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如何優(yōu)化PCB設(shè)計(jì)提高電路板可靠性?

發(fā)布時(shí)間 :2020-08-20 18:02 閱讀 : 來(lái)源 :技術(shù)文章責(zé)任編輯 :深圳宏力捷PCB設(shè)計(jì)部
目前,PCB板仍被用作電子器件和系統(tǒng)的主要組裝方法。實(shí)踐證明,即使電路原理圖設(shè)計(jì)正確,PCB設(shè)計(jì)不當(dāng),也會(huì)對(duì)電子器件的可靠性造成不利影響。例如,如果PCB板上的兩條細(xì)平行線靠近在一起,則信號(hào)波形的延遲將導(dǎo)致傳輸線末端的反射噪聲。因此,在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)應(yīng)注意正確的方法。
 
深圳PCB設(shè)計(jì)公司
 
一、地線設(shè)計(jì)
在電子器件中,接地是控制干擾的重要方法。如果正確使用接地和屏蔽,則可以解決大多數(shù)干擾問(wèn)題。在電子器件中,接地線的結(jié)構(gòu)大致是系統(tǒng)的,包括外殼接地(屏蔽接地),數(shù)字接地(邏輯接地)和模擬接地等。
 
在接地線PCB設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
1. 正確選擇單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地
在低頻電路中,信號(hào)的工作頻率小于1MHz,其對(duì)器件之間的布線和電感影響很小,而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響很大,因此應(yīng)進(jìn)行單點(diǎn)接地被采用。當(dāng)信號(hào)的工作頻率大于10MHz時(shí),地線阻抗會(huì)變得很大,此時(shí),應(yīng)盡可能降低地線阻抗,并采用最近的多點(diǎn)接地。當(dāng)工作頻率為1?10MHz時(shí),如果采用單點(diǎn)接地,則其接地線長(zhǎng)度應(yīng)不超過(guò)波長(zhǎng)的1/20。否則,應(yīng)采用多點(diǎn)接地方式。
 
2. 將數(shù)字電路與模擬電路分開(kāi)
電路板上既有高速邏輯電路又有線性電路,因此應(yīng)盡可能地分開(kāi),并且兩者的地線不應(yīng)混合,并分別與電源端的地線相連。線性電路的接地面積應(yīng)盡可能增加。
 
3.使接地線盡可能粗
如果接地線很細(xì),則接地電位會(huì)隨電流的變化而變化,這將使電子器件的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn)定,抗噪性能也會(huì)變差。因此,接地線應(yīng)做得盡可能粗,以便它可以流經(jīng)位于PCB板上的三個(gè)允許電流。如果可能,接地線的寬度應(yīng)大于3mm。
 
4.接地線應(yīng)形成閉合回路
在設(shè)計(jì)僅由數(shù)字電路組成的PCB板(PCB)接地系統(tǒng)時(shí),可以將接地線制成閉環(huán)電路,從而明顯提高抗噪能力。這是因?yàn)镻CB板上有許多集成電路組件,特別是在有更多組件的情況下,由于接地線厚度的限制而導(dǎo)致功耗,會(huì)在結(jié)上產(chǎn)生較大的電勢(shì)差,從而產(chǎn)生抗噪聲能力。降落時(shí),如果將接地結(jié)構(gòu)插入環(huán)路中,將會(huì)減小電位差值,提高電子器件抗噪聲能力。
 
深圳PCB設(shè)計(jì)公司.
 
