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印制电路板故障排除方法http://___.pcbon.net/id=5696为确保印制电路板http://___.pcbon.net的高质量和高稳定性,实现全面质量管理和环境控制,必须充分了解印制电路板制造技术的特性,但印制电路板制造技术是综合性的技术结晶,它涉及到物理、化学、光学、光化学、高分子、流体力学、化学动力学等诸多方面的基础知识,如材料的结构、成份和性能工艺装备的精度、稳定性、效率、__质量;工艺方法的可行性;检测手段的精度与高可靠性及环境中的温度、湿度、洁净度等问题这些问题都会直接和间接地影响到印制电路板的品质由于涉及到的方面与问题比较多,就很容易产生形形__的质量缺陷为确保“预防为主,解决问题为辅”的原则的贯彻执行,必须认真地了解各工序最容易出现及产生的质量问题,快速地采取工艺措施加以排除,确保生产能顺利地进行为此,特收集、汇总和整理有关这方面的材料,编辑这本《印制电路板故障排除手册》供同行参考
一、基材部分 1问题印制板制造过程基板尺寸的变化原因解决方法
(1)经纬方向差异造成基板尺寸变化;由于剪切时,未注意纤维方向,造成剪切应力残留在基板内,一旦释放,直接影响基板尺寸的收缩
(1)确定经纬方向的变化规律,按照收缩率在底片上进行补偿(光绘前进行此项工作)同时剪切时按纤维方向__,或按生产厂商在基板上提供的字符标志进行__(一般是字符的竖方向为基板的纵方向)
(2)基板表面铜箔部分被蚀刻掉对基板的变化限 制,当应力消除时产生尺寸变化
(2)在设计电路时应尽量使整个板面分布均匀如果不可能也要必须在空间留下过渡段(不影响电路位置为主)这由于板材采用玻璃布结构中经纬纱密度的差异而导致板材经纬向强 度的差异
(3)刷板时由于采用压力过大,致使产生压拉应力导致基板变形
(3)应采用试刷,使工艺参数处在最佳状态,然后进行刷板对薄型基材,清洁处理时应 采用化学清洗工艺 或电解工艺方法
(4)基板中树脂未完全固化,导致尺寸变化
(4)采取烘烤方法解决特别是钻孔前进行烘烤,温度1200C、4小时,以确保树脂固化,减少由于冷热的影响,导致基板尺寸的变形
(5)特别是多层板在层压前,存放的条件差,使薄基板或半固化片吸湿,造成尺寸稳定性差
(5)内层经氧化处理的基材,必须进行烘烤以除去湿气并将处理好的基板存放在真空干燥箱内,以免再次吸湿
(6)多层板经压合时,过度流胶造成玻璃布形变所致
(6)需进行工艺试压,调整工艺参数然后进行压制同时还可以根据半固化片的特性,选择合适的流胶量 2问题基板或层压后的多层基板产生弯曲(BOW)与翘曲(TWIST)原因解决方法
(1)特别是薄基板的放置是垂直式易造成__应力叠加所致
(1)对于薄型基材应采取水平放置确保基板内部任何方向应力均匀,使基板尺寸变化很小还必须注意以原包装形式存放在平整的货架上,切记勿堆高重压
(2)热熔或热风整平后,冷却速度太快,或采用冷却工艺不当所致
(2)放置在专用的冷却板上自然冷却至室温
(3)基板在进行处理过程中,较长时间内处于冷热交变的状态下进行处理,再加基板内应力分布不均,引起基板弯曲或翘曲
(3)采取工艺措施确保基板在冷热交变时,调节冷、热变换速度,以避免急骤冷或热
(4)基板固化不足,造成内应力集中,致使基板本身产生弯曲或翘曲
(4)A、重新按热压工艺方法进行固化处理B、为减少基板的残余应力,改善印制板制造中的尺寸稳定性与产生翘曲形变,通常采用预烘工艺即在温度120-1400C2-4小时(根据板厚、尺寸、数量等加以选择)
(5)基板上下面结构的差异即铜箔厚度不同所至
(5)应根据层压原理,使两面不同厚度的铜箔产生的差异,转成采取不同的半固化片厚度来解决 3问题基板表面出现浅坑或多层板内层有空洞与外来夹杂物原因解决方法
(1)铜箔内存有铜瘤或树脂突起及外来颗粒叠压所至
(1)原材料问题,需向供应商提出更换
(2)经蚀刻后发现基板表面透明状,经切片是空洞
(2)同上处理方法解决之
(3)特别是经蚀刻后的薄基材有黑色斑点即粒子状态
(3)按上述办法处理 4问题基板铜表面常出现的缺陷原因解决方法
(1)铜箔出现凹点或凹坑,这是由于叠层压制时所使用的工具表面上存有外来杂质1改善叠层和压合环境,达到洁净度指标要求
(2)铜箔表面出现凹点与胶点,是由于所采用压板模具压制和叠层时,存有外来杂质直接影响所至2认真检查模具表面状态,改善叠层间和压制间工作环境达到工艺要求的指标
(3)在制造过程中,所使用的工具不适合导致铜箔表面状态差3改进操作方法,选择合适的工艺方法
(4)叠层时要特别注意层与层间的位置准确性,避免送入压机过程中滑动直接接触铜箔表面的不锈钢板,要特小心放置并保持平整4叠层时要特别注意层与层间的位置准确性,避免送入压机过程中滑动直接接触铜箔表面的不锈钢板,要特小心放置并保持平整.
