常见的PCB布局困扰分析及精彩案例分享

厂商供稿 发表于 2018-06-07 07:17:00 收藏 已收藏
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常见的PCB布局困扰分析及精彩案例分享

厂商供稿 发表于 2018-06-07 07:17:00

 

在电子设计中,项目原理图设计完成编译通过之后,就需要进行PCB的设计。PCB设计首先在确定了板形尺寸,叠层设计,整体的分区构想之后,就需要进行设计的第一步:元件布局。即将各元件摆放在它合适的位置。而布局是一个至关重要的环节。布局结果的优劣直接影响到布线的效果,从而影响到整个设计功能。因此,合理有效的布局是PCB设计成功的第一步。

PCB布局前按照整个功能按模块对电路进行分区。 区域规划时依照功能对模拟部分和数字部分隔离,高频电路与低频电路隔离。分区完成之后考虑每个区域内的关键元件,将区域内其他元件以关键元件为重点放置到合适的位置。当放置元件时,同时考虑子系统电路之间的内部电路走线,特别是时序及振荡电路。为了去除电磁干扰的潜在问题,应系统地检查元件放置与布局,以方便走线,降低电磁干扰,满足功能的前提下尽量做到美观。

常见的PCB布局方面的问题和困惑

一个产品的成功与否,一方面要求功能质量良好,另一方面要求美观,要像向雕琢一件工艺品一样布局您的电路板。在PCB元件布局方面经常会有这些疑问和困扰。

PCB板形与整机是否匹配?元器件之间是间距是否合理,有无水平上或高度上的冲突?

PCB是否需要拼版,是否要预留工艺边,是否预留安装孔,如何排列定位孔?

如何考虑阻抗控制,信号完整性,电源信号稳定,电源模块散热?

需要经常更换的元件是否方便替换,可调元件是否方便调节?

热敏元件与发热元件之间是否考虑距离?

整板EMC性能,如何布局能有效增强抗干扰能力?

优秀的PCB元件布局原则

首先划分区域。根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行整体考虑,将各个功能电路单元按照模块划分大体区域,使布局适合信号流通,并尽量保持方向一致。

如上图所示,大体的功能模块比如电源部分,核心控制部分,信号输入处理部分,信号输出处理部分,接插件部分,人机交互部分等等。按照电路板的实际功能需要进行模块区域的划分。一般的原则是电源部分集中布局在板边,核心控制部分在板中间,信号输入部分位于核心控制部分的左边,而信号输出部分位于核心控制部分右边。接插件部分尽量布置在板边,人机交互部分要考虑到人机工程的要求进行合理布局。在保证电气性能的前提下,各功能模块的元件应放置在栅格上且相互平行或垂直排列,以求整齐、美观。

然后以每个功能模块电路的核心元件为中心,围绕这个中心来进行布局。元器件应均匀、整体、紧凑的排列在PCB上,尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接以方便布线并减少电磁干扰。在PCB中,特殊的元件比如电源器 件、可调器件、发热及热敏感器件、高频部分的关键元件、核心芯片、易受干扰的元件、体积或重量大的器件、带高压器件,以及一些异性元件,这些特殊元件的位置需要仔细分析,布局要合乎电路功能的要求及生产的需求。不合适的布局可能产生电路兼容问题、信号完整性问题,从而导致PCB设计的失败。特殊元器件的位置在布局时一般要遵守以下原则:

DC/DC 变换器、开关元件和整流器应尽可能靠近变压器放置,整流二极管尽可能靠近调压元件和滤波电容器。以减小其线路长度。

电磁干扰(EMI)滤波器要尽可能靠近 EMI 源。尽可能缩短高频元器件之间的连接,设法减少他们的分布参数及和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互离的太近,输入和输出应尽量远离。

对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元器件的布局应考虑整块扳子的结构要求,一些经常用到的开关,在结构允许的情况下,应放置到手容易接触到的地方。元器件的布局到均衡,疏密有度。

发热元件应该布置在 PCB 的边缘,以利散热。如果 PCB 为垂直安装,发热元件应 该布置在 PCB 的上方。热敏元件应远离发热元件。

在电源布局时,尽量让器件布局方便电源线布线走向。布局时需要考虑减小输入电源回路的面积。满足流通的情况下,避免输入电源线满板跑,回路圈起来的面积过大。电源线与地线的位置良好配合,可降低电磁干扰的影响。如果电源线和地线配合不当,会出现很多环路,并可能产生噪声。

高、低频电路由于频率不同,其干扰以及抑制干扰的方法也不相同。所以在元件布局时,应将数字电路、模拟电路以及电源电路按模块分开布局。将高频电路与低频电路有效隔离,或者分成小的子电路模块板,之间用接插件连接。

此外,布局中还应特别注意强、弱信号的器件分布及信号传输方向路径等问题。 为将干扰减轻到最小程度,模拟电路部分和数字电路部分分隔开之后,保持高、中、低速逻辑电路在 PCB 上也要用不同区域,PCB 板按频率和电流开关特性分区。 噪声元件与非噪声元件要距离远一些。热敏元件与发热元件距离远一些。低电平信号通道远离高电平信号通道和无滤波的电源线。将低电平的模拟电路和数字电路分开,避免模拟电路、数字电路和电源公共回线产生公共阻抗耦合。

