线路板布线规则图解及PCB布线参考因素解析

日期:2018-05-27 / 人气: / 来源:www.gycsjx.com

PCBA成品中最核心的部分便是线路板,而PCB线路板最基础的便是线路,PCBA克隆加工及PCBA开发加工中对于PCB线路板布线的了解是必不可少的。

PCB布线应遵循的基本规则

一、控制走线方向

输入和输出端的导线应尽量避免相邻平行。在 PCB 布线时,相邻层的走线方向成正交结构,避免将不同的信号线在相邻层走成同一方向,以减少不必要的层间窜扰。信号串扰对PCBA加工成品的功能影响较大。当 PCB 布线受到结构限制(如某些背板)难以避免出现平行布线时,特别是在信号速率较高时,应考虑用地平面隔离各布线层,用地线隔离各信号线。相邻层的走线方向示意图如下图。

相邻层布线方式

二、检查走线的开环和闭环

在PCB布线时,为了避免布线产生的“天线效应”,减少不必要的干扰辐射和接收,一般不允许出现一端浮空的布线形式,否则可能给PCBA加工带来不可预知的结果。 

避免天线效应

要防止信号线在不同层间形成自环。在多层板设计中容易发生此类问题,而自环将引起辐射干扰。

三、控制走线的长度

1. 使走线长度尽可能的短

在 PCB 布线时,应该使走线长度尽可能的短,以减少由走线长度带来的干扰问题

缩短布线长度

2. 调整走线长度

PCBA加工对时序有严格的要求,为了满足信号时序的要求,对PCB上的信号走线长度进行调整已经成为PCB设计工作的一部分。

走线长度的调整包括以下两个方面的要求。

 

  • a. 要求走线长度保持一致,保证信号同步到达若干个接收器。有时在PCB上的一组信号线之间存在着相关性,如总线,就需要对其长度进行校正,因为需要信号在接收端同步。调整方法就是找出其中最长的那根走线,然后将其他走线调整到等长。
  • b. 控制两个器件之间的走线延迟为某一个特定值,如控制器件A、B之间的导线延迟为1ns,而这样的要求往往由电路设计者提出,但由PCB工程师去实现。需要注意的是,在PCB上的信号传播速度是与PCB的材料、走线的结构、走线的宽度、过孔等因素相关的。通过信号传播速度,可以计算出所要求的走线延迟对应的走线长度。

 

走线长度的调整常采用的是蛇形线的方式。

四、控制走线分支的长度

在PCB布线时,尽量控制走线分支的长度,使分支的长度尽量短,另外一般要求走线延时tdelay≤trise/20,其中trise是数字信号的上升时间。走线分支长度控制示意图

控制分支长度

五、拐角设计

在PCB布线时,走线拐弯是不可避免的,当走线出现直角拐角时,在拐角处会产生额外的寄生电容和寄生电感?走线拐弯的拐角应避免设计成锐角和直角形式,以免产生不必要的辐射,影响PCBA加工成品性能。同时锐角和直角形式的工艺性能也不好?要求所有线与线的夹角应大于等于135°?在走线确实需要直角拐角的情况下,可以采取两种改进方法:一种是将90°拐角变成两个45°拐角;另一种是采用圆角?圆角方式是最好的,45°拐角可以用到10GHz频率上?对于45°拐角走线,拐角长度最好满足L≥3W?

拐角布线方式

 

六、差分对走线

为了避免不理想返回路径的影响,可以采用差分对走线。为了获得较好的信号完整性,可以选用差分对走线来实现高速信号传输。前面介绍的LVDS电平的传输采用的就是差分传输线的方式。

1. 差分信号传输优点:

  • a. 输出驱动总的di/dt会大幅降低,从而减小了轨道塌陷和潜在的电磁干扰。
  • b. 与单端放大器相比,接收器中的差分放大器有更高的增益。
  • c. 差分信号在一对紧耦合差分对中传输时,在返回路径中对付串扰和突变的鲁棒性更好。
  • d. 因为每个信号都有自己的返回路径,所以差分信号通过接插件或封装时,不易受到开关噪声的干扰。

