四層電路板(PCB)的電磁兼容(EMC)設(shè)計

1、摘要  詳細介紹有關(guān)電路板的PCB設(shè)計過程以及應(yīng)注意的問題。在設(shè)計過程中針對普通元器件及一些特殊元器件采用不同的布局原則；比較手工布線、自動布線及交互式布線的優(yōu)點及不足之處；介紹PCB電路以及為了減小電路之間的干擾所采取的相關(guān)措施。結(jié)合親身設(shè)計經(jīng)驗，以基于ARM、自主移動的嵌入式系統(tǒng)核心板的PCB設(shè)計為例，簡單介紹有關(guān)四層電路板的PCB設(shè)計過程以及應(yīng)注意的相關(guān)問題。關(guān)鍵詞  四層PCB 布局  布線  抗干擾     印制電路板(PCB)在電子產(chǎn)品中，起到支撐電路元件和器件的作用，同時還提供電路元件和器件之間的電氣連接。其實

2、，PCB的設(shè)計不僅是排列、固定元器件，連通器件的引腳這樣簡單，它的好壞對產(chǎn)品的抗干擾能力影響很大甚至對今后產(chǎn)品的性能起著決定性作用。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，元器件和產(chǎn)品的外形尺寸變得越來越小，工作頻率越來越高，使得PCB上元器件的密度大幅提高，這也就增加了PCB設(shè)計、加工的難度。因此，可以這樣說，PCB設(shè)汁始終是電子產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計中最重要的內(nèi)容之一。1 布局    所謂布局就是把電路圖中所有元器件都合理地安排在面積有限的PCB上。從信號的角度講，主要有數(shù)字信號電路板、模擬信號電路板以及混合信號電路板3種。在設(shè)計混合信號電路板時，一定要仔細考慮，將元器件通過手工方式擺

3、放在電路板的合適位置，以便將數(shù)字和模擬器件分開，如圖l所示。    在安排PCB的布局過程巾，最關(guān)鍵的問題是：開關(guān)、按鈕、旋鈕等操作件以及結(jié)構(gòu)件(簡稱“特殊元件”)等，必須事先安排到指定(合適)的位置上。放置好之后，可以設(shè)置元器什的屬性，將LOCK項選中，這樣就可以避免以后的操作誤將其移動；而對于其他元器件的位置安排，必須同時兼顧布線的布通率和電氣性能的最優(yōu)化，以及今后的生產(chǎn)工藝和造價等多方面因素所謂的“兼顧”往往是對設(shè)計工作人員水平和經(jīng)驗的挑戰(zhàn)。1.1 特殊元件的布局原則    應(yīng)當(dāng)盡可能地縮短元器件之間的連線，設(shè)法減小它們的分布參

4、數(shù)和相互之間的電磁干擾。那些易受電磁干擾的元器件不能挨得太近，輸入和輸出元件應(yīng)盡量彼此遠離。    某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差，因此應(yīng)加大它們之間的距離，以避免放電而引起意外的短路；同時從安全的角度考慮，帶高壓的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時手不易觸及的地方。    對于質(zhì)量超過15g的兀器件，應(yīng)當(dāng)使用支架加以固定后，再進行焊接。那些又大又重、發(fā)熱量大的元器件，不宜裝在印制板上，而應(yīng)裝在整機的機箱底板上；且要考慮散熱問題，熱敏元器件應(yīng)當(dāng)遠離發(fā)熱元件。    對于電位器、可凋電感線、可變電容器、微動開

5、關(guān)等可調(diào)元件的布局，應(yīng)考慮整機的結(jié)構(gòu)要求。若是機內(nèi)調(diào)節(jié)，則應(yīng)放在印制板上方便調(diào)節(jié)的地方；若是機外調(diào)節(jié)，則其位置要與調(diào)節(jié)旋鈕在機箱面板上的位置相適應(yīng)。1.2 普通元器件的布局    按照電路的流程安排各個電路單元的位置，使布局便于信號的流通，并且盡量使信號能夠保持一致的方向。    以每個功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進行布局。元器件應(yīng)當(dāng)均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上盡量減少和縮短各器件之間的引線和連接。    在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般情況下，電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列，

6、不僅可以達到美觀的效果，而且易于裝焊和批量生產(chǎn)。    位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于2mm；電路板的最佳形狀為矩形，其長寬比可為3：2或4：3。當(dāng)電路板面尺寸大于200mm×150mm時，應(yīng)考慮電路板所承受的機械強度。若在實際設(shè)計過程中，開始時并不能確定PCB板所需的尺寸，則可以設(shè)計得稍微大一些。待PCB設(shè)計工作結(jié)束后，可在Protel DXP中選擇DesignBoard ShapeRedefine Board Shape操作，對原先的PCB進行適當(dāng)?shù)牟眉簟?#160;   另外，根據(jù)本人的實際工作經(jīng)驗，若要對已有的

