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PCB布线规则详解.doc

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PCB 布线 规则 详解
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1 电源、地线的处理 既使在整个 PCB 板中的布线完成 得都很好,但由于电源、 地线的考虑不周到而引起的 干扰,会使产品的性能 下降,有时甚至影响到产品的成功率。所以对电、 地 线的布线要认真对待,把电、地线所产生的噪音干扰 降到最低限度,以保证 产品的质量。 对每个从事电子产品设计的工程人员来 说都明白地线与电源线之间噪音所产生的原因, 现 只对降低式抑制噪音作 以表述: 众所周知的是在电源、地线之间加上去耦电 容。 尽量加宽电源、地线宽度,最好是地线比电源线 宽,它们的关系是: 地线>电源线>信号线,通常信号线宽为: 0.2 ~ 0.3mm, 最经细宽度可达 0.05 ~ 0.07mm, 电源线为 1.2 ~ 2.5 mm 对数字电路的 PCB 可用宽的地导线组成一 个回路 , 即构成一个地网来使用 (模拟电路的地不能 这样使用 ) 用大面积铜层作地线用 ,在印制板上把没 被用上的地方都与地相连接作为地线用。或是做成多 层板,电源,地线各占用一层。 2、数字电路与模拟电路的共地处理 现在有许多 PCB 不再是单一功能电路(数字或模拟电路),而是由数 字电路和模拟电路混合构成的。因此在布线时就需要考虑它们之间互相干扰问题,特别是地线上的噪音干 扰。 数字电路的频率高,模拟电路的敏感度强,对信 号线来说,高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路 器件,对地线来说,整人 PCB 对外界只有一个结点, 所以必须在 PCB 内部进行处理数、模共地的问题,而 在板内部数字地和模拟地实际上是分开的它们之间互 不相连,只是在 PCB 与外界连接的接口处(如插头 等)。数字地与模拟地有一点短接,请注意,只有一 个连接点。也有在 PCB 上不共地的,这由系统设计来 决定。 3、信号线布在电(地)层上 在多层印制板布线时, 由于在信号线层没有布完的线剩下已经不多,再多加 层数就会造成浪费也会 给生产增加一定的工作量,成本也相应增加了,为解 决这个矛盾,可以考虑在电(地)层上进行布线。首 先应考虑用电源层,其次才是地层。因为最好是保留 地层的完整性。 4、大面积导体中连接腿的处理 在大面积的接地 (电)中,常用元器件的腿与其连接,对连接腿的处 理需要进行综合的考虑,就电气性能而言,元件腿的焊盘与铜面满接为好,但对 元件的焊接装 配 就 存 在一 些 不 良隐患 如: ① 焊接需要 大功率加 热 器。 ② 容 易 造成 虚 焊点。所以 兼顾 电气性能与工 艺 需要,做成 十 字 花 焊盘, 称 之为 热隔 离( heat shield ) 俗称热 焊 盘( Ther mal ),这样, 可使在焊接时因 截 面 过 分 散热 而产生 虚 焊点的可能性 大大 减少 。多层板的接电(地)层腿的处理相 同 。 5、布线中网 络 系统的作用 在许多 CAD 系统中,布线 是 依据 网 络 系统决定的。网 格过密 ,通路 虽然 有所增 加,但 步 进 太小 , 图场 的 数 据 量 过 大,这必 然 对设 备 的 存贮空 间有 更 高的要 求 , 同 时也对 象 计 算机类 电子产品的 运算速 度有 极 大的影 响。而有 些 通路是 无 效 的,如被元件腿的焊盘占用的或被 安 装 孔 、定 门孔 所占用的等。