如：散热器和冷却风扇。同时让关键的组件远离高热源。

如果有多个组件产生大量热量，将这些组件分布在整个板上，而不是将它们聚集在一个位置。这样可以防止热斑在板上形成。在设计路由策略时，必须小心地平衡这些组件的位置和走线长短问题，这是考验你的技术。

2、添加散热片

添加散热片是电路板散热常用手段。建议在通孔组件上使用散热片，通过减缓通过组件板的热下沉速度，使焊接过程尽可能容易。

      一些设计师会告诉你使用热浮雕图案的任何通孔或洞连接到地面或动力平面。这并不总是好的建议。电源/GND 出现在IC周边，具有很快的开关速度，会产生大量的热量，将热量从电路中转移开，有助于调节IC的温度。

      地平面可以作为一个大散热器，然后输送热量均匀的整个板。因此，如果一个特定的通孔连接到一个地面，省略该通孔上的热释放垫将允许热量传导到地面。这比保持热量被困在GND表更可取。然而，这可能会产生一个问题，如果你的板是使用波峰焊组装，因为你需要保持热量收集近表面。

除了热浮雕，也可以在痕迹连接处添加泪滴，以提供额外的铜箔/金属支撑。这将有助于减少机械应力和热应力。

五、根据PCB设计规则检查布局

      在设计项目快要结束的时候，你很容易因为要把剩下的部件拼在一起进行生产而不知所措。在这个阶段，反复检查你的工作中的任何错误都可能意味着制造的成功或失败。

为了帮助这个质量控制过程，总是建议从你的电气规则检查(ERC)和设计规则检查(DRC)开始，以验证你已经满足了所有已建立的约束条件。使用这两个规则，可以轻松地为特定的工程定义间隙宽度、走线宽度、通用制造要求、高速电气要求和其他物理要求。以自动化PCB布局审查，验证布局。

注意，许多设计流程都声明你应该在设计阶段结束时运行设计规则检查，同时准备进行生产。如果你使用了正确的设计软件，你可以在整个设计过程中运行检查，这允许你尽早识别设计潜在的问题并快速地纠正它们。

当你最终的ERC和DRC产生了没有错误的结果时，建议检查每个信号的走线，并确认你没有错过任何东西，一次通过原理图中的一根线。当然，确保PCB布局符合原理图与设计工具的探测。

    总结：这 5个PCB设计准则，每个PCB设计师都需要知道。通过遵循这一小部分的建议，很快就可以设计出一款功能强大、可制造的电路板，并生产出真正高质量的印刷电路板。良好的PCB设计实践是成功的关键。这些PCB设准则只触及了表面，但它们为在所有设计实践中建立和巩固持续改进的实践奠定了基础。