(5)基板表面出现胶点,可能是叠层时胶屑落在钢板表面或铜表面上所造成的5为防止胶屑脱落,可将半固化片边缘进行热合处理
(6)铜箔表面有针孔造成压制时熔融的胶向外溢出所至6首先对进厂的铜箔进行背光检查,合格后必须严格的保管,避免折痕或撕裂等 5问题板材内出现白点或白斑原因解决方法1板材经受不适当的机械外力的冲击造成局部树脂与玻璃纤维的分离而成白斑1从工艺上采取措施,尽量减少或降低机械__过度的振动现象以减少机械外力的作用2局部板材受到含氟化学药品的渗入,而对玻璃纤维布织点的浸蚀,形成有规律性的白点(较为严重时可看出呈方形)2特别是在退锡铅合金镀层时,易发生在镀金插头片与插头片之间,须注意选择适宜的退锡铅药水及操作工艺3板材受到不当的热应力作用也会造成白点、白斑3特别是热风整平、红外热熔等如控制失灵,会造成热应力的作用导致基板内产生缺陷“巧妙布局”PCB板http://___.pcbon.net/id=6365 一.元件排列规则
1.在通常条件下所有的元件均应布置在印制电路的同一面上,只有在顶层元件过密时,才能将一些高度有限并且发热量小的器件,如贴片电阻、贴片电容、贴IC等放在底层
2.在保证电气性能的前提下,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,一般情况下不允许元件重叠;元件排列要紧凑,输入和输出元件尽量远离
3.某元器件或导线之间可能存在较高的电位差,应加大它们的距离,以免因放电、击穿而引起意外短路
4.带高电压的元件应尽量布置在调试时手不易触及的地方
5.位于板边缘的元件,离板边缘至少有2个板厚的距离
6.元件在整个板面上应分布均匀、疏密一致 二.按照__走向布局原则
1.通常按照__的流程逐个安排各个功能电路单元的位置,以每个功能电路的核心元件为中心,围绕它进行布局
2.元件的布局应便于__流通,使__尽可能保持一致的方向多数情况下,__的流向安排为从左到右或从上到下,与输入、输出端直接相连的元件应当放在靠近输入、输出接插件或连接器的地方 三.防止电磁干扰
1.对辐射电磁场较强的元件,以及对电磁感应较灵敏的元件,应加大它们相互之间的距离或加以屏蔽,元件放置的方向应与相邻的印制导线交叉
2.尽量避免高低电压器件相互混杂、强弱__的器件交错在一起
3.对于会产生磁场的元件,如变压器、扬声器、电感等,布局时应注意减少磁力线对印制导线的切割,相邻元件磁场方向应相互垂直,减少彼此之间的耦合
4.对干扰源进行屏蔽,屏蔽罩应有良好的接地
5.在高频工作的电路,要考虑元件之间的分布参数的影响 四.抑制热干扰
1.对于发热元件,应优先安排在利于散热的位置,必要时可以单独设置散热器或小风扇,以降低温度,减少对邻近元件的影响
2.一些功耗大的集成块、大或__率管、电阻等元件,要布置在容易散热的地方,并与其它元件隔开一定距离
3.热敏元件应紧贴被测元件并远离高温区域,以免受到其它发热功当量元件影响,引起误动作
4.双面放置元件时,底层一般不放置发热元件 五.可调元件的布局 对于电位器、可变电容器、可调电感线圈或微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求,若是机外调节,其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应;若是机内调节,则应放置在印制电路板于调节的地方优秀的PCB文件注意事项http://___.pcbon.net/id=6352龙人专业从事PCB抄板数十年,打造一支精湛的技术团队,颇具丰富经验对于专业的PCB文件也有自己独到的一套见解对于优秀的PCB文件,龙人认为要从以下六个方面入手下面一一道来 1制作要求 对于板材、板厚、铜厚、工艺、阻焊、字符颜色等要求清晰以上要求是制作一个板子的基础,因此工程师必须写清晰每个文件的技术要求都写得很清晰,哪怕就是平时我们认为最正常的用绿色阻焊油墨白色字符都写在技术要求有体现,而有些客户则是能免则免,什么都不写,就发给厂家打样生产,特别是有些厂家有些特别的要求都没有写出来,导致厂家在收到邮件之后,第一件事情就是要__这方面的要求,或者有些厂家最后做出来的不符要求 2钻孔方面的设计 最直接也是最大的问题,就是最小孔径的设计,一般板内的最小孔径都是过孔的孔径,这个是直接体现在成本上的,有些板的过孔明明可以设计为
0.50MM的孔,即只放
0.30MM,这样成本就直接大幅上升,厂家成本高了,就会提高报价;另外就是过孔太多,有些DVD以及数码相框上面的过孔真的是整板都放满了,动不动就1000多孔,做过太多这方面的板,认为正常应该在500-600孔,当然有人会说过孔多对板子的__导通方面,以及散热方面有好处,这就要取一个平衡,在控制这些方面的同时还要不会导致成本上升举个例子我们公司有个客户是深圳做DVD的,量很大,在最开始合作的时候也是以上这种情况,后来成本对双方来说,实在是个大问题,经过与RD沟通,将过孔的孔径尽量加大,删除大铜皮上的部分过孔,像主IC中间的散热孔用4个
3.00MM的孔代替,这样一来钻孔的费用就降低了,__方就可以降几十块钱的钻孔费,对于双方来说达到了双赢;另外就是一些槽孔,比如说
1.00MMX
1.20MM的超短槽孔,对于厂家来说,真的是非常之难做,第一很难控制公差,第二钻也来的槽也不是直的,有些弯曲,以前我们也做过部分这样的板子,结果几毛钱人民币的板,由于槽孔不合格,扣款1美金/块,我们也与客户沟通过这方面的问题,后来就直接改用
1.20MM的圆孔 3线路方面的设计 对于线宽线距,以及开路短路等,是厂家最常见的,抛开特殊的不说,一些比较常规的板子,线宽线距当然越大越好,有些文件,一条本来可以走得直直的走线,偏偏中间非要出现几个弯,同排好几根宽大小相同走线,间距不一样,比如有些地方间距才
0.10MM,有些地方则有
0.20MM,RD在布线时,就要注意这些细节方面;还有一些线路焊盘或者走线与大铜皮的距离只有
0.127MM,增加了厂家处理菲林的难度,最好焊盘走线与大铜皮的距离有
0.25MM以上;有些走线则距__或V-CUT处的安全距离很小,厂家能够移还好,有些则必须一定要RD设计好才能做,甚至有不是同一个网络的走线连在一起,而有些明明是同一个网络的,偏偏又没连,到最后厂家与RD沟通,就发现是短路开路,然后要重新修改资料,这种情况还不在少数,有经验的工程师或许可以看得出,经验不足的则只跟着设计的文件做,结果是要么修改文件重新打样或者用刀片刮开或者飞线,对于线路有阻抗要求的板,有些RD也不写,最后也是不符合要求另外有些板的过孔设计在__DPAD上,焊接时则漏锡下去 4阻焊方面的设计 在阻焊方面比较易出现的问题,就在有些铜皮或者走线上要露铜这些方面比如在铜皮上要加开阻焊窗,以利于散热,或者在一些大电流的走线上要露铜,一般这些另外增加的阻焊是放在Solder__sk层,但有些RD则另外新建一层,放在机械层上的,放在禁止布线层的,五花八门,什么都有,这还不说,还不特别说明,很难让人明白最理想的还是放在TOPSolder__sk或者BOTTOMSolder__sK层是最好的,让人最容易理解另外就要说明IC中间的绿油桥是否要保留,最好也给予说明 5字符方面的设计 字符方面最重要的就是字宽字高设计的要求,有些板这个方面也不是很好,同一种元件甚至出现几种字符大小,厂家都认为不美观,这些必须向那些主板厂家学习,一排一排的元件字符,同样的大小,让人看上去都有赏心悦目的感觉其实字符最好设计为
0.80*
0.15MM以上,厂家做丝印工序也比较好印;另外就是一些大的白油块,比如说晶振上的,或者一些排插上的,有些厂家要用白油盖住焊盘,有些则要露出焊盘,这些也是必须说明的;也碰到过一些丝印位置对调错误的,比如电阻和电容的字符对换了,不过这些错误还是很少的;还有就是需要加上的标志,如UL标志,ROHS字样,PB标志,厂家的LOGO以及编号 6外形方面的设计 现在的板子很少是那种长方形之类的,都是不规则的,但主要是有几种线画外框,让人无法选择,另外,现在由于为了提高设备的利用率(比如__T),都要拼版V-CUT,但拼出来的板间距不同,有些有间距,有些没有间距,给第一家厂打样做批量还好,要是到后面要换供应商就比较麻烦,如果第二家厂不是按照第一家厂来拼,钢网就套不上了所以在没有特别情况下,最好不要拼有间距;另外就是有些文件设计可能会将要钻出来的槽孔画一个小长方形的孔放在外形层,这种情况在PROTEL软件设计的文件比较常见,相对于来说PADS就比较好,认为放在外形层,在厂家很容易误解为要将此孔冲出来或者做成NPTH属性,对于某些是要PTH属性来说,就容易出问题了在PCB设计中布置各元件http://___.pcbon.net/id=6430
1.
1.受力 电路板应能承受__和工作中所受的各种外力和震动为此电路板应具有合理的形状,板上的各种孔(螺钉孔、异型孔)的位置要合理安排一般孔与板边距离至少要大于孔的直径同时还要注意异型孔造成的板的最薄弱截面也应具有足够的抗弯强度板上直接伸出设备外壳的接插件尤其要合理固定,保证__使用的可靠性
1.