精巧PCB元件布局的案例分享

EMC考虑:旁路或去耦电容增强稳定性,降低干扰

在PCB设计中,模拟器件和数字器件都需要这种电容,在靠近其电源引脚连接旁路电容,此电容通常为0.1uF。布局时要求引脚尽量短,并且尽量靠近器件,减小走线的感抗。

模拟电路设计中旁路电容常用于旁路电源上的高频信号。一般来说,这些高频信号的频率超出模拟器件抑制高频信号的能力。如果不使用旁路电容,就可能再信号路径上引入噪声,更严重的情况甚至会引起振动和误响应。

数字电路设计像控制器和处理器这样的数字器件,也需要去耦电容。该电容功能之一是用作“微型”电荷库。因为数字电路中进行门状态切换或开关切换时,通常需要很大的电流,而开关时产生的瞬态电流,如果执行开关动作时没有足够的电荷,会造成电源电压发生很大的变化。电压变化太大,会导致数字信号电平进入不稳定状态,很可能引起数字器件的状态误执行。因此,在数字器件的供电电源管脚或电源引脚处添加旁路或去耦电容是非常好的做法。

在微控制器(MCU)为主的系统中最敏感的信号是时序、复位和中断信号。振荡器在开关时尤其敏感。这些电路与高电流走线不能平行,以免引起信号干扰和误判。振荡器或陶瓷共振时钟是一种射频电路,必须有效布局为距离最近,走线最短以减少其敏感性。下图以DIP封装的振荡器或陶瓷共振器为例,应尽量将振荡电路靠近微控制器布局,位置对称,使得走线距离最短。振荡电路的地线应该连接元件可能使用最短路径的接地管脚,电源和接地管脚应该直接连接到PCB的电源部分。

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同样,电路板上逻辑开关时,在电源线上会产生瞬态派生电流,由于电源线多少具有微小的电感性,电源线的电感性可以通多多层印刷电路板(电源平面)来降低,或者使用较慢的逻辑降低开关速度。但前者增加成本,后者会降低系统的性能。在此情况下,电源线的通讯干扰可通过去耦电容来降低。PCB板上对于数字芯片的去耦电容(也叫削尖电容)在布局时,应当尽量靠近芯片的电源管脚,使其走线距离最短,回路面积最小。下图左所示是不合理的去耦电容布局,应该像图右那样布局。    

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      2.   3D器件检查避免冲突——接插件 

在PCB布局时因为不能实时直观地看到真正的元器件放在上面的样子,包括元件的体积,高度。整块电路板是否与外壳相匹配,电路板内部的各元件之间水平方向是否有冲突,而造成安装不下的情况?最要命的是,元件的高度是否合适,会不会与外壳有冲突?这就需要有3D状态下实时逼真的模拟和展现来尽早发现问题。以保证电路板与外壳形状匹配,高度匹配,安装固定孔匹配。

PCB板的接插件布局也是至关重要的,好的接插件布局要考虑到将来插拔连接的方便性。一般来说,接插件需要靠近板边并且接口往板外,千万不能太靠近板内,以至于连接线端的插头被PCB板边阻碍,插不上去。如下所示DB9串口不合理的接插件布局,造成线缆接头处连接不上。

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对于这个接插件的失败案例,如果在做PCB板之前就能通过3D视图直观地发现问题,及时修改,就会免去很多不必要的时间和精力。而不会在做好PCB板,装贴好器件,在最后连接的时候才发现问题。

3.  栅格的应用:将元件进行圆形摆放

前不久,一电子行业的同行跟我聊起,他想要将LED灯按照标准的圆形摆放,保持相同的间距。说在放置的过程中非常伤脑筋,总也不能保证精确的圆形位置,其间距也很难计算。不知道有哪种工具能轻松地实现这个想法。说实话,我也没试过这种摆放方式,不过突然想起Altium Designer中有设置极坐标栅格的功能,还附带有其他几种栅格形式。用这种极坐标扇形栅格来试试。不试不知道,一试吓一跳。借助这一块扇形栅格,竟然非常轻松地将LED元件按照圆形摆放在PCB上!如下图所示。

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在这块板子中,一颗 ARM7微处理器放在板子的正中央,以45°角度放置。然后以此芯片中心为原点,设置45°角倾斜的常规矩形栅格。

在外圈另设极坐标扇形栅格,让LED环绕一圈,在这种栅格上排列的LED准确无误而且精细美观。同时在放置元件的时候,鼠标光标会自动捕捉到栅格点,定位精确,而且操作极其简单。

不管是在原理图设计中,还是PCB设计中,使用栅格来放置目标对象使得您设计出来的图纸非常整洁,干净,有条理。而在PCB设计中,放置元件时采用多重栅格组合应用,你可以按照自己的意图随心所欲地摆放元器件到想要的位置。你这个设计魔术师能想到的,它就能帮你实现。这对于每天枯燥画图的工程师来说,是一种多么美妙又有价值的感觉!如下图为该设计项目PCB在3D状态下正面和反面的裸板视图。

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上面圆形PCB板为另一个巧妙使用栅格的案例。绿色圈出来的板中央5个安装孔环绕中心点对称分布。板外沿4个安装孔精准对称。

下图为PCB裸板制造出来的图片。其中板两侧分别有4个半孔排列。用于板对板安装,该小板作为一个模块器件安装到母板上。

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