网 格过疏 ,通路 太少 对布通率的影响 极 大。所以要有一个 疏密 合理的网 格 系统来 支持 布线的 进行。 标准 元器件 两 腿之间的 距 离为 0.1 英寸 (2.54mm), 所以网 格 系统的 基础 一 般 就定为 0.1 英寸 (2.54 mm) 或 小 于 0.1 英寸 的整 倍 数,如: 0.05 英寸 、 0.025 英寸 、 0.02 英寸 等。6、设计 规则检查 ( DR C) 布线设计完成 后 ,需认真 检 查 布线设计是 否符 合设计 者 所制定的 规则 , 同 时也需 确 认所制定的 规则 是 否符 合印制板生产工 艺 的需 求 ,一 般检查 有如下 几 个 方面: 线与线,线与元件焊盘,线与 贯 通 孔 ,元件 焊盘与 贯 通 孔 , 贯 通 孔 与 贯 通 孔 之间的 距 离是 否 合理 , 是 否 满 足 生产要 求 。 电源线和地线的宽度是 否 合 适 , 电源与地线之间是 否紧 耦合(低的 波阻抗 ) ? 在 PCB 中是 否还 有能 让 地线加宽的地方。 对于关 键 的信号线 是 否采取 了最 佳措施 ,如 长 度最短,加保 护 线, 输入 线 及输出 线被明 显 地分开。 模拟电路和数字电路部分 , 是 否 有各 自独立 的地线。 后 加在 PCB 中的 图形 (如 图 标 、注 标 )是 否 会造成信号短路。 对一 些 不理 想 的线 形 进行 修改 。 在 PCB 上是 否 加有工 艺 线 ?阻 焊是 否符 合生产工 艺 的要 求 , 阻 焊 尺寸 是 否 合 适 ,字 符标志 是 否压 在器件焊盘上,以 免 影响电装质量。 多层板中的 电源地层的外 框边缘 是 否缩小 ,如电源地层的铜 箔露 出 板外容 易 造成短路。 概 述 本 文档 的 目 的在于说明使 用 PADS 的印制板设计 软 件 Power PCB 进行印制板设计 的 流 程和一 些 注意事 项 ,为一个工作组的设计人员 提 供 设计 规范 ,方 便 设计人员之间进行 交流 和相互 检查 。2、设计 流 程 PCB 的设计 流 程分为网表 输入 、 规则 设 置 、 元器件布 局 、布线、 检查 、 复查 、 输出六 个 步骤 . 2.1 网表 输入 ?网表 输入 有 两种 方 法 ,一 种 是使用 PowerLogic 的 OLE P ower PCB C onnection 功能, 选择 Send ?Netlist ,应用 OLE 功能,可以 随 时保 持 原理 图 和 PCB 图 的一 致 ,尽量 减少出错 的可能。 另 一 种 方 法 是 直 接在 Power PCB 中装 载 网表, 选择 File->I mport , 将 原理 图 生成的网表 输入 进来。 2.2 规则 设 置 如果 在原理 图 设计 阶段 就已经把 PCB 的设计 规则 设 置 好的 话 ,就不用再进行设 置 这 些规则 了,因为 输入 网表时,设计 规则 已 随 网表 输入 进 Power PCB 了。如 果修改 了设计 规则 ,必须 同步 原理 图 , 保证原理 图 和 PCB 的一 致 。 除 了设计 规则 和层定 义 外 , 还 有一 些规则 需要设 置 ,比如 Pad Stacks ,需要 修 改标准过孔 的大 小 。如 果 设计 者新建 了一个焊盘或 过 孔 ,一定要加上 Layer 25 。 注意: PCB 设计 规则 、层定 义 、 过孔 设 置 、 CAM 输出 设 置 已经作成 缺省启动文 件, 名称 为 Default .stp ,网 表 输入 进来以 后 , 按照 设计的实际 情况 ,把电源网 络 和地分 配 给电源层和地层, 并 设 置 其它高 级规则 。