2.受热 对于大功率的、发热严重的器件,除保证散热条件外,还要注意放置在适当的位置尤其在精密的模拟系统中,要格外注意这些器件产生的温度场对脆弱的前级放大电路的不利影响一般功率非常大的部分应单独做成一个模块,并与__处理电路间采取一定的热隔离措施
1.
3.美观 不仅要考虑元件放置的整齐有序,更要考虑走线的优美流畅由于一般外行人有时更强调前者,以此来片面评价电路设计的优劣,为了产品的形象,在性能要求不苛刻时要优先考虑前者但是,在高性能的场合,如果不得不采用双面板,而且电路板http://___.pcbon.net也封装在里面,平时看不见,就应该优先强调走线的美观
1.
4.__ 指在具体的应用场合下,为了将电路板顺利__进机箱、外壳、插槽,不致发生空间干涉、短路等事故,并使指定接插件处于机箱或外壳上的指定位置而提出的一系列基本要求
1.
5.__ __的干扰PCBhttp://___.pcbon.net版图设计中所要考虑的最重要的因素几个最基本的方面是弱__电路与强__电路分开甚至隔离;交流部分与直流部分分开;高频部分与低频部分分开;注意__线的走向;地线的布置;适当的屏蔽、滤波等措施这些都是大量的论着反复强调过的,这里不再重复解析高速DSP系统PCB板的可靠性设计http://___.pcbon.net/id=5655随着微电子技术的高速发展,新器件的应用导致现代EDA设计的电路布局密度大,而且__的频率也很高,随着高速器件的使用,高速DSP数字__处理系统设计会越来越多,处理高速DSP应用系统中的__问题成为设计的重要问题,在这种设计中,其特点是系统数据速率、时钟速率和电路密集度都在不断增加,其PCB印制板的设计表现出与低速设计截然不同的行为特点,即出现__完整性问题、干扰加重问题、电磁兼容性问题等等 这些问题能导致或者直接带来__失真,定时错误,不正确数据、地址和控制线以及系统错误甚至系统崩溃,解决不好会严重影响系统性能,并带来不可估量的损失解决这些问题的方法主要靠电路设计因此PCB印制板的设计质量相当重要,它是把最优的设计理念转变为现实的惟一途径下面讨论针对在高速DSP系统中PCB板可靠性设计应注意的若干问题 电源设计 高速DSP系统PCBhttp://___.pcbon.net板设计首先需要考虑的是电源设计问题在电源设计中,通常采用以__法来解决__完整性问题 考虑电源和地的去耦 随着DSP工作频率的提高,DSP和其他IC元器件趋向小型化、封装密集化,通常电路设计时考虑采用多层板,建议电源和地都可以用专门的一层,且对于多种电源,例如DSP的I/O电源电压和内核电源电压不同,可以用两个不同的电源层,若考虑多层板的__费用高,可以把接线较多或者相对关键的电源用专门的一层,其他电源可以和__线一样布线,但要注意线的宽度要足够 无论电路板是否有专门的地层和电源层,都必须在电源和地之间加一定的并且分布合理的电容为了节省空间,减少通孔数,建议多使用贴片电容可把贴片电容放在PCB板背面即焊接面,贴片电容到通孔用宽线连接并通过通孔与电源、地层相连 考虑电源分布的布线规则 分开模拟和数字电源层 高速高精度模拟元件对数字__很敏感例如,放大器会放大开关噪声,使之接近脉冲__,所以在板上模拟和数字部分,电源层一般是要求分开的 隔离敏感__ 有些敏感__如高频时钟对噪声干扰特别敏感,对它们要采取高等级隔离措施高频时钟20MHz以上的时钟,或翻转时间小于5ns的时钟必须有地线护送,时钟线宽至少10mil,护送地线线宽至少20mil,高频__线的保护地线两端必须由过孔与地层良好接触,而且每5cm打过孔与地层连接;时钟发送侧必须串接一个22Ω~220Ω的阻尼电阻可避免由这些线带来的__噪声所产生的干扰 软、硬件抗干扰设计 一般高速DSP应用系统PCB板都是由用户根据系统的具体要求而设计的,由于设计能力、实验室条件有限,如不采取完善、可靠的抗干扰措施,一旦遇到工作环境不理想、有电磁干扰就会导致DSP程序流程紊乱,当DSP正常工作代码不能恢复时,将出现跑飞程序或死机现象,甚至会损坏某些元器件应注意采取相应的抗干扰措施 硬件抗干扰设计 硬件抗干扰效率高,在系统复杂度、成本、体积可容忍的情况下,优先选用硬件抗干扰设计常用的硬件抗干扰技术可归纳为以下几种: 1硬件滤波RC滤波器可以大大削弱各类高频干扰__如可以抑制“毛刺”干扰 2合理接地合理设计接地系统,对于高速的数字和模拟电路系统来说,具有一个低阻抗、大__的接地层是很重要的地层既可以为高频电流提供一个低阻抗的返回通路,而且使EMI、RFI变得更小,同时还对外部干扰具有屏蔽作用PCB设计时把模拟地和数字地分开 3屏蔽措施交流电源、高频电源http://___.pcbon.net、强电设备、电弧产生的电火花,会产生电磁波,成为电磁干扰的噪声源,可用金属壳体把上述器件包围起来,再接地,这对屏蔽通过电磁感应引起的干扰非常有效 4光电隔离光电隔离器可以有效地避免不同电路板间的相互干扰,高速的光电隔离器常用于DSP和其他设备如传感器、开关等的接口 软件抗干扰设计 软件抗干扰有硬件抗干扰所无法取代的优势,在DSP应用系统中还应充分挖掘软件的抗干扰能力,从而将干扰的影响抑制到最小下面给出几种有效的软件抗干扰方法 1数字滤波模拟输入__的噪声可以通过数字滤波加以消除常用的数字滤波技术有:中值滤波、算术平均值滤波等 2设置陷阱在未用的程序区内设置一段引导程序,当程序受干扰跳到此区域时,引导程序将强行捕获到的程序引导到指定的地址,在那里用专门程序对出错程序进行处理 3指令冗余在双字节指令和三字节指令后插入两三个字节的空操作指令NOP,可以防止当DSP系统受干扰程序跑飞时,将程序自动纳入正轨 4设置看门狗定时如失控的程序进入“死循环”,通常采用“看门狗”技术使程序脱离“死循环”其原理是利用一个定时器,它按设定周期产生一个脉冲,如果不想产生此脉冲,DSP就应在小于设定周期的时间内将定时器清零;但当DSP程序跑飞时,就不会按规定把定时器清零,于是定时器产生的脉冲作为DSP复位__,将DSP重新复位和初始化 电磁兼容性设计 电磁兼容性是指电子设备在复杂电磁环境中仍可以正常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干扰,又能减少电子设备对其他电子设备的电磁干扰在实际的PCB板中相邻__间或多或少存在着电磁干扰现象即串扰串扰的大小与回路间的分布电容和分布电感有关解决这种__间的相互电磁干扰可采取以下措施: 选择合理的导线宽度 由于瞬变电流在印制线条上产生的冲击干扰主要是印制导线的电感成分引起的,而其电感量与印制导线长度成正比,与宽度成反比所以采用短而宽的导线对抑制干扰是有利的时钟引线、总线驱动器的__线常有大的瞬变电流,其印制导线要尽可能短对于分立元件电路,印制导线宽度在
1.5mm左右即可满足要求;对于集成电路,印制导线宽度在
0.2mm~
