PCB板的优化设计

2016-04-20广东省惠州市技师学院何培森

电子世界 2016年6期

广东省惠州市技师学院何培森

PCB板的优化设计

广东省惠州市技师学院何培森

【摘要】现代电子产品制造业都非常重视PCB板的设计，提高PCB板质量的关键是进行优化设计。本文根据企业设计PCB板时采用的新工艺与新技术，对PCB板元器件布局的优化、敷铜线布线的优化问题，进行了系统的介绍。

【关键词】PCB板；设计；布局；布线；优化在现代电子产品制造业中，都离不开PCB板的设计，各生产企业都非常注重PCB板设计的质量问题。设计优良的PCB板不但小巧精美、性能稳定，而且使用寿命长，能给企业带来良好的信誉与经济效益。设计不好的PCB板，则易出现相邻敷铜线之间干扰、相邻层与层之间干扰、辐射干扰、元器件发热过大等一系列的问题，严重影响电子产品的安全性、稳定性与使用寿命，给企业造成不必要的各种损失。

1 影响PCB板设计质量的因素

从事PCB板设计工作的技术人员，在进行PCB板设计时，有时会感到很困惑，无法设计出实用性强、高质量的PCB板，无法满足企业的设计要求。

根据本人在实际工作中的体会，在进行PCB板设计时，影响设计质量的主要因素是设计人员没有注意把握好“元器件布局的优化、敷铜线布线的优化”这两个关键问题。设计PCB板时，应根据电路的特点与设计要求，精心的对元器件的布局进行优化、对敷铜线的布线进行优化，这是PCB板设计的精髓。

2 PCB板的优化设计

PCB板的优化设计，包括PCB板元器件布局的优化、敷铜线布线的优化。

2.1 PCB板元器件布局的优化

PCB板元器件的布局，就是根据电路工作原理图，选择一定尺寸的PCB板，按照电气规范，在PCB板上确定好各个元器件的位置。元器件的布局是PCB板设计工作重要的一环，PCB板上的元器件只有合理布局，并认真优化，PCB板才会有优良的电气性能。

2.1.1 PCB板尺寸的优化

根据元器件的结构图，确定出PCB板的大小，并按工艺规范的要求标注出PCB板的尺寸。PCB板尺寸选用过大，既浪费材料，也不利于缩小电路板的体积；PCB板尺寸选用过小，会出现不利生产、电气性能不稳定等的情况。

2.1.2 元器件布局区域的优化

根据生产加工时夹持PCB板的要求，以及电路板安装的要求，确定PCB板上元器件布局的区域和不能布局元器件的区域，在不能进行布局的区域内不能进行元器件的布局。

2.1.3 元器件布局位置的优化

元器件位置的布局，即是把每个元器件摆布的位置确定下来。元器件布局时，要先从整体上确定各单元电路的位置，后确定各单元电路里每个元器件的具体位置。

1)确定各个单元电路的位置。电路原理图中有多个单元电路时，要认真综合考虑各个单元电路的摆布问题。优化布局的重点是，根据电路组成主信号流程，布局各单元电路；结构相同的电路，尽可能采用“对称式”结构进行布局；各单元电路之间总的连线尽可能短，关键信号线也要最短；高电压、大电流信号与低电压、小电流信号要完全分开布局；模拟信号与数字信号要分开布局；高频信号与低频信号也要分开布局。

2)确定各个单元电路元器件的位置。对每个单元电路的元器件进行布局时，要重点从如下几方面对各个元器件进行优化布局。每个单元电路里的元器件，应按照先大后小、先难后易来进行布局，重要的核心元器件优先布局；同类型的元器件，在X或Y方向上色环或极性应朝一个方向布局，便于生产和质量检验；元器件采用波峰焊接生产工艺时，阻、容元器件轴向要与波峰焊传送方向垂直进行布局；阻排及SOP封装元器件轴向，要与波峰焊传送方向平行进行布局；发热元件应均匀布局，以利于整机的散热；温度敏感器件应远离发热量大的元器件（温度检测元件除外）；需调试的元器件周围要有足够的空间；采用BGA封装形式的元器件与相邻元件之间的距离要大于5毫米；各集成电路的去耦电容要尽量靠近其电源引脚，并使之与电源、地之间形成的回路最短。另外，安装孔、接插件等元器件要均匀分布，使之重心平衡、版面美观。