二、電磁兼容性設(shè)計(jì)
電磁兼容性是指電子器件??在各種電磁環(huán)境中和諧有效地工作的能力。電磁兼容設(shè)計(jì)的目的是使電子器件不僅可以抑制各種外來(lái)干擾,使電子器件可以在特定的電磁環(huán)境中正常工作,而且可以減少電子器件本身對(duì)其他電子器件的電磁干擾。 。
 
1,選擇合理的線寬
 
由于由印刷線路上的瞬態(tài)電流引起的沖擊干擾主要是由印刷線路的電感成分引起的,因此應(yīng)使印刷線路的電感量最小。印刷導(dǎo)線的電感量與長(zhǎng)度成正比,與寬度成反比,因此,短而細(xì)的導(dǎo)線有利于抑制干擾。時(shí)鐘導(dǎo)線,線路驅(qū)動(dòng)器或總線驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)線通常會(huì)承載較大的瞬態(tài)電流,并且印刷導(dǎo)線應(yīng)盡可能短。對(duì)于分立元件電路,當(dāng)印刷導(dǎo)線的寬度約為1.5mm時(shí),可以完全滿足要求。對(duì)于集成電路,可以在0.2至1.0毫米之間選擇印刷線寬。
 
2.采取正確的接線策略
 
使用均等的布線可以降低導(dǎo)線的電感,但是導(dǎo)線之間的互感和分布電容會(huì)增加,如果布局允許,最好使用井眼網(wǎng)狀布線結(jié)構(gòu),具體方法是將PCB板橫向布線時(shí),在縱向布線的另一側(cè),然后在與金屬化孔相連的十字孔中。
 
為了抑制PCB導(dǎo)體之間的串?dāng)_,在布線PCB設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能避免長(zhǎng)距離相等的布線,應(yīng)盡可能拉開(kāi)導(dǎo)線之間的距離,并且信號(hào)線不應(yīng)與接地線和導(dǎo)線交叉。電源線盡可能。通過(guò)在一些對(duì)干擾非常敏感的信號(hào)線之間放置一條印刷線,可以有效地抑制串?dāng)_。
 
為了避免高頻信號(hào)穿過(guò)印刷導(dǎo)體而引起的電磁輻射,在對(duì)PCB板進(jìn)行布線時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
 
* 盡量減少印刷導(dǎo)線的不連續(xù)性,例如導(dǎo)線寬度不應(yīng)改變,導(dǎo)線角應(yīng)大于90度,以防止出現(xiàn)環(huán)形線。
 
* 時(shí)鐘信號(hào)線最有可能產(chǎn)生電磁輻射干擾。鋪設(shè)導(dǎo)線時(shí),導(dǎo)線應(yīng)靠近接地電路,驅(qū)動(dòng)器應(yīng)靠近連接器。
 
* 總線驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)在其要驅(qū)動(dòng)的總線旁邊。對(duì)于離開(kāi)PCB的引線,驅(qū)動(dòng)器應(yīng)在連接器旁邊。
 
* 數(shù)據(jù)總線的接線應(yīng)夾在每?jī)蓷l信號(hào)線之間。最好將接地回路放在最不重要的地址引線旁邊,因?yàn)楹笳呓?jīng)常承載高頻電流。
 
* 當(dāng)在PCB板上布置高速,中速和低速邏輯電路時(shí),器件的布置應(yīng)如圖1所示。
 
3.抑制反射干擾
為了抑制印刷線路末端的反射干擾,除了特殊需要外,應(yīng)盡可能縮短印刷線路的長(zhǎng)度,并使用慢速電路。如有必要,可以添加端子匹配,即,可以在傳輸線的末端將地線和電源添加具有相同電阻值的匹配電阻。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),對(duì)于TTL高速電路,當(dāng)印刷線長(zhǎng)于10cm時(shí),應(yīng)采用端子匹配。匹配電阻的電阻值應(yīng)根據(jù)IC的最大輸出驅(qū)動(dòng)電流和吸收電流確定。
 
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三、去耦電容配置
在直流電源電路中,負(fù)載的變化會(huì)引起電源噪聲。例如,在數(shù)字電路中,當(dāng)電路從一種狀態(tài)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)時(shí),電力線上會(huì)產(chǎn)生大的峰值電流,從而產(chǎn)生瞬態(tài)噪聲電壓。去耦電容器可以配置為抑制由于負(fù)載變化引起的噪聲,這是PCB板可靠性PCB設(shè)計(jì)中的一種常見(jiàn)做法。配置原則如下:
 