1.0mm之间选择 采用井字形网状布线结构 具体做法是在PCB印制板的一层横向布线,紧挨着的一层纵向布线 散热设计 为有利于散热,印制板最好是自立__,板间距应大于2cm,同时注意元器件在印制板上的布排规则在水平方向,大功率器件尽量靠近印制板边沿布置,从而缩短传热途径;在垂直方向大功率器件尽量靠近印制板上方布置,从而减少其对别的元器件温度的影响对温度较敏感的元器件尽量布放在温度比较低的区域,而不能放在发热量大的器件的正上方 在高速DSP应用系统的各项设计中,如何把完善的设计从理论转化为现实,依赖于高质量的PCB印制板,DSP电路的工作频率越来越高,管脚越来越密,干扰加大,如何提高__的质量很重要因此系统的性能是否良好,与设计者的PCB印制板质量密不可分PCB布线设计知识问答http://___.pcbon.net/id=5657自动布线的优缺点以及模拟电路布线的注意事项 设计PCBhttp://___.pcbon.net时,往往很想使用自动布线通常,纯数字的电路板尤其__电平比较低,电路密度比较小时采用自动布线是没有问题的但是,在设计模拟、混合__或高速电路板时,如果采用布线软件的自动布线工具,可能会出现一些问题,甚至很可能带来严重的电路性能问题 例如,图1中显示了一个采用自动布线设计的双面板的顶层此双面板的底层如图2所示,这些布线层的电路原理图如图3a和图__所示设计此混合__电路板时,经仔细考虑,将器件手工放在板上,以便将数字和模拟器件分开放置 采用这种布线方案时,有几个方面需要注意,但最麻烦的是接地如果在顶层布地线,则顶层的器件都通过走线接地器件还在底层接地,顶层和底层的地线通过电路板最右侧的过孔连接当检查这种布线策略时,首先发现的弊端是存在多个地环路另外,还会发现底层的地线返回路径被水平__线隔断了这种接地方案的可取之处是,模拟器件12位A/D转换器MCP3202和
2.5V参考电压源MCP4125放在电路板的最右侧,这种布局确保了这些模拟芯片下面不会有数字地__经过 图3a和图__所示电路的手工布线如图
4、图5所示在手工布线时,为确保正确实现电路,需要遵循一些通用的设计准则尽量采用地平面作为电流回路;将模拟地平面和数字地平面分开;如果地平面被__走线隔断,为降低对地电流回路的干扰,应使__走线与地平面垂直;模拟电路尽量靠近电路板边缘放置,数字电路尽量靠近电源连接端放置,这样做可以降低由数字开关引起的di/dt效应 这两种双面板都在底层布有地平面,这种做法是为了方便工程师解决问题,使其可快速明了电路板的布线厂商的演示板和评估板通常采用这种布线策略但是,更为普遍的做法是将地平面布在电路板顶层,以降低电磁干扰 有无地平面时的电流回路设计 对于电流回路,需要注意如下基本事项
1.如果使用走线,应将其尽量加粗 PCB上的接地连接如要考虑走线时,设计应将走线尽量加粗这是一个好的经验法则,但要知道,接地线的最小宽度是从此点到末端的有效宽度,此处“末端”指距离电源连接端最远的点
2.应避免地环路
3.如果不能采用地平面,应采用星形连接策略见图6 通过这种方法,地电流__返回电源连接端图6中,注意到并非所有器件都有自己的回路,U1和U2是共用回路的如遵循以下第4条和第5条准则,是可以这样做的
4.数字电流不应流经模拟器件 数字器件开关时,回路中的数字电流相当大,但只是瞬时的,这种现象是由地线的有效感抗和阻抗引起的对于地平面或接地走线的感抗部分,计算公式为V=Ldi/dt,其中V是产生的电压,L是地平面或接地走线的感抗,di是数字器件的电流变化,dt是持续时间对地线阻抗部分的影响,其计算公式为V=RI其中,V是产生的电压,R是地平面或接地走线的阻抗,I是由数字器件引起的电流变化经过模拟器件的地平面或接地走线上的这些电压变化,将改变__链中__和地之间的关系即__的对地电压解析基于DSP的高速PCB抗干扰设计http://___.pcbon.net/id=5667 PCBhttp://___.pcbon.net板在DSP的运行中也起着重要的作用随着DSP数字__处理器的广泛应用,基于DSP的高速__处理PCB板的设计显得尤为重要在一个DSP系统中,DSP微处理器的工作频率可高达数百MHz,其复位线、中断线和控制线、集成电路开关、高精度A/D转换电路,以及含有微弱模拟__的电路都非常容易受到干扰;所以设计__一个稳定的、可靠的DSP系统,抗干扰设计非常重要 干扰即干扰能量使___处在不希望的状态干扰的产生分两种直接的通过导体、公共阻抗耦合等和间接的通过串扰或辐射耦合很多电器发射源,如光照、电机和日光灯都可以引起干扰,而电磁干扰EMI能产生影响有3个必需的途径,即干扰源、传播途径和干扰受体,只需要切断其中的一个就可以解决电磁干扰问题 1DSP系统的干扰产生分析 为了做出一个稳定可靠的DSP系统,必须从各个方面来消除干扰,即使不能完全消除,也要尽量减少到最小对于DSP系统而言,主要干扰来自于以下几个方面
①输入输出通道干扰指干扰通过前向通道和后向通道进入系统,如DSP系统的数据采集环节,干扰通过传感器迭加到__上,使数据采集的误差增大在输出环节,干扰可以将输出的数据误差增大,甚至完全错误,造成系统崩溃可以合理利用光耦器件减小输入输出通道干扰,对于传感器和DSP主系统的干扰可利用电气隔离来阻挡干扰进入
②电源系统的干扰整个DSP系统的主要干扰源电源在向系统提供电能的同时也将其噪声加到供电的电源上,必须在电源芯片电路设计时对电源线进行退耦
③空间辐射耦合干扰经过辐射的耦合通常称为串扰串扰发生在电流流经导线时产生的电磁场,而电磁场在邻近的导线中感应瞬态电流,造成临近的__失真,甚至错误串扰的强度取决于器件、导线的几何尺寸及相隔距离在DSP布线时,__线间距越大,距离地线越近,就越可以有效地减小串扰 2 针对产生干扰的原因设计PCB 下面给出如何在DSP系统的PCB制作过程中减小各种干扰的方法
2.1 多层板的层叠式设计 DSP高速数字电路中,为了提高__质量,降低布线难度,增加系统的EMC,一般采用多层板的层叠式设计层叠式设计可以提供最短的回流路径,减小耦合__,抑制差模干扰在层叠式设计中,分配专门的电源层和地层,并且地层和电源层紧耦合对抑制共模干扰有好处利用相邻的平面降低电源平面交流阻抗以图1所示的4层板为例来说明层叠式的设计方案 采用这种4层PCB设计的结构有很多优点在顶层top层下面有一层电源层,元器件的电源引脚可以直接接到电源,不用穿过地平面关键的__选布在底层bottorn层,使重要的__走线空间更大,器件尽量放在同一层面上若没有必要,不要做2层零件的板子,这样会增加装配时间和装配复杂度如top层,只有当top层组件过密时,才将高度有限并且发热量小的器件,像退耦电容贴片放在bottom层对于DSP系统可能有大量的线要布,采用层叠式设计,可以在内层走线如果按照传统的通孔会浪费很多宝贵的走线空间,可以利用盲埋孔blind/buriedvia来增加走线__