在 所有的 规则 都设 置 好以 后 ,在 PowerLogic 中,使用OLE P ower PCB C onnection 的 Rules Fro m PCB 功能 , 更新 原理 图 中的 规则 设 置 ,保证原理 图 和 PCB 图 的 规 则 一 致 。 2.3 元器件布 局 网表 输入 以 后 ,所有的元器件都会 放 在工作 区 的 零 点, 重叠 在一起,下一 步 的工作就是 把这 些 元器件分开, 按照 一 些规则摆放 整 齐 ,即元器件布 局 。 Power PCB 提供 了 两种 方 法 , 手 工布 局 和 自动 布 局 。 2.3.1 手 工布 局 1. 工 具 印制板的结构 尺寸画出 板 边 ( Board ?Outline )。 2. 将 元器件分 散 ( Disperse C omponents ),元器件 会 排列 在板 边 的周 围 。 3. 把元器件一个一个地 移动 、 旋转 , 放 到板 边 以内, 按照 一定的 规则摆放 整 齐 。 2.3.2 自动 布 局 Power PCB 提供 了 自动 布 局 和 自动 的 局 部 簇 布 局 ,但对大多数的设计来说, 效果并 不理 想 , 不 推荐 使用。 2.3.3 注意事 项 a. 布 局 的首要原 则 是保证布线的布通率, 移动 器件 时注意 飞 线的连接,把有连线关系的器件 放 在一起b. 数字器件和模拟器件要分开,尽量远离 c. 去耦 电容尽量 靠近 器件的 VCC d. 放置 器件时要考虑以 后 的焊接,不要 太密集 e. 多使用 软 件 提供 的 Array 和 Union 功能, 提 高布 局 的 效 率 2.4 布线 布线的方式也有 两种 , 手 工布线和 自动 布 线。 Power PCB 提供 的 手 工布线功能 十 分强大, 包括自动 推挤 、在线设计 规则检查 ( DR C), 自动 布线由 Specctra 的布线引 擎 进行,通常这 两种 方 法配 合使 用,常用的 步骤 是 手 工 —自动—手 工。 2.4.1 手 工布线 1. 自动 布线 前 ,先用 手 工布一 些重 要的网 络 ,比如 高频时 钟 、 主 电源等,这 些 网 络往往 对 走 线 距 离、线宽 、 线间 距 、 屏蔽 等有特 殊 的要 求;另 外一 些 特 殊封 装,如 BGA , 自动 布线很 难 布得有 规则 ,也要用 手 工布线。 2. 自动 布线以 后 , 还 要用 手 工布线对 PCB 的 走 线进 行 调 整。 2.4.2 自动 布线 手 工布线结 束 以 后 ,剩下的网 络 就 交 给 自动 布线器来 自 布。 选择 Tools- >S PE CC TRA , 启动 Specctra 布线器的接口,设 置 好 DO 文 件, 按 Continue 就 启动 了 Specctra 布线器 自动 布线,结 束后 如 果 布通率为 100 %, 那么 就可以进行 手 工 调 整布线了 ; 如 果 不到 100 %,说明 布 局 或 手 工布线有问题,需要 调 整布 局 或 手 工布线, 直 至 全 部布通为 止 。 2.4.3 注意事 项 a. 电源线和地线尽量加 粗 b. 去耦电容尽量与 VCC 直 接连接 c. 设 置 Specctra 的 DO 文 件时,首先 添 加 Protect ?all wires 命令 ,保 护手 工布的线不被 自动 布线器 重 布 d. 如 果 有混合电源层,应 该将该 层定 义 为 Split/ mixed P lane ,在布线之 前将 其分 割 ,布完线 之 后 ,使用 Pour Manager 的 Plane Connect 进行 覆 铜 e. 将 所有的器件 管脚 设 置 为 热 焊盘方式,做 法 是 将 Filter 设为 Pins , 选 中所有的 管脚 , 修改 属 性,在 Ther mal 选项前 打勾 f. 