2. 差分信号的缺点:

  • a. 如果不对差分信号进行恰当的平衡或滤波,或者存在任何共模信号,就可能会产生EMI问题。
  • b. 与单端信号相比,传输差分信号需要双倍的信号线。

PCB上的差分对走线如下图

差分布线

3. 设计差分对走线时,要遵循以下原则。

  • a. 保持差分对的两信号走线之间的距离S在整个走线上为常数。
  • b. 确保D>2S,以最小化两个差分对信号之间的串扰。
  • c. 使差分对的两信号走线之间的距离S满足S=3H,以便使元件的反射阻抗最小化。
  • d. 将两差分信号线的长度保持相等,以消除信号的相位差。
  • e. 避免在差分对上使用多个过孔,因为过孔会产生阻抗不匹配和电感。

七、控制PCB导线的阻抗和走线终端匹配

在高速数字电路PCBA加工和射频电路PCBA加工中,对PCB导线的阻抗是有要求的,需要控制PCB导线的阻抗。在PCB布线时,同一网络的线宽应保持一致。由于线宽的变化会造成线路特性阻抗的不均匀,对高速数字电路传输的信号会产生反射,故在设计中应该尽量避免出现这种情况。在某些条件下,如接插件引出线、BGA封装的引出线等类似的结构时,如果无法避免线宽的变化,应该尽量控制和减少中间不一致部分的有效长度。

在高速数字电路中,当PCB布线的延迟时间大于信号上升时间(或下降时间)的1/4时,该布线即可以看成传输线。为了保证信号的输入和输出阻抗与传输线的阻抗正确匹配,可以采用多种形式的终端匹配方法,所选择的匹配方法与网络的连接方式和布线的拓扑结构有关。

八、设计接地保护走线

在模拟电路的PCB设计中,保护走线被广泛地使用,例如,在一个没有完整的地平面的两层板中,如果在一个敏感的音频输入电路的走线两边并行走一对接地的走线,串扰可以减少一个数量级。

在数字电路中,可以采用一个完整的接地平面取代接地保护走线,接地保护走线在很多地方比完整的接地平面更有优势。

接地保护走线实例

根据经验,在两条微带线之间插入两端接地的第三条线,两条微带之间的耦合则会减半。如果第三条线通过很多通孔连接到接地平面,则它们的耦合将进一步减小。如果有不止一个地平面层,则要在每条保护走线的两端接地,而不要在中间接地。

注意:在数字电路中,如果两条走线之间的距离(间距)足够并允许引入一条保护走线,那么两条走线相互之间的耦合通常已经很低了,也就没有必要设置一条接地保护走线了。

九、防止走线谐振

在PCB布线时,布线长度不得与其波长成整数倍关系,以免产生谐振现象。

布线防止谐振

十、布线的一些工艺要求

1.布线范围

布线范围尺寸要求如表,包括内外层线路及铜箔到板边、非金属化孔壁的尺寸。

板外形要素 内层线路及铜箔 外层线路及铜箔
距边最小尺寸 一般边

≥0.5(20)

≥0.5(20)

导槽边

≥1(40)

导轨深+2
拼板分离边 V槽中心 ≥1(40) ≥1(40)
邮票孔边 ≥0.5(20) ≥0.5(20)

距非金属化孔壁

最小尺寸

一般孔 0.5(20)(隔离圈) 0.3(12)封孔圈
单板起拔扳手轴孔 2(80) 扳手活动区不能布线

2. 布线的线宽和线距

在PCBA组装加工密度许可的情况下,应尽量选用较低密度布线设计,以提高无缺陷和可靠性的制造能力。目前一般厂家加工能力为:最小线宽为0.127mm(5mil),最小线距为0.127mm(5mil)。常用的布线密度设计参考如表。