2.2 PCB板敷铜线布线的优化

PCB板元器件的布局情况确定之后，就应在PCB板上进行布线。PCB板的布线，就是在PCB板上用敷铜箔作为导线，把元器件的引脚按照要求连接起来，使电路通电后能正常工作。PCB板布线的优化，也是PCB板设计工作重要的一环。

2.2.1 布线层数的优化

PCB板上的元器件数量不相同时，元器件总的引脚数是不相同的，也就是单位面积上引脚的密度是不相同的。为此可利用PCB板设计软件的统计功能，求出PCB板上平均管脚密度参数，以便确定所需要的信号布线层数，也即确定PCB板的层数。信号层数的确定，可参考表1经验数据。

表1 信号层数数据表

其中，引脚密度系数按“板面积（平方英寸）÷（板上管脚总数×14）”方法进行计算。

PCB板布线时，电源、摸拟小信号、高频信号、时钟信号、同步信号等关键信号的元器件优先布线；尽量为时钟信号、高频信号等敏感信号提供专门的布线层，并保证其最小的回路面积；电源元件产生的干扰较大，布线时应避免靠近对干扰敏感的元器件。

2.2.2 线宽的优化

线宽即敷铜箔印制导线的宽度，线宽的优化要考虑板上元器件的密度与信号的电流强度这两个因素。PCB板元器件的密度较高时，线宽可窄一些；当信号的平均电流较大时，铜箔的厚度与线宽都要加大。PCB板敷铜箔的厚度、走线宽度与流过的电流有密切的关系，不同厚度，不同宽度的敷铜箔的载流量见表2。实际使用时，为确保安全，敷铜箔宽度的载流量，应按表中的值50%进行选择。

表2 铜箔宽度与电流量关系表

2.2.3 导线间距的优化

导线间距是PCB板上相邻印制导线（敷铜线）之间的距离，相邻导线之间的距离由爬电距离来决定。为了减少印制导线之间的串扰，应计算出相邻印制导线之间的工作电压差，由工作电压差再确定出爬电距离，不同工作电压下的爬电距离见表3。相邻印制导线之间的距离应大于爬电距离。

表3 爬电距离数值表

计算相邻导线的电压差较困难，实际应用时，可采用“3W规则”确定导线距离，当相邻两导线中心间距大于3倍导线宽时，基本可满足抗干扰的要求。如要达到优良的抗干扰性能，则可使相邻印制导线间大于10W的间距，如图1（a）所示。

图1 3W规则与线孔

2.2.4 线孔的优化

PCB板上的线孔主要是指元器件引脚的过线孔，有焊接孔、盲孔、埋孔之分。焊接孔一般设置在双面板的焊盘上，元器件引脚穿过孔后再进行焊接，如图1（b）所示。PCB板焊接孔的孔径取决于板厚度、焊盘直径的大小，板厚度与孔径之比，应小于 5~8。焊盘孔径大小、焊盘直径大小、PCB板的厚度数值的对应关系见表4。设计线孔时应根据板的厚度优化选取线孔的直径。

表4 板厚度、焊盘直径、焊盘孔径对应关系表

在多层板中，盲孔是连接在PCB板最表面层和内层之间，但又不贯通整板的导通孔；埋孔则是连接在PCB板内、层与层之间，但在PCB板最表面层不可见的导通孔。这两类过孔的作用是，把PCB板各层之间的元器件进行连通，这两类孔的尺寸选取方法与焊线孔相同。

2.3 地线回路的优化

地线回路优化的方法是，信号线所构成的环路面积要尽可能小，地线的面积要足够大。环路面积越小，对外的辐射越少，接收外界的干扰也越小。在双层PCB板设计中，应为电源地留下足够的空间，且要增加一些必要的过孔，将双面电源地有效连接起来。另外，对一些关键信号，信号线之间尽量采用地线进行隔离，以减少信号之间的窜扰。

2.4 窜扰控制的优化

窜扰是指PCB板上不同网络（单元电路）之间，因较长的、相邻的敷铜线的分布电容和分布电感引起的相互干扰。克服窜扰进行优化的方法是，加大相邻敷铜线的间距，或在相邻敷铜线之间插入接地的隔离线，都可有效解决问题。

2.5 屏蔽保护的优化

对一些特别重要，频率特别高的信号，进行优化设计时，应该采用铜轴电缆屏蔽结构，即将所布的敷铜线的上下、左右，用地线与周围元器件进行隔离，达到屏蔽干扰的作用，如图2（a）所示。