手动 布线时把 DR C选项 打 开,使用 动 态 布线 ( Dyna mic Route )2.5 检查 检查 的 项目 有间 距 ( Clearance )、连接性 ( Connecti vity )、高 速规则 ( High Speed )和电源 层( Plane ),这 些项目 可以 选择 Tools->Verify Design 进行。如 果 设 置 了高 速规则 ,必须 检查 , 否则 可以 跳 过 这一 项 。 检 查出错 误 ,必须 修改 布 局 和布线。 注意:有 些错 误 可 以 忽略 , 例 如有 些 接 插件的 Outline 的一部分 放 在了板 框 外, 检查 间 距 时 会 出错;另 外每次 修改过走 线和 过孔 之 后 ,都要 重新 覆 铜一次。 2. 6 复查 复查 根 据 “ PCB 检查 表 ” ,内容 包括 设计 规则 ,层定 义 、线宽、间 距 、焊盘、 过孔 设 置;还 要 重 点 复查 器件布 局 的合理性,电源、地线网 络 的 走 线,高 速 时 钟 网 络 的 走 线与 屏蔽 ,去耦电容的 摆放 和连接等 。 复查 不合 格 ,设计 者 要 修改 布 局 和布线,合 格 之 后 , 复查者 和设计 者 分别 签 字。 2.7 设计 输出 PCB 设计可以 输出 到 打 印 机 或 输出 光 绘 文 件。 打 印 机 可以把 PCB 分层 打 印, 便 于设计 者 和 复查者检查; 光绘 文 件 交 给制板 厂家 ,生产印制板。 光绘 文 件的 输出十 分 重 要,关系到这次设计的成 败 , 下面 将 着 重 说明 输出 光绘 文 件的注意事 项 。a. 需要 输出 的层有布线层( 包括 顶 层、 底 层、中间布 线层)、电源层( 包括 VCC 层和 GND 层)、 丝 印层( 包 括 顶 层 丝 印、 底 层 丝 印)、 阻 焊层( 包括 顶 层 阻 焊和 底 层 阻 焊), 另 外 还 要生成 钻 孔文 件( NC Drill ) b. ?如 果 电源层设 置 为 Split/Mixed , 那么 在 Add ?Docu ment 窗 口的 Docu ment 项选择 Routing , 并 且 每 次 输出 光绘 文 件之 前 ,都要对 PCB 图 使用 Pour ?Manager 的 Plane C onnect 进行 覆 铜 ; 如 果 设 置 为 CAM P lane , 则选择 Plane ,在设 置 Layer 项 的时 候 , 要把 Layer 25 加上,在 Layer 25 层中 选择 Pads 和 Viasc . 在设 备 设 置 窗 口( 按 De vice Setup ), 将 Aperture 的 值 改 为 199 d. 在设 置 每层的 Layer 时, 将 Board Outline 选 上 e. 设 置 丝 印层的 Layer 时,不要 选择 Part Type , 选择 顶 层( 底 层)和 丝 印层的 Outline 、 Text 、 Line f. 设 置阻 焊层的 Layer 时, 选择过孔 表 示 过孔 上不 加 阻 焊,不 选过孔 表 示家 阻 焊, 视 具 体 情况确 定 g. 生成 钻 孔文 件时,使用 Power PCB 的 缺省 设 置 ,不 要作 任何 改动 h. 所有 光绘 文 件 输出 以 后 ,用 CAM 350 打 开 并 打 印, 由设计 者 和 复查者 根 据 “ PCB 检查 表 ” 检查过孔 ( via )是多层 PCB 的 重 要组成部分之一, 钻 孔 的费用通常占 PCB 制板费用的 30 % 到 40 %。 