2.2布局设计 为了使DSPhttp://___.pcbon.net系统获得最佳性能,元器件的布局是非常重要的首先放置DSP、Flash、SRAM和CPLD器件,这耍慎重考虑走线空间,然后按功能__原则放置其他IC,最后考虑I/O口的放置结合以上布局再考虑PCB的尺寸若尺寸过大,会使印制线条太长,阻抗增加,抗噪声能力下降,制板费用也会增加;如果PCB太小,则散热不好,而且空间有限,邻近的线条容易受到干扰所以要根据实际需要选择器件,结合走线空间,大体上算出PCB的大小在对DSP系统布局时,以下器件的摆放位置要特别注意 1高速__布局 在整个DSP系统中DSP与Flash、SRAM之间是主要的高速数字__线,所以器件之间的距离要尽量近,其连线尽可能短,并且直接连接因此,为了减小传输线对__质量的影响,高速__走线应尽量短还要考虑到很多速度达到几百MHz的DSP芯片,需要做蛇型绕线delaytune这在下面布线中将重点阐述 2数模器件布局 在DSP系统中大多不是单一的功能电路,大量应用了CM0S的数字器件和数字模拟混合器件,所以要将数/模分开布局模拟__器件尽量集中,使模拟地能够在整个数字地中间画出一个__的属于模拟__的区域,避免数字__对模拟__的干扰对于一些数模混合器件,如D/A转换器,传统上将其看作模拟器件,把它放在模拟地上,并且给其提供一个数字回路,让数字噪声反馈回__源,减小数字噪声对模拟地的影响 3时钟的布局 对于时钟、片选和总线__,应尽量远离I/O线和接插件DSP系统的时钟输入,很容易受到干扰,对它的处理非常关键要始终保证时钟产生器尽量靠近DSP芯片,使时钟线尽量短时钟晶体振荡器的外壳最好接地 4退耦布局 为了减小集成电路芯片电源上的电压瞬时过冲,对集成电路芯片加退耦电容,这样可以有效地去除电源上毛刺的影响,并减少在PCB上的电源环路反射加退耦电容可以旁路掉集成电路器件的高频噪声,还可以作为储能电容,提供和吸收集成电路开关门瞬间的充放电能 在DSP系统中,对各个集成电路安放退耦电容,像DSP、SRAM、Flash等,在芯片的每个电源和地之间添加,而且要特别注意,退耦电容要尽量靠近电源提供端sour__和IC的零件脚pin保证从电源提供端sotlr__端和进入IC的电流的纯净,并且尽量能让噪音的路径缩短如图2所示,处理电容时,使用大的过孔或多个过孔,且过孔到电容间的连线应尽量短、粗2个过孔距离远时,因为路径太大,不好;最好的就是退耦电容的2个过孔越近越好,可以使噪声以最短路径到地 另外在电源输入端或电池供电的地方加上高频电容是非常有利的一般情况下,对退耦电容的取值不是很严格,一般按C=l/,计算,即频率为10MHz时取0.1μF的电容 5电源的布局 在进行DSP系统__时,电源需要慎重考虑因为一些电源芯片发热量很大,应优先安排在利于散热的位置,要与其他元器件隔开一定距离可以利用加散热片或在器件下面铺铜来进行散热处理注意在__板底层不要放置发热组件 6其他注意 对于DSP系统其他组件的布局应该尽量考虑到焊接方便、调试方便和美观等要求如对电位器、可调电感线圈、可变电容器http://___.pcbon.net、拨码开关等可调器件要结合整体结构放置对于超过15g的器件要加固定支架再焊接,特别注意要留出PCB的定位孔及固定支架所占用的位置PCB边缘的元器件离PCB板边距离一般不要小于2mm,PCB最好为矩形,长宽比为32或4;3
2.3布线设计 在综合考虑到增加DSP系统抗干扰性,增强EMC能力进行布局后,布线也要有一些措施和技巧 1 DSP的布线 布线大体上是从核心器件开始,并以其为中心展开对于DSP这种PQFPPlasticQuadFIatPack或BGABaIlGridArrayr封装的器件,如图3所示,应先根据SRAM、Flash和CPLD的布局位置大体判断出走线方向,对引脚进行扇出fanout操作特别是对于QFPBGA类型的器件,扇出就显得尤其重要在布线开始之初,就先把BGA类型器件的引脚作扇出,可以为后面的布线节省时间,并可以提高布线的质量和效率在布线时,合理利用EDA工具的特点,比如powerPCB的dynamiccrou-ting,可以最优计划空间用dynamic的时候,这个功能会自动让线与线之间的空间保持在规则里面,不浪费空间,减少后续修改,提高布线的质量和效率 对于高速DSP还要注意串扰及蛇行delaytune走线处理蛇行走线处理,如图4所示,可以保证__的完整性,还要保证高速__参考平面的连续性在需要作平面分割的时候,一定注意不要让高速线跨不连续的平面;非要跨,就加跨平面的电容,如图5所示 当__线tra__间隔3倍__线宽时,__间相互串扰coupling的几率只有25%左右,这样就可以达到抗电磁干扰EMI的要求所以,像CLK和SRAM这些高速__线,切记与它旁边的__线远离3倍宽以上,调等长时,即蛇型走线,线与线的宽度也要3倍__线宽以上,包括对于其本身的__线也要3倍__线宽如图6所示,线宽5mil*,绕线本身内部的距离是15mil,大于等于3倍的线宽 2时钟的布线 对于时钟__,要使其对于其他__的走线距离尽量大,保证在4倍线宽以上的距离,并且在时钟零件的下面不要走线;对于模拟电压输入线,参考电压端和I/0__线尽量远离时钟 3对系统电源的处理 电源是系统中最重要的部分在PCB的层叠设计中分配了单独的电源层,但由于一个DSP系统有多种数字和模拟器件,这样所用到的电源也有多种,所以对电源层进行了分割,使相同电源特性的器件分割在同一区域内,可就近连接到电源层但要特别注意,进行分割的时候要注意使参考电源平面的__连续经过实验证明,40mil的线宽,可以通过的电流能保证有lA;对于过孑L,钻径为16mil的可以通过1A的电流,所以对于DSP系统,电源线大于20mil即可对于电源线上的电磁辐射防护要注意以下几点 ◆用旁路电容限制电路板上交流电流的泄漏; ◆在电源线上串接共模扼流圈commonmodechoke,以抑制流经线中的共模电流; ◆布线靠近,减小磁辐射__ 4对接地的处理 在所有的EMC问题中,主要问题都是不适当的接地而引起的地线处理的好坏直接影响系统的稳定可靠接地有以下作用 ◇降低输出线上的共模电压VCM; ◇减小对静电ESD的敏感; ◇减小电磁辐射 高频数字电路和低频模拟电路的地回路绝对不能混合,必须将数/模地分开,因为数字电路高低电位切换时会在电源和__生噪声;若地平面不分开,模拟__依然会被地噪声干扰所以对高频__应采用多点串联接地,尽量加粗缩短地线,这样除减小压降外,更重要的是降低耦合噪声但对于一个系统而言,无论怎样分,最终的大地只有一个,只是泻放途径不同而已,所以最后通过磁珠或0n电阻,将数字地和模拟地连在一起来消除混合__ 的干扰 地平面分割时,必须保证参考平面的连续性像数/模共存的PCB板,若模拟__线走的距离比较远,应尽量使其参考回流路径也是模拟地这意味着在地层要沿模拟__的路径割一个模拟地,使其参考模拟地,保证其参考平面的连续性 5其他注意事项