名称 12/10 8/8 6/6 5/5
线宽 0.3(12) 0.2(8) 0.15(6) 0.127(5)
线距 0.25(10)
线焊盘距
焊盘间距

3. 导线与片式元器件焊盘的连接

连接导线与片式元器件时,原则上可以在任意点连接。但对采用再流焊进行焊接的片式元器件,最好按以下原则设计。

a. 对于采用两个焊盘安装的元器件,如电阻、电容,与其焊盘连接的印制导线最好从焊盘中心位置对称引出,且与焊盘连接的印制导线必须具有一样宽度。对线宽小于0.3mm(12mil)的引出线可以不考虑此条规定。

b. 与较宽印制线连接的焊盘,中间最好通过一段窄的印制导线过渡,这一段窄的印制导线通常被称为“隔热路径”,否则,对于2125(英制即0805)及其以下片式类SMD,焊接时极易出现“立片”缺陷。具体要求如图。

焊盘导线布线

4. 导线与SOIC,PLCC,QFP,SOT等器件的焊盘连接

连接线路与SOIC,PLCC,QFP,SOT等器件的焊盘时,一般建议将导线从焊盘两端引出,如图。

布线说明

5. 线宽与电流的关系

当信号平均电流比较大时,需要考虑线宽与电流的关系,具体参数可以参考下表。在PCB设计加工中常用oz(盎司)作为铜箔的厚度单位。1oz铜厚定义为一平方英寸面积内铜箔的重量为一盎,对应的物理厚度为35μm。当铜箔作为导线并通过较大电流时,铜箔宽度与载流量的关系应参考表中的数据降额50%去使用。

导线载流表

PCB布线时应考虑的因素

一、焊盘大小

焊盘中心孔要比元件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径D一般不小于(d+1.2mm),其中d为引线孔径。对高密度的数字电路,焊盘最小直径可取(d+1.0mm)。

二、印刷电路板电路的抗干扰措施

1. 电源线设计

尽量加粗电源线宽度,减少环路电阻。同时,使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致,这样有助于增强抗噪声能力。

2. 地线设计

数字地与模拟地分开。低频电路的地应尽量采用单点并联接地,实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地,地线应短而粗,高频元件周围尽量用栅格状的大面积铜箔。

接地线应尽量加粗。若接地线用很细的线条,则接地电位随电流的变化而变化,使抗噪声性能降低。因此应将接地线加粗,使它能通过三倍于印制板上的允许电流。如有可能,接地线应在2~3mm以上。

只由数字电路组成的印制板,其接地电路构成闭环能提高抗噪声能力。

三、去耦电容配置

  1. 电源输入端跨接10~100μF的电解电容器。如有可能,接100μF以上的更好。
  2. 原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01pF的瓷片电容,如遇印制板空隙不够,可每4~8个芯片布置一个1~10pF的钽电容。
  3. 对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的元件,如RAM、ROM存储元件,应在芯片的电源线和地线之间接入去耦电容。
  4. 电容引线不能太长,尤其是高频旁路电容不能有引线。
  5. 在印制板中如有接触器、继电器、按钮等元件,操作它们时会产生较大火花放电,必须采用RC电路来吸收放电电流。一般R取1~2kΩ,C取2.2~47μF。
  6. CMOS的输入阻抗很高,且易受感应,因此在使用时对不使用的端口要接地或接正电源。

四、各元件之间的接线

  1. 印刷电路中不允许有交叉电路,对于可能交叉的线条,可以用“钻”、“绕”两种办法解决。
  2. 同一级电路的接地点应尽量靠近,并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上。
  3. 总地线必须严格按“高频—中频—低频”逐级按“弱电到强电”的顺序排列原则,不可随便翻来覆去乱接。
  4. 在使用IC座的场合下,一定要特别注意IC座上定位槽放置的方位是否正确,并注意各个IC脚位置是否正确。

文章摘自:http://www.pcbhf.com/pcbchaoban/pcbsheji/274.html

【格亚信电子】是专业从事电子产品设计、电子方案开发、电子产品PCBA加工的深圳电子方案公司,主要设计电子产品包括工控、汽车、电源、通信、安防、医疗电子产品开发。

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作者:电子产品设计


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