简 单的说来, PCB 上的每一个 孔 都可以 称 之为 过孔 。 从作用上 看 , 过孔 可以分成 两类 :一是用作各层间的 电气连接 ; 二 是用作器件的 固 定或定 位 。如 果 从工 艺 制程上来说 , 这 些过孔 一 般 又 分为 三 类 ,即 盲 孔 (blind via )、 埋 孔 (buried via )和通 孔 (through via )。 盲 孔 位 于印 刷 线 路板的 顶 层和 底 层表面, 具 有一定 深 度,用于表层线 路和下面的内层线路的连接, 孔 的 深 度通常不 超 过 一 定的比率 (孔 径 )。 埋 孔 是 指位 于印 刷 线路板内层的连 接 孔 ,它不会 延伸 到线路板的表面。上述 两类孔 都 位 于线路板的内层,层 压前 利 用通 孔 成 型 工 艺 完成,在 过孔形 成 过 程中可能 还 会 重叠 做好 几 个内层。 第三 种 称 为通 孔 ,这 种孔 穿 过 整个线路板,可用于实现内部 互连或作为元件的 安 装定 位 孔 。由于通 孔 在工 艺 上 更 易 于实现,成本 较 低,所以 绝 大部分印 刷 电路板 均 使 用它,而不用 另 外 两种过孔 。以下所说的 过孔 ,没有 特 殊 说明的, 均 作为通 孔 考虑。 从设计的 角 度来 看 , 一个 过孔主 要由 两 个部分组成,一是中间的 钻 孔 ( drill hole ) ,二 是 钻 孔 周 围 的焊盘 区 , 见 下 图 。这两 部分的 尺寸 大 小 决定了 过孔 的大 小 。很 显然 ,在高 速 ,高 密 度的 PCB 设计时,设 计 者 总 是 希望 过孔 越 小 越 好,这样板上可以留有 更 多 的布线 空 间,此外, 过孔 越 小 ,其 自 身 的 寄 生电容也 越 小 , 更适 合用于高 速 电路。 但 孔尺寸 的 减小同 时 带 来了成本的增加,而 且 过孔 的 尺寸 不可能 无 限制的 减小 ,它 受 到 钻 孔 (drill )和电 镀 ( plating )等工 艺 技术 的限制: 孔 越 小 , 钻 孔 需 花 费的时间 越 长 ,也 越 容 易 偏 离中 心位 置; 且当 孔 的 深 度 超 过 钻 孔直 径 的 6倍 时,就 无法 保证 孔 壁 能 均匀 镀 铜。 比如,现在 正 常的一 块 6层 PCB 板的 厚 度(通 孔 深 度)为 50 Mil 左右 ,所以 PCB 厂家 能 提供 的 钻 孔直 径 最 小 只能达到 8Mil 。 二 、 过孔 的 寄 生电容 过孔 本 身 存 在 着 对地的 寄 生电容,如 果 已知 过孔 在 铺 地层上的 隔 离 孔直 径 为 D2, 过孔 焊盘的 直 径 为 D1,PCB 板的 厚 度为 T,板 基 材介 电常数为 ε ,则过孔 的 寄 生电容大 小 近 似 于: C=1.41 ε TD 1/(D2-D 1) 过孔 的 寄 生电容会 给电路造成的 主 要影响是 延 长 了信号的上 升 时间,降 低了电路的 速 度。 举例 来说,对于一 块厚 度为 50 Mil 的 PCB 板,如 果 使用内 径 为 10 Mil ,焊盘 直 径 为 20 Mil 的 过孔 ,焊盘与地 铺 铜 区 的 距 离为 32 Mil ,则 我们可以通 过 上面的 公 式 近 似 算出过孔 的 寄 生电容大 致 是: C=1.41 x4.4 x0.050 x0.020 /(0.032 - 0.020) =0.517 pF , 这部分电容引起的上 升 时间 变化 量为: T10 - 90=2.2C( Z0/2) =2.2 x 0.517 x(55 /2) =31.2 8ps 。