①在布线时,导线的拐角处一般不要走成90°折线,以减小高频__对外的发射耦合
②对PCB铺铜时,尽量避免使用大__铜箔,否则经过长时间受热,易发生铜箔脱落现象;必须用大__铜箔的时候可以用栅格替代,这样有利于排除铜箔与基板之间粘合剂受热产生挥发性气体在贯穿的零件脚上DIPPIN铺的铜箔最好也用热焊盘ther__l处理;应避免虚焊,提高良品率
③输入与输出的边线应避免相临平行,以避免产生反射干扰;必要时加地线隔离两相邻层的布线要互相垂直,平行容易产生耦合
④对于I/0,最好能够把各自参考平面的不同区域分割开,使不同的I/O__不会相互之间干扰增强防静电ESD功能的PCB设计方法http://___.pcbon.net/id=5673 ESD对PCB板http://___.pcbon.net的正常使用带来一定的困扰,因此,在PCB设计过程中,就应注意实现防ESD设计在PCB板的设计当中,可以通过分层、恰当的布局布线和__实现PCB的抗ESD设计在设计过程中,通过预测可以将绝大多数设计修改仅限于增减元器件通过调整PCB布局布线,能够很好地防范ESD 来自人体、环境甚至电子设备内部的静电对于精密的半导体芯片会造成各种损伤,例如穿透元器件内部薄的绝缘层;损毁MOSFET和CMOS元器件的栅极;CMOS器件中的触发器锁死;短路反偏的PN结;短路正向偏置的PN结;熔化有源器件内部的焊接线或铝线为了消除静电释放ESD对电子设备的干扰和破坏,需要采取多种技术手段进行防范 在PCB板的设计当中,可以通过分层、恰当的布局布线和__实现PCB的抗ESD设计在设计过程中,通过预测可以将绝大多数设计修改仅限于增减元器件通过调整PCB布局布线,能够很好地防范ESD以下是一些常见的防范措施 尽可能使用多层PCB,相对于双面PCB而言,地平面和电源平面,以及排列紧密的__线-地线间距能够减小共模阻抗和感性耦合,使之达到双面PCB的1/10到1/100尽量地将每一个__层都紧靠一个电源层或地线层对于顶层和底层表面都有元器件、具有很短连接线以及许多填充地的高密度PCBhttp://___.pcbon.net,可以考虑使用内层线 对于双面PCB来说,要采用紧密交织的电源和地栅格电源线紧靠地线,在垂直和水平线或填充区之间,要尽可能多地连接一面的栅格尺寸小于等于60mm,如果可能,栅格尺寸应小于13mm 确保每一个电路尽可能紧凑 尽可能将所有连接器都放在一边 如果可能,将电源线从卡的__引入,并远离容易直接遭受ESD影响的区域 在引向机箱外的连接器容易直接被ESD击中__的所有PCB层上,要放置宽的机箱地或者多边形填充地,并每隔大约13mm的距离用过孔将它们连接在一起 在卡的边缘上放置__孔,__孔周围用无阻焊剂的顶层和底层焊盘连接到机箱地上 PCB装配时,不要在顶层或者底层的焊盘上涂覆任何焊料使用具有内嵌垫圈的螺钉来实现PCB与金属机箱/屏蔽层或接地面上支架的紧密接触 在每一层的机箱地和电路地之间,要设置相同的“隔离区”;如果可能,保持间隔距离为
0.64mm 在卡的顶层和底层靠近__孔的位置,每隔100mm沿机箱地线将机箱地和电路地用
1.27mm宽的线连接在一起与这些连接点的相邻处,在机箱地和电路地之间放置用于__的焊盘或__孔这些地线连接可以用刀片划开,以保持开路,或用磁珠/高频电容的跳接 如果电路板不会放入金属机箱或者屏蔽装置中,在电路板的顶层和底层机箱地线上不能涂阻焊剂,这样它们可以作为ESD电弧的放电极 要以下列方式在电路周围设置一个环形地 1除边缘连接器以及机箱地以外,在整个__四周放上环形地通路 2确保所有层的环形地宽度大于
2.5mm 3每隔13mm用过孔将环形地连接起来 4将环形地与多层电路的公共地连接到一起 5对__在金属机箱或者屏蔽装置里的双面板来说,应该将环形地与电路公共地连接起来不屏蔽的双面电路则应该将环形地连接到机箱地,环形地上不能涂阻焊剂,以便该环形地可以充当ESD的放电棒,在环形地所有层上的某个位置处至少放置一个
0.5mm宽的间隙,这样可以避免形成一个大的环路__布线离环形地的距离不能小于
0.5mm几种光源控制电路设计介绍http://___.pcbon.net/id=5680
1、八路流水灯控制器的设计 本控制器的主要功能是完成八路彩灯(包括桥梁灯、护栏灯以及各种大型__招牌的霓虹灯)的控制本控制器电路可分为5V电源http://___.pcbon.net、555振荡电路、计数器、程序存储器EPROM、可控硅触发电流驱动电路 555振荡电路如图所示,一个脉冲周期中高电平脉冲宽度T1=ln*(R1+R2)*C,低电平宽度T2=ln*R2*C,脉冲周期Tw=T1+T2 用NPN型三极管9013放大可控硅的触发电流D为高电平时9013饱和导通,电流经过可控硅的T
1、G极和9013的集射极流向地端;低电平时9013截止,可控硅关断为了使9013工作在开关状态,其基极限流电阻不宜取得过大,一般取100或200欧姆为了减轻7805的负载,9013集电极电源VCC由变压器输出的9V电压经过4个二极管桥整提供,而不是由7805提供,集电极限流电阻为100欧,其消耗功率为P=(
0.9*V)*(
0.9*V)/R=
0.64W驱动电流I为
0.81A,V为变压器输出电压9V
2、霓虹灯的7彩渐变控制器http://___.pcbon.net的设计 7彩渐变的主要原理是,三基色混色实现7种颜色的变化,渐变则采用输出波形的脉宽调制,即霓虹灯导通的占空比,在扫描速度很快的情况下利用人眼的惰性达到渐变的效果 此电路的电源、计数、程序存储部分与前面的一样由于可控硅的性能,即使在触发电压电流都变为零时,只有交变电压到来是才会关断,固输出控制开关采用N沟道的场效应开关管IRF460,驱动也由原来的电流驱动改为电压驱动如图,当D为高电平时,9013饱和导通,V__约为零伏,场效应开关管的栅源极电压也为零伏,场效应开关管关断;当D为低电平时,9013截止,V__等于VCC的电压,场效应开关管的栅源电压也为VCC,此时场效应开关管导通 由于此电路输出的是直流电,固不能接变压器是电感的霓虹灯变压器,只能接电子变压器解析PCB电源供电系统设计http://___.pcbon.net/id=5698 电源供电系统http://___.pcbon.netPDS的分析与设计在高速电路设计领域,特别是在计算机、半导体http://___.pcbon.net、通信、网络和消费电子产业中正变得越来越重要随着超大规模集成电路技术不可避免的进一步等比缩小,集成电路的供电电压将会持续降低随着越来越多的生产厂家从130__技术转向90__技术,可以预见供电电压会降到
