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高速PCB设计指南---PCB的可靠性设计

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   目前电子器材用于各类电子设备和系统仍然以印制电路板为主要装配方式。实践证明,即使电路原理图设计正确,印制电路板设计不当,也会对电子设备的可靠性产生不利影响。例如,如果印制板两条细平行线靠得很近,则会形成信号波形的延迟,在传输线的终端形成反射噪声。因此,在设计印制电路板的时候,应注意采用正确的方法。


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  一、 地线设计


  在电子设备中,接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用,可解决大部分干扰问题。电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地(逻辑地)和模拟地等。在地线设计中应注意以下几点:


  1. 正确选择单点接地与多点接地;


  低频电路中,信号的工作频率小于1MHz,它的布线和器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对干扰影响较大,因而应采用一点接地。当信号工作频率大于10MHz时,地线阻抗变得很大,此时应尽量降低地线阻抗,应采用就近多点接地。当工作频率在1~10MHz时,如果采用一点接地,其地线长度不应超过波长的1/20,否则应采用多点接地法。


  2. 将数字电路与模拟电路分开;


  电路板上既有高速逻辑电路,又有线性电路,应使它们尽量分开,而两者的地线不要相混,分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接地面积。


  3. 尽量加粗接地线;


  若接地线很细,接地电位则随电流的变化而变化,致使电子设备的定时信号电平不稳,抗噪声性能变坏。因此应将接地线尽量加粗,使它能通过三位于印制电路板的允许电流。如有可能,接地线的宽度应大于3mm。


  4. 将接地线构成闭环路;


  设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时,将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声能力。其原因在于:印制电路板上有很多集成电路元件,尤其遇有耗电多的元件时,因受接地线粗细的限制,会在地结上产生较大的电位差,引起抗噪声能力下降,若将接地结构成环路,则会缩小电位差值,提高电子设备的抗噪声能力。


  二、电磁兼容性设计


  电磁兼容性是指电子设备在各种电磁环境中仍能够协调、有效地进行工作的能力。电磁兼容性设计的目的是使电子设备既能抑制各种外来的干扰,使电子设备在特定的电磁环境中能够正常工作,同时又能减少电子设备本身对其它电子设备的电磁干扰。


  1.  选择合理的导线宽度由于瞬变电流在印制线条上所产生的冲击干扰主要是由印制导线的电感成分造成的,因此应尽量减小印制导线的电感量。印制导线的电感量与其长度成正比,与其宽度成反比,因而短而精的导线对抑制干扰是有利的。时钟引线、行驱动器或总线驱动器的信号线常常载有大的瞬变电流,印制导线要尽可能地短。对于分立元件电路,印制导线宽度在1.5mm左右时,即可完全满足要求;对于集成电路,印制导线宽度可在0.2~1.0mm之间选择。


  2.  采用正确的布线策略采用平等走线可以减少导线电感,但导线之间的互感和分布电容增加,如果布局允许,最好采用井字形网状布线结构,具体做法是印制板的一面横向布线,另一面纵向布线,然后在交叉孔处用金属化孔相连。  为了抑制印制板导线之间的串扰,在设计布线时应尽量避免长距离的平等走线,尽可能拉开线与线之间的距离,信号线与地线及电源线尽可能不交叉。在一些对干扰十分敏感的信号线之间设置一根接地的印制线,可以有效地抑制串扰。


  为了避免高频信号通过印制导线时产生的电磁辐射,在印制电路板布线时,还应注意以下几点:


  ●尽量减少印制导线的不连续性,例如导线宽度不要突变,导线的拐角应大于90度禁止环状走线等。


  ●时钟信号引线最容易产生电磁辐射干扰,走线时应与地线回路相靠近,驱动器应紧挨着连接器。


  ●总线驱动器应紧挨其欲驱动的总线。对于那些离开印制电路板的引线,驱动器应紧紧挨着连接器。


  ●数据总线的布线应每两根信号线之间夹一根信号地线。最好是紧紧挨着最不重要的地址引线放置地回路,因为后者常载有高频电流。


  ●在印制板布置高速、中速和低速逻辑电路时,应按照图1的方式排列器件。


  3.抑制反射干扰为了抑制出现在印制线条终端的反射干扰,除了特殊需要之外,应尽可能缩短印制线的长度和采用慢速电路。必要时可加终端匹配,即在传输线的末端对地和电源端各加接一个相同阻值的匹配电阻。根据经验,对一般速度较快的TTL电路,其印制线条长于10cm以上时就应采用终端匹配措施。匹配电阻的阻值应根据集成电路的输出驱动电流及吸收电流的最大值来决定。


  三、去耦电容配置


  在直流电源回路中,负载的变化会引起电源噪声。例如在数字电路中,当电路从一个状态转换为另一种状态时,就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流,形成瞬变的噪声电压。配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声,是印制电路板的可靠性设计的一种常规做法,配置原则如下:


  ●电源输入端跨接一个10~100uF的电解电容器,如果印制电路板的位置允许,采用100uF以上的电解电容器的抗干扰效果会更好。


  ●为每个集成电路芯片配置一个0.01uF的陶瓷电容器。如遇到印制电路板空间小而装不下时,可每4~10个芯片配置一个1~10uF钽电解电容器,这种器件的高频阻抗特别小,在500kHz~20MHz范围内阻抗小于1Ω,而且漏电流很小(0.5uA以下)。


  ●对于噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和ROM、RAM等存储型器件,应在芯片的电源线(Vcc)和地线(GND)间直接接入去耦电容。


  ●去耦电容的引线不能过长,特别是高频旁路电容不能带引线。


  四、印制电路板的尺寸与器件的布置


  印制电路板大小要适中,过大时印制线条长,阻抗增加,不仅抗噪声能力下降,成本也高;过小,则散热不好,同时易受临近线条干扰。


  在器件布置方面与其它逻辑电路一样,应把相互有关的器件尽量放得靠近些,这样可以获得较好的抗噪声效果。如图2所示。时种发生器、晶振和CPU的时钟输入端都易产生噪声,要相互靠近些。易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离逻辑电路,如有可能,应另做电路板,这一点十分重要


  五、热设计


  从有利于散热的角度出发,印制版最好是直立安装,板与板之间的距离一般不应小于2cm,而且器件在印制版上的排列方式应遵循一定的规则:


  对于采用自由对流空气冷却的设备,最好是将集成电路(或其它器件)按纵长方式排列,如图3示;对于采用强制空气冷却的设备,最好是将集成电路(或其它器件)按横长方式排列,如图4所示。


  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。


  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它器件温度的影响。


   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。


  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。


  大量实践经验表明,采用合理的器件排列方式,可以有效地降低印制电路的温升,从而使器件及设备的故障率明显下降。


  以上所述只是印制电路板可靠性设计的一些通用原则,印制电路板可靠性与具体电路有着密切的关系,在设计中不还需根据具体电路进行相应处理,才能最大程度地保证印制电路板的可靠性。


  六、产品干扰的抑制方案


  1 接地


  1.1 设备的信号接地


  目的:为设备中的任何信号提供一个公共的参考电位。


  方式:设备的信号接地系统可以是一块金属板。


  1.2 基本的信号接地方式


  有三种基本的信号接地方式:浮地、单点接地、多点接地。


  1.2.1 浮地 目的:使电路或设备与公共地线可能引起环流的公共导线隔离起来,浮地还使不同电位的电路之间配合变得容易。  缺点:容易出现静电积累引起强烈的静电放电。 折衷方案:接入泄放电阻。


