每个设计师都应该知道的五个PCB设计基础知识

2022-04-29

每个设计师都应该知道的五个PCB设计基础知识

工程师的PCB设计基础

良好的设计实践将确保您的设计能够大批量生产并以高速工作，无论您是设计印刷电路板还是高速移动。本指南包含现代电路板最重要的PCB设计指南。虽然某些专业设计可能需要遵守额外的布局指南，但此处介绍的PCB设计指南是一个很好的起点。

这些指南旨在帮助您进行布线和可制造性以及基本的信号完整性和组装。

定义设计规则以确保制造和装配良率

组件放置是组件放置的目标是确保可解决性以及布线的简易性

为避免在电路板上布线，请按类型对组件进行分组。

PCB叠层中接地和电源的位置。这包括混合信号PCB布局的一些要点。

尊重机械限制，例如外壳限制和连接器位置

#1 - 在布局PCB设计规则之前，请确定以下内容：

当您开始新设计时，很容易忘记指导您的印刷电路板项目的设计规则。通过在设计早期建立简单的间隙，可以消除组件移位和重新布线。在哪里可以找到这些信息？

首先与您的PCB制造商联系。优秀的制造商通常会在网上发布他们的能力，或在文档中提供这些信息。如果邮件不在他们网站的显眼位置，请向他们发送电子邮件以询问他们的能力。在开始放置组件之前，这是一个好主意。当您使用它时，请提交您的叠加以供审核。或者，查找要使用的标准叠加数据。

在您编制了它们的功能列表后，您可以将它们与您将使用的行业可靠性标准（2 类与 3 类或特殊标准）进行比较。在确定了这些点之后，您将需要选择可制造性或可靠性所需的最保守的设计布局限制。这些可以编码到您的设计规则中。

您的设计规则将指导您完成布局过程，并帮助消除可能导致装配或制造问题的任何设计错误。一旦您建立了设计规则，就该开始放置过程了。

#2 - 微调你的组件布局

元件放置是PCB设计过程中的关键阶段。它需要对董事会上所有可用的房地产进行战略评估。元件放置是关于创建一个易于布线的电路板，尽可能少的层过渡。设计必须遵守设计规则并满足组件放置的要求。尽管这些点很难平衡，但一个简单的过程可以帮助设计人员放置满足这些要求的组件。

必须先放置使用必备组件。有时，由于机械外壳限制或其尺寸，组件必须位于特定位置。这些组件应首先放置，然后锁定到位，然后再继续布局的下一部分。

使用大型处理器和集成电路。将高引脚数 IC 连接到您设计中的其他组件。通过集中定位这些组件，可以更轻松地跟踪PCB的布局。

避免过网。当元件放置在PCB布局中时，可以看到未布线的网络。应尽量减少交叉网。网络的每个交叉点都需要通过过孔进行层转换。如果您可以通过创造性的组件放置消除净横截面，您将更容易为您的PCB布局创建最佳布线指南。

SMDPCB设计规则。建议将所有表面贴装器件 (SMD) 组件放置在同一侧。这是因为每个板面都需要自己的SMD焊接线。因此，最好将所有SMD放置在同一侧。

玩方向。旋转零部件以消除交叉点。这可以通过定向连接的焊盘使它们彼此面对来简化布线。

此PCB设计中的主处理器位于中央，走线从边缘引出。这是较大IC和外围设备的理想放置。

如果您遵循第 1 点和第 2 点，则可以更轻松地安排板的其余部分。您的板也将具有现代的外观和感觉。中央处理器为电路板周边的所有组件提供数据。

#3 - 使用电源、接地和信号走线

现在您已经准备好所有组件，是时候布置电源、接地和信号走线了。这将确保信号遵循清晰且无故障的路径。这些是一些提示，可帮助您浏览布局过程的这一阶段。

电源层和接地层的放置位置

电源和接地通常放置在内部层内的两层上。这可能不适用于 2 层板。您可以在其中一层上放置一个大的接地层，然后将信号或电源走线路由到第二层。接地平面比尝试布线接地走线更好。如果组件需要直接电源连接，建议您使用共轨。共轨适用于最小100密耳的组件。

一些指南规定平面层放置应该是对称的。然而，这不是制造的要求。这对于大型电路板来说可能是必要的，以尽量减少翘曲。但是，对于较小的电路板则不需要。首先，关注电源和接地。接下来，确保所有走线与最近的接地层具有强返回路径耦合。然后，担心 PCB叠层内的完美对称性。

PCB布局布线指南

接下来，连接您的信号迹线以匹配您的原理图。PCB布局最佳实践建议应尽可能频繁地将组件放置在彼此之间。但是，这可能并不总是适用于较大的电路板。如果组件放置需要水平走线，请将走线垂直布线到另一侧。这只是众多重要的PCB设计规则之一。