1.2V,甚至更低,而同时电流也会显着地增加从直流IR压降到交流动态电压波动控制来看,由于允许的噪声范围越来越小,这种发展趋势给电源供电系统的设计带来了巨大的挑战 PCB电源供电系统设计概览 通常在交流分析中,电源地之间的输入阻抗是用来衡量电源供电系统特性的一个重要的观测量对这个观测量的确定在直流分析中则演变成为IR压降的计算无论在直流或交流的分析中,影响电源供电系统特性的因素有PCBhttp://___.pcbon.net的分层、电源板层平面的形状、元器件的布局、过孔和管脚的分布等等 电源地之间的输入阻抗概念就可以应用在对上述因素的仿真和分析中比如,电源地输入阻抗的一个非常广泛的应用是用来评估板上去耦电容的放置问题随着一定数量的去耦电容被放置在板上,电路板本身特有的谐振可以被抑制掉,从而减少噪声的产生,还可以降低电路板边缘辐射以缓解电磁兼容问题为了提高电源供电系统的可靠性和降级系统的制造成本,系统设计工程师必须经常考虑如何经济有效地选择去耦电容的系统布局 高速电路系统中的电源供电系统通常可以分成芯片、集成电路封装结构和PCB三个物理子系统芯片上的电源栅格由交替放置的几层金属层构成,每层金属由X或Y方向的金属细条构成电源或地栅格,过孔则将不同层的金属细条连接起来 对于一些高性能的芯片,无论内核或是IO的电源供电都集成了很多去耦单元集成电路封装结构,如同一个缩小了的PCB,有几层形状复杂的电源或地平板在封装结构的上表面,通常留有去耦电容的__位置PCB则通常含有连续的__较大的电源和地平板,以及一些大大小小的分立去耦电容元件,及电源整流模块VRM邦定线、C4凸点、焊球则把芯片、封装和PCB连接在了一起整个电源供电系统要保证给各个集成电路器件提供在正常范围内稳定的电压然而,开关电流和那些电源供电系统中寄生的高频效应总是会引入电压噪声其电压变化可以由下式计算得到 这里ΔV是在器件处观测到的电压波动,ΔI是开关电流Z是在器件处观测到的整个电源供电系统电源与地之间的输入阻抗为了减小电压波动,电源与地之间要保持低阻在直流情况下,由于Z变成了纯电阻,低阻就对应了低的电源供电IR压降在交流情况下,低阻能使开关电流产生的瞬态噪声也变小当然,这就需要Z在很宽的频带上都要保持很小 注意到电源和地通常用来作为__回路和参考平面,因此电源供电系统与__分布系统之间有着很紧密的关系然而,由于篇幅的限制,同步开关噪声IOSSO引入的电源供电系统的噪声现象和电流回路控制问题将不在这里讨论以下几节将忽略__系统,而单纯注重电源供电系统的分析 直流IR压降 由于芯片http://___.pcbon.net的电源栅格PowerGrid的特征尺寸很小几微米甚至更小,芯片内的电阻损耗严重,因此芯片内的IR压降已经被广泛地研究而在下面几种情况下,PCB上的IR压降在几十到几百毫伏的范围内对高速系统设计同样会有较大的影响 电源板层上有Swiss-Chess结构、Neck-Down结构和动态布线造成的板平面被分割等情况;电源板层上电流通过的器件管脚、过孔、焊球、C4凸点的数量不够,电源平板厚度不足,电流通路不均衡等;系统设计需要低电压、大电流,又有较紧的电压浮动的范围 例如,一个高密度和高管脚数的器件由于有大量的过孔和反焊盘,在芯片封装结构及PCB的电源分配层上往往会形成所谓的Swiss-Chess结构效应Swiss-Chess结构会产生很多高阻性的微小金属区域根据由于电源供电系统中有这样的高阻电流通路,送到PCB上元器件的电压或电流有可能会低于设计要求因此一个好的直流IR压降仿真模拟是估计电源供电系统允许压降范围的关键通过各种各样可能性的分析为布局布线前后提供设计方案或规则 布线工程师、系统工程师、__完整性工程师和电源设计工程师还可以将IR压降分析结合在约束管理器constraint__nager中,作为对PCB上每一个电源和地网表进行设计规则核查的最终检验工具DRC这种通过自动化软件分析的设计流程可以避免靠目测,甚至经验所不能发现的复杂电源供电系统结构上的布局布线问题图2展示了IR压降分析可以准确地指出一高性能PCB上电源供电系统中关键电压电流的分布 交流电源地阻抗分析 很多人知道一对金属板构成一个平板电容器,于是认为电源板层的特性就是提供平板电容以确保供电电压的稳定在频率较低,__波长远远大于平板尺寸时,电源板层与地板的确构成了一个电容 然而,当频率升高时,电源板层的特性开始变得复杂了更确切地说,一对平板构成了一个平板传输线系统电源与地之间的噪声,或与之对应的电磁场遵循传输线原理在板之间传播当噪声__传播到平板的边缘时,一部分高频能量会辐射出去,但更大一部分能量会反射回去来自平板不同边界的多重反射构成了PCB中的谐振现象 图1三种设置情况下PowerSI计算得到的PCB输入阻抗曲线a不包含电源整流模块;b包含电源整流模块;c包含电源整流模块和一些去耦电容 在交流分析中,PCB的电源地阻抗谐振是个特有的现象图3展示了一对电源板层的输入阻抗为了比较,图中还画了一个纯电容和一个纯电感的阻抗特性板的尺寸是30cm×20cm,板间间距是100um,填充介质是FR4材料板上的电源整流模块用一个3nH的电感来代替显示纯电容阻抗特性的是一个20nF的电容从图上可以看出,在板上没有电源整流模块时,在几十兆的频率范围内,平板的阻抗特性红线和电容蓝线一样在100MHz以上,平板的阻抗特性呈感性沿着绿线到了几百兆的频率范围后,几个谐振峰的出现显示了平板的谐振特性,这时平板就不再是纯感性的了 至此,很明显,一个低阻的电源供电系统从直流到交流是获得低电压波动的关键减少电感作用,增加电容作用,消除或降低那些谐振峰是设计目标 为了降低电源供电系统的阻抗,应遵循以下一些设计准则
1.降低电源和地板层之间的间距;
2.增大平板的尺寸;
3.提高填充介质的介电常数;
4.采用多对电源和地板层 然而,由于制造或一些其他的设计考虑,设计工程师还需要用一些较为灵活的有效的方法来改变电源供电系统的阻抗为了减小阻抗并且消除那些谐振峰,在PCB上放置分立的去耦电容便成为常用的方法 图1显示了在三种不同设置下,用SigrityPowerSI计算得到的电源供电系统的输入阻抗 a.没有电源整流模块,没有去耦电容放置在板上 b.电源整流模块用短路来模拟,没有去耦电容放置在板上 c.