* 電源輸入端已連接至10?100uF的電解電容器。如果PCB板的位置允許,大于100uF的電解電容器的抗干擾效果會(huì)更好。
 
* 每個(gè)IC芯片配置一個(gè)0.01uF的陶瓷電容器。如果PCB板的空間很小,可以每4?10個(gè)芯片配置一個(gè)1?10uf的鉭電解電容器,這種特別小的高頻阻抗的器件在500KHZ?20MHZ范圍內(nèi)的阻抗小于1Ω,并且漏電電流非常?。ǖ陀?.5 uA)。
 
* 對(duì)于噪聲能力弱,關(guān)機(jī)時(shí)電流變化較大的器件以及ROM和RAM等存儲(chǔ)器件,應(yīng)在芯片的電源線(Vcc)和地線(GND)之間直接連接去耦電容器。
* 去耦電容器的引線不能太長(zhǎng),尤其是高頻旁路電容器不能帶引線。
 
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四、PCB板尺寸和器件配置
PCB板尺寸應(yīng)適中,當(dāng)印刷線長(zhǎng)時(shí)太大,阻抗增加,不僅抗噪聲能力下降,成本高;太小,則散熱不好,同時(shí)容易受到相鄰線路的干擾。
 
就器件布局而言,與其他邏輯電路一樣,彼此相關(guān)的器件應(yīng)放置得盡可能靠近,以獲得更好的抗噪聲效果。時(shí)間發(fā)生器,晶體振蕩器和CPU的時(shí)鐘輸入端子容易產(chǎn)生噪聲,并且應(yīng)彼此靠近。重要的是,噪聲產(chǎn)生器件,低電流電路,高電流電路等應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離邏輯電路,并在可能的情況下制作單獨(dú)的電路板。
 
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五、 散熱設(shè)計(jì)
從散熱的角度出發(fā),最好垂直安裝印版,印版之間的距離一般不應(yīng)小于2cm,印版上的器件布置應(yīng)遵循以下規(guī)則:
 
* 對(duì)于具有自由對(duì)流風(fēng)冷的器件,最好將集成電路(或其他器件)縱向排列。對(duì)于采用強(qiáng)制風(fēng)冷的器件,最好將集成電路(或其他器件)以水平長(zhǎng)度排列:
 
同一塊PCB器件上的低電應(yīng)根據(jù)發(fā)熱量的大小和熱分配程度,發(fā)熱量小的或耐熱性差的器件(如小信號(hào)晶體管,小型集成電路,電解電容器等)上的冷卻氣流最好在入口處,發(fā)熱量大或耐熱性好的器件(如功率晶體管,大規(guī)模集成電路等)中最下游的冷卻氣流。
 
* 在水平方向上,大功率器件應(yīng)盡可能靠近PCB板的邊緣布置,以縮短傳熱路徑;在垂直方向上,大功率組件應(yīng)盡可能靠近PCB板的頂部布置,以減少這些組件在工作時(shí)對(duì)其他組件溫度的影響。
 
* 溫度敏感的器件最好放置在溫度最低的區(qū)域(例如器件的底部),請(qǐng)勿將其放在加熱器件的正上方,多個(gè)器件最好采用水平交錯(cuò)的布局。
 
* 器件中PCB板的散熱主要取決于氣流,因此在設(shè)計(jì)時(shí)要研究氣流路徑,器件或PCB板的合理配置。氣流傾向于在阻力較低的地方流動(dòng),因此在PCB板上配置器件時(shí),請(qǐng)避免在區(qū)域中留出較大空間。整個(gè)機(jī)器中多個(gè)PCB板的配置也應(yīng)注意相同的問(wèn)題。
大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,采用合理的器件布置可以有效降低印刷電路的溫升,從而可以大大降低器件和器件的故障率。
 
以上只是PCB可靠性設(shè)計(jì)的一些一般原則。 PCB可靠性與特定電路密切相關(guān),因此有必要在PCB設(shè)計(jì)中處理特定電路以最大程度地確保PCB可靠性。


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