随着叠层数量的增加，印刷电路板布局指南和设计印刷电路板的规则变得更加复杂。如果您不使用参考平面分隔信号层，您的布线策略将要求您在交替层中使用交替的水平和垂直线。复杂电路板中常用的许多PCB最佳实践不适用于专业应用。您将需要根据您的特定应用设计您的PCB。

确定走线宽度

PCB的布局需要走线来连接组件。但是这些走线宽度应该有多宽呢？三个因素会影响不同网络所需的走线宽度：

制造业。走线不能太薄，否则将无法可靠地制造。大多数情况下，您需要使用比制造商可以生产的更大的走线宽度。

当前的。这决定了防止走线升温所需的最小宽度。如果电流更大，则迹线必须更大。

阻抗。高速数字信号或无线电波需要具有指定的迹线宽度才能达到所需的阻抗值。这不适用于所有信号和网络。因此，您不必在设计指南中对每个网络都设置阻抗控制。

对于大多数低电流模拟和数字信号来说，10 mil 的走线宽度就足够了。可能需要使印刷电路板走线的宽度超过 0.3 A。您可以使用IPC-2152 nomograph进行检查。这将确定电流和温升限制所需的PCB走线宽度。

平面连接器，用于通孔组件的散热

接地层充当散热器并在整个电路板上均匀加热。如果过孔连接到接地层，散热焊盘将从该过孔移除，以允许热量流到接地层。这将防止热量逸出到表面。如果您使用波峰焊将通孔组件连接到板上，这可能会成为一个问题。你需要热量才能停留在地表附近。

需要PCB布局的散热功能，以确保可以在波峰焊工艺中制造电路板。这是指直接连接到平面的通孔组件。当通孔直接连接到平面时，可能难以维持工艺温度。因此，建议使用散热片。热释放会在焊接过程中减慢散热到平面的速度，以防止出现冷接点。

设计人员通常会告诉您对连接到内部电源或接地层的任何通孔或孔使用散热图案。这个建议通常过于笼统。在将您的电路板投入生产之前，请务必向您的制造商寻求指导。

#4 - 将事物分开

您可以找到PCB布线指南，这些指南将帮助您对组件和跟踪进行分组和分离，从而使您的布线变得简单并防止电气干扰。这些指南对于热管理也很有用，因为您可能需要分离高功率部件。

分组组件

最好将组件组合在PCB布局中的一个位置。因为它们可以是电路的一部分，并且只能相互连接，所以没有必要将它们放置在不同的侧面或区域。PCB布局是一个设计和布局电路的过程，以便于将它们与走线连接起来。

许多布局将同时具有模拟和数字组件。您应该确保数字组件不会干扰模拟组件。这是过去几十年的做法。然而，现代设计不允许这样做。这是一种过时的设计选择，可能会导致 EMI。

相反，在您的组件下方放置一个完整的平面图。不要把它分成几块。您可以将模拟组件与以相同频率运行的其他模拟组件保持在一起。将数字组件与其他数字部件放在一起。这可以看作是每个组件在PCB布局中占据不同的区域。然而，地平面在大多数设计中应该保持不变。

大功率元件的分离

分离在板上产生大量热量的组件也是一个好主意。在PCB设计上分离高功率组件是一种平衡温度并避免产生高温组件聚集在一起的热点的方法。为此，您可以先查看组件数据表的“热阻”额定值，然后根据计算出的散热量计算温升。为了降低组件的温度，可以使用散热器或冷却风扇。在设计布线策略时，很难在这些部件的放置与保持走线长度之间取得平衡。

#5 - 增强您的PCB设计

当您尝试将最终部件组合在一起进行制造时，很容易不知所措。它可以通过双重和三重检查来决定您的制造项目是成功还是失败。

检查电气规则 (ERC)和设计规则 (DRC)是个好主意，以确保您满足所有约束条件。这两个系统允许您轻松定义间隙、走线宽度和常见的制造要求。这使您可以自动化PCB设计审查指南并验证您的布局。

许多设计过程要求您在设计过程的每个阶段运行设计规则检查。这是为了确保制造过程顺利进行。使用正确的软件进行设计，您可以在整个设计过程中进行检查。这使您可以快速识别潜在的设计问题并在它们变得严重之前对其进行修复。在您的最终ERC或 DRC没有产生任何错误后，您可以检查每个信号的路由并确认没有任何遗漏。您也可以一次通过原理图一根线来确认您的发现。

这些是我们可以应用于所有电路板设计的顶级PCB设计技巧。这些指南虽然数量不多，但可以作为设计功能性和可制造电路板的一个很好的起点。这些PCB设计指南只是整体情况的一小部分。但是，它们为构建和继续改进您的设计流程提供了坚实的基础。