电源整流模块用短路来模拟,去耦电容放置在板上 从图中可见,例子a蓝线,在集成电路芯片的位置处观测到的电源供电系统的输入阻抗在低频时呈现出容性随着频率的增加,第一个自然谐振峰出现在800MHz的频率处此频率的波长正对应了电源地平板的尺寸 例子b的绿线,输入阻抗在低频时呈现出感性这正好对应了从集成电路芯片的位置到电源整流模块处的环路电感这个环路电感和平板电容一起引入了在200MHz的谐振峰 例子c的红线,在板上放置了一些去耦电容后,那个200MHz的谐振峰被移到了很低的频率处20MHz,并且谐振峰的峰值也降低了很多第一个较强的谐振峰则出现在大约1GHz处由此可见,通过在PCB上放置分立的去耦电容,电源供电系统在主要的工作频率范围内可以实现较低的并且是平滑的交流阻抗响应因此,电源供电系统的噪声也会很低 图2针对不同结构仿真计算得到的输入阻抗不考虑芯片和封装结构红线;考虑封装结构蓝线;考虑芯片、封装和电路板绿线 在板上放置分立的去耦电容使得设计师可以灵活地调整电源供电系统的阻抗,实现较低的电源地噪声然而,如何选择放置位置、选用多少以及选用什么样的去耦电容仍旧是一系列的设计问题因此,对一个特定的设计寻求最佳的去耦解决方案,并使用合适的设计软件以及进行大量的电源供电系统的仿真模拟往往是必须的 协同设计概念 图1实际上还揭示了另一个非常重要的事实,即PCB上放置分立的去耦电容的作用频率范围仅仅能达到几百兆赫兹频率再高,每个分立去耦电容的寄生电感以及板层和过孔的环路电感电容至芯片将会极大地降低去耦效果,仅仅通过PCB上放置分立的去耦电容是无法进一步降低电源供电系统的输入阻抗的从几百兆赫兹到更高的频率范围,封装结构的电源供电系统的板间电容,以及封装结构上放置的分立去耦电容将会开始起作用到了GHz频率范围,芯片内电源栅格之间的电容以及芯片内的去耦电容是唯一的去耦解决方案 图2显示了一个例子,红线是一个PCB上放置一些分立的去耦电容后得到的输入阻抗第一个谐振峰出现在600MHz到700MHz在考虑了封装结构后,附加的封装结构的电感将谐振峰移到了大约450MHz处,见蓝线在包括了芯片电源供电系统后,芯片内的去耦电容将那些高频的谐振峰都去掉了,但同时却引入了一个很弱的30MHz谐振峰,见绿线这个30MHz的谐振在时域中会体现为高频翻转__的中频包络上的一个电压波谷 芯片内的去耦是很有效的,但代价却是要用去芯片内宝贵的空间和消耗更多的漏电流将芯片内的去耦电容挪到封装结构上也许是一个很好的折衷方案,但要求设计师拥有从芯片、封装结构到PCB的整个系统的知识但通常,PCB的设计师无法获得芯片和封装结构的设计数据以及相应的仿真软件包对于集成电路设计师,他们通常不关心下端的封装和电路板的设计但显然采用协同设计概念对整个系统、芯片-封装-电路板的电源供电系统进行优化分析设计是将来发展的趋势一些走在电子设计前沿的公司事实上已经这样做了龙人PCB设计巧用格点设置http://___.pcbon.net/id=5707龙人计算机专业提供电路板抄板http://___.pcbon.net/Support_downloads.asp、板上IC芯片http://___.pcbon.net/Support_downloads.asp解密、PCB原理图反推、物料清单BOM制作、电路板克隆、电路板打样、电路板焊接、样机全套克隆、样机制作与调试、产品全套技术资料提取等项目__ 合理的使用格点系统,能是我们在PCB设计中起到事半功倍的作用但何谓合理呢很多人认为格点设置的越小越好,其实不然,这里我们主要谈两个方面的问题第一是设计不同阶段的格点选择,第二个针对布线的不同格点选择 设计的不同阶段需要进行不同的格点设置在布局阶段可以选用大格点进行器件布局;对于IC、非定位接插件等大器件可以选用50~100mil的格点精度进行布局,而对于阻容和电感等无源小器件选用25mil的格点进行布局大格点的精度有利于器件对齐和布局的美观在有BGA的设计中,如果使
1.27mm的BGA,那么Fanout时我们可以设置格点精度为25mil,这样有利于fanout的过孔正好打在四个管脚的中心位置;对于
1.0mm和
0.8mm的BGA,我们最好使用mm单位进行布局,这样fanout的过孔可以很好的设置对于其他IC的fanout同样建议用大格点的设计精度进行设计我们建议fanout的格点最好是50mil,甚至更大如果能保证每两个过孔之间可以走线是最好的 在布线阶段的格点可以选择5mil(也不是一定的)记住千万不要设置为1mil的布线格点,这样会使布线很繁琐,很费时间的现在我们谈谈___在布线设计中推荐使用5mil(或其他的格点)的设计精度通常确定设计格点的有两个因素线宽的因素和线间距的因素,而为了我们在设计时精度和我们的设计相匹配,可以有如下一个简单的公式线宽+线间距/5=n,这里n必须为大于1的整数从现实设计中,线宽+线间距可以大于10就以15为例进行说明这样当线宽为6mil时,线间距为9mil;当线宽为7mil时,线间距为8mil只有这样我们在设计调整时才可以用格点精度来保证设计规则的正确性布线时的过孔格点最好也采用25mil以上我们可以在ALLEGRO中通过大小格点的设置达到布线和过孔的格点不同这样可以做到大过孔格点和小走线格点当然,格点的设置还需要在实际应用中灵活把握根据PCB线路板还原电路原理图方法http://___.pcbon.net/id=5710在PCBhttp://___.pcbon.net抄板设计过程中,常常是根据实物来绘制电路原理图,所以,掌握PCB抄板实物图反推为电路原理图的方法将是进行PCB抄板设计的首要程序 在遇到一些小的实物,或者有需要的时候遇到无图纸的电子产品时,需要根据实物画出电路原理图虽然在规模稍大的情况就就变得很复杂但是在掌握以下几点后,相信我们还是可以做到的对于简单一点的电路,就不在话下了
1.选择体积大、引脚多并在电路中起主要作用的元器件如集成电路、变压器、晶体管等作画图基准件,然后从选择的基准件各引脚开始画图,可减少出错
2.若印制板上标有元件序号(如VD
870、R
330、C466等),由于这些序号有特定的规则,英文字母后首位___数字相同的元件属同一功能单元,因此画图时应巧加利用正确区分同一功能单元的元器件,是画图布局的基础
3.如果印制板http://___.pcbon.net上未标出元器件的序号,为便于分析与校对电路,最好自己给元器件编号制造厂在设计印制板排列元器件时,为使铜箔走线最短,一般把同一功能单元的元器件相对集中布置找到某单元起核心作用的器件后,只要顺藤摸瓜就能找到同一功能单元的其它元件
4.正确区分印制板的地线、电源线和__线以电源http://___.pcbon.net电路为例,电源变压器次级所接整流管的负端为电源正极,与地线之间一般均接有大容量滤波电容,该电容外壳有极性标志也可从三端稳压器引脚找出电源线和地线工厂在印制板布线时,为防止自激、抗干扰,一般把地线铜箔设置得最宽(高频电路则常有大__接地铜箔),电源线铜箔次之,__线铜箔最窄此外,在既有模拟电路又有数字电路的电子产品中,印制板上往往将各自的地线分开,形成__的接地网,这也可作为识别判断的依据
5.为避免元器件引脚连线过多使电路图的布线交叉穿插,导致所画的图杂乱无章,电源和地线可大量使用端子标注与接地符号如果元器件较多,还可将各单元电路分开画出,然后组合在一起
6.画草图时,推荐采用透明描图纸,用多色彩笔将地线、电源线、__线、元器件等按颜色分类画出修改时,逐步加深颜色,使图纸直观醒目,以便分析电路
7.熟练掌握一些单元电路的基本组成形式和经典画法,如整流桥、稳压电路和运放、数字集成电路等先将这些单元电路直接画出,形成电路图的框架,可提高画图效率
8.画电路图时,应尽可能地找到类似产品的电路图做参考,会起事半功倍的作用。