  1.2.2 单点接地 方式:线路中只有一个物理点被定义为接地参考点,凡需要接地均接于此。 缺点:不适宜用于高频场合。


  1.2.3 多点接地 方式:凡需要接地的点都直接连到距它最近的接地平面上,以便使接地线长度为最短。 缺点:维护较麻烦。


  1.2.4 混合接地 按需要选用单点及多点接地。


  1.3 信号接地线的处理(搭接)


  搭接是在两个金属点之间建立低阻抗的通路。


  分直接搭接、间接搭接方式。


  无论哪一种搭接方式,最重要的是强调搭接良好。


  1.4 设备的接地(接大地)


  设备与大地连在一起,以大地为参考点,目的:


  1) 实现设备的安全接地


  2) 泄放机箱上所积累的电荷,避免设备内部放电。


  3) 接高设备工作的稳定性,避免设备对大地的电位在外界电磁环境作用下发生的变化。


  1.5 拉大地的方法和接地电阻 接地棒。


  1.6 电气设备的接地


  2 屏蔽


  2.1 电场屏蔽


  2.1.1 电场屏蔽的机理 分布电容间的耦合 处理方法:


  1) 增大A、B距离。


  2) B尽量贴近接地板。


  3)A、B间插入金属屏蔽板。


  2.1.2 电场屏蔽设计重点:


  1) 屏蔽板程控受保护物;屏蔽板接地必须良好。


  2) 注意屏蔽板的形状。


  3) 屏蔽板以良好导体为好,厚度无要求,强度要足够。


  2.2 磁场屏蔽


  2.2.1 磁场屏蔽的机理


  高导磁材料的低磁阻起磁分路作用,使屏蔽体内的磁场大大降低。


  2.2.2 磁场屏蔽设计重点


  1) 选用高导磁率材料。


  2) 增加屏蔽体的壁厚。


  3) 被屏蔽物不要紧靠屏蔽体。


  4) 注意结构设计。


  5) 对强用双层磁屏蔽体。


  2.3 电磁场屏蔽的机理


  1) 表面的反射。


  2) 屏蔽体内部的吸收。


  2.3.2 材料对电磁屏蔽的效果


  2.4 实际的电磁屏蔽体


  七、产品内部的电磁兼容性设计


  1 印刷电路板设计中的电磁兼容性


  1.1 印刷线路板中的公共阻抗耦合问题 数字地与模拟地分开,地线加宽。


  1.2 印刷线路板的布局


  ※对高速、中速和低速混用时,注意不同的布局区域。


  ※对低模拟电路和数字逻辑要分离。


  1.3 印刷线路板的布线(单面或双面板)


  ※专用零伏线,电源线的走线宽度≥1mm。


  ※电源线和地线尽可能靠近,整块印刷板上的电源与地要呈“井”字形分布,以便使分布线电流达到均衡。


  ※要为模拟电路专门提供一根零伏线。


  ※为减少线间串扰,必要时可增加印刷线条间距离,在意安插一些零伏线作为线间隔离。


  ※印刷电路的插头也要多安排一些零伏线作为线间隔离。


  ※特别注意电流流通中的导线环路尺寸。


  ※如有可能在控制线(于印刷板上)的入口处加接R-C去耦,以便消除传输中可能出现的干扰因素。


  ※印刷弧上的线宽不要突变,导线不要突然拐角(≥90度)。


  1.4 对在印刷线路板上使用逻辑电路有益建议


  ※凡能不用高速逻辑电路的就不用。


  ※在电源与地之间加去耦电容。


  ※注意长线传输中的波形畸变。


  ※用R-S触发的作按钮与电子线路之间配合的缓冲。


  1.4.1 逻辑电路工作时,所引入的电源线干扰及抑制方法


  1.4.2 逻辑电路输出波形传输中的畸变问题


  1.4.3 按钮操作与电子线路工作的配合问题


  1.5 印刷线路板的互连 主要是线间串扰,影响因素:


  ※直角走线


  ※屏蔽线


  ※阻抗匹配


  ※长线驱动


  2 开关电源设计中的电磁兼容性


  2.1 开关电源对电网传导的骚扰与抑制


  骚扰:


  ①非线性流。


  ②初级电路中功率晶体管外壳与散热器之间的容光焕发性耦合在电源输入端产生的传导共模噪声。


  抑制方法:


  ①对开关电压波形进行“修整”。


  ②在晶体管与散热器之间加装带屏蔽层的绝缘垫片。


  ③在市电输入电路中加接电源滤波器。


  2.2 开关电源的辐射骚扰与抑制


  注意辐射骚扰与抑制


  抑制方法:


  ①尽可能地减小环路面积。


  ②印刷线路板上正负载流导体的布局。


  ③在次线整流回路中使用软恢复二极管或在二极管上并联聚酯薄膜电容器。


  ④对晶体管开关波形进行“修整”。


  2.3 输出噪声的减小


  原因是二极管反向电流陡变及回路分布电感。二极管结电容等形成高频衰减振荡,而滤波电容的等效串联电感又削弱了滤波的作用,因此在输出改波中出现尖峰干扰解决办法是加小电感和高频电容。


  3 设备内部的布线


  3.1 线间电磁耦合现象及抑制方法


  对磁场耦合:


  ①减小干扰和敏感电路的环路面积最好办法是使用双绞线和屏蔽线。


  ②增大线间距离(使互感减小)。


  ③尽可有使干扰源线路与受感应线路呈直角布线。


  对电容耦合:


  ①增大线间距离。


  ②屏蔽层接地。


  ③降低敏感线路的输入阻抗。


  ④如有可能在敏感电路采用平衡线路作输入,利用平衡线路固有的共模抑制能力克服干扰源对敏感线路的干扰。


  3.2 一般的布线方法:


  按功率分类,不同分类的导线应分别捆扎,分开敷设的线束间距离应为50~75mm。


  4 屏蔽电缆的接地


  4.1 常用的电缆


  ※双绞线在低于100KHz下使用非常有效,高频下因特性阻抗不均匀及由此造成的波形反射而受到限制。


  ※带屏蔽的双绞线,信号电流在两根内导线上流动,噪声电流在屏蔽层里流动,因此消除了公共阻抗的耦合,而任何干扰将同时感应到两根导线上,使噪声相消。


  ※非屏蔽双绞线抵御静电耦合的能力差些。但对防止磁场感应仍有很好作用。非屏蔽双绞线的屏蔽效果与单位长度的导线扭绞次数成正比。


  ※同轴电缆有较均匀的特性阻抗和较低的损耗,使从真流到甚高频都有较好特性。


  ※无屏蔽的带状电缆。


  最好的接线方式是信号与地线相间,稍次的方法是一根地、两根信号再一根地依次类推,或专用一块接地平板。


  4.2 电缆线屏蔽层的接地


  总之,将负载直接接地的方式是不合适的,这是因为两端接地的屏蔽层为磁感应的地环路电流提供了分流,使得磁场屏蔽性能下降。


  4.3 电缆线的端接方法


  在要求高的场合要为内导体提供360°的完整包裹,并用同轴接头来保证电场屏蔽的完整性。


  5 对静电的防护


  静电放电可通过直接传导,电容耦合和电感耦合三种方式进入电子线路。


  直接对电路的静电放电经常会引起电路的损坏,对邻近物体的放电通过电容或电感耦合,会影响到电路工作的稳定性。


  防护方法:


  ①建立完善的屏蔽结构,带有接地的金属屏蔽壳体可将放电电流释放到地。


  ②金属外壳接地可限制外壳电位的升高,造成内部电路与外壳之间的放电。


  ③内部电路如果要与金属外壳相连时,要用单点接地,防止放电电流流过内部电路。


  ④在电缆入口处增加保护器件。


  ⑤在印刷板入口处增加保护环(环与接地端相连)。

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