从这 些 数 值 可以 看 出 ,尽 管 单个 过孔 的 寄 生电容引起的上 升 延变缓 的 效 用不是很明 显 ,但是如 果走 线中多次使用 过孔 进行层间的 切换 ,设计 者还 是要 慎 重 考虑的。 三 、 过孔 的 寄 生电感 同 样, 过孔存 在 寄 生电容的 同 时 也 存 在 着寄 生电感,在高 速 数字电路的设计中, 过孔 的 寄 生电感 带 来的 危害 往往 大于 寄 生电容的影响。它的 寄 生 串联 电感会 削弱 旁 路电容的 贡献 , 减 弱 整个电源系统的 滤 波效 用。 我 们可以用下面的 公 式来 简 单地计 算 一个 过孔近 似 的 寄 生电感: L=5.0 8h[ln (4 h/d )+1]其中 L指 过孔 的电感 , h是 过孔 的 长 度, d是中 心钻 孔 的 直 径 。从式中可以 看 出 , 过孔 的 直 径 对电感的影响 较 小 ,而对电感影响最 大的是 过孔 的 长 度。 仍 然采 用上面的 例 子,可以计 算 出过孔 的电感为: L=5.0 8x0.050 [ln (4 x 0.050 /0.010) +1]= 1.015 nH 。如 果 信号的上 升 时间是 1ns , 那么 其等 效阻抗 大 小 为: XL=π L/T 10 -90=3.1 9Ω 。这样的 阻抗 在有高频电 流 的通 过 已经不能 够 被 忽略 ,特别要注意, 旁 路电容在连 接电源层和地层的时 候 需要通 过两 个 过孔 ,这样 过孔 的 寄 生电感就会成 倍 增加。 四 、高 速 PCB 中的 过孔 设计 通 过 上面对 过孔 寄 生特性 的分 析 , 我 们可以 看 到,在高 速 PCB 设计中, 看似简 单的 过 孔往往 也会给电路的设计 带 来很大的 负 面 效 应。为了 减小过孔 的 寄 生 效 应 带 来的不 利 影响,在设 计中可以尽量做到: 1、从成本和信号质量 两 方面考虑, 选择 合理 尺寸 的 过 孔 大 小 。比如对 6- 10 层的内 存 模 块 PCB 设计来说, 选 用 10 /20 Mil ( 钻 孔 /焊盘)的 过孔 较 好,对于一 些 高 密 度的 小尺寸 的板子,也可以 尝试 使用 8/18Mil 的 过孔 。 目前 技术条 件下,很 难 使用 更小尺寸 的 过孔 了。 对于电源或地线的 过孔则 可以考虑使用 较 大 尺寸 ,以 减小阻抗 。 2、上面 讨论 的 两 个 公 式可以得 出 ,使用 较薄 的 PCB 板 有 利 于 减小过孔 的 两种 寄 生参 数。 3、 PCB 板上的信号 走 线尽量不 换 层,也就是说尽量不 要使用不必要的 过孔 。 4、电源和地的 管脚 要就 近 打 过孔 , 过孔 和 管脚 之间的 引线 越 短 越 好,因为它们会 导 致 电感的增加。 同 时电 源和地的引线要尽可能 粗 ,以 减少阻抗 。5、在信号 换 层的 过孔 附 近放置 一 些 接地的 过孔 ,以 便 为信号 提供 最 近 的回路。甚至可以在 PCB 板上大量 放 置 一 些 多 余 的接地 过孔 。 当 然 ,在设计时 还 需要 灵活 多 变 。 前 面 讨论 的 过孔 模 型 是每层 均 有焊盘的 情况 , 也有的时 候 , 我 们可以 将 某 些 层的焊盘 减小 甚至去 掉 。 特别是在 过孔密 度 非 常大的 情况 下,可能会导 致 在 铺 铜层 形 成一个 隔 断 回路的 断槽 ,解决这样的问题 除 了 移动过孔 的 位 置 , 我 们 还 可以考虑 将过孔 在 该 铺 铜层 的焊盘 尺寸减小 。

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上传时间: 2018-03-09

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