7、電路板進行某些功能的擴充或縮減，需要重新設(shè)計新的PCB，則在實際布局時可以參照母板上的布局，通過手工方式將元器件安排在恰當(dāng)?shù)奈恢蒙?；在布線過程中，再根據(jù)實際需要進行調(diào)整，以進一步提高布通率。2 布線    布線是在布局之后，通過設(shè)汁銅箔的走線圖，按照原理圖連通所有的走線。顯然，布局的合理程度將直接影響到布線的成功率，因而往往在布線的整個過程中，都需要對布局進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。布線設(shè)計可以采用雙層走線和單層走線；對于極其復(fù)雜的設(shè)計，也可以考慮多層布線方案。    在PCB設(shè)計中，布線足完成產(chǎn)品設(shè)計的重要步驟?？梢赃@樣說，前面各項準(zhǔn)備工作都是

8、為它而做的。PCB布線有單面布線、雙面布線和多層布線。布線的方式有兩種：自動布線和交互式布線。    在PCB設(shè)計中，設(shè)計人員往往希望能夠采用自動布線的方式。在通常情況下，對于純數(shù)字信號電路板(尤其信號電平比較低，電路板密度比較小時)采用自動布線是沒有問題的。但是，在設(shè)計模擬信號混合信號或高速電路板時，如果也完全采用自動布線，可就要出問題了，甚至可能帶來嚴(yán)重的電路性能問題。    目前，雖然已經(jīng)有一些自動布線的工具功能非常強大，通?？梢赃_到100的布通率，但是整體外觀效果不是很美觀，有時連線排列雜亂無章，兩個引腳之間的連線并不是最短(

9、最優(yōu))路徑。    對于電路相對比較復(fù)雜的設(shè)計，請盡量不要完全采用自動布線方式。建議在采用自動布線之前，首先采用交互式方式預(yù)先對那些要求比較嚴(yán)格的線進行布線。同時輸入端和輸出端的邊線應(yīng)避免相鄰平行，以免產(chǎn)生反射干擾；兩相鄰層的布線要相互垂直，平行容易產(chǎn)生寄生耦合，這一約束條件可以在布線規(guī)則中添加。    自動布線的布通率，依賴于良好的布局。布線規(guī)則要預(yù)先設(shè)定，包括走線的彎曲次數(shù)、導(dǎo)通孔的數(shù)目和步進的數(shù)目等。一般先進行探索式市線，快速地把短線先連通；然后再進行迷宮式布線，先把要布的線進行全局的布線路徑優(yōu)化，它可以根據(jù)需要斷開已布的線，并

10、重新布線，以改進總體效果。    在手工布線時，為了確保正確實現(xiàn)電路，需要遵循一些通用的設(shè)計規(guī)則：盡量采用地平面作為電流回路；將模擬地平面與數(shù)字地平面分開；如果地平面被信號線隔斷，那么為減少對地電流回路的干擾，應(yīng)使信號走線與地平面垂直；模擬電路盡量靠近電路扳邊緣放置，數(shù)字電路盡量靠近電源連接端放置，這樣做町以減小由數(shù)字開關(guān)引起的di/dt出效應(yīng)。3 PCB電路及電路抗干擾措施    抗干擾設(shè)計與具體電路有著密切的關(guān)系，也是一個很復(fù)雜的技術(shù)問題。這里結(jié)合在PCB設(shè)計過程中的經(jīng)驗做一些簡單的介紹。    電源

11、線的設(shè)計。根據(jù)PCB電流的大小，盡量加粗電源線的寬度(在布線設(shè)計規(guī)則中，可以單獨為電源線和地線的線寬做新的約束規(guī)則)，減少環(huán)路電阻，尤其要注意使電源線、地線的供電方向與數(shù)據(jù)、信號的傳遞方向相反，有助于增強抗噪聲能力。    地線的設(shè)計。地線既是特殊的電源線，又是信號線。除了要遵循電源線的設(shè)計原則外，還應(yīng)做到：數(shù)字地與模擬地分開；若線路板上既有邏輯電路又有線性電路，則應(yīng)使它們盡量分開；低頻電路的地應(yīng)盡量采用單點并聯(lián)接地，實際布線有困難時可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地；高頻電路宜采用多點串聯(lián)接地，地線應(yīng)短而粗，高頻元件周圍盡量用柵格狀進行大面積地敷銅；盡量加寬電源和地線寬度，

12、最好是地線要比電源線寬一些，它們的寬度關(guān)系是，地線>電源線>信號線。    數(shù)字電路系統(tǒng)的接地構(gòu)成閉環(huán)路，即構(gòu)成一個地網(wǎng)，能提高抗噪聲能力。    數(shù)字電流不應(yīng)流經(jīng)模擬器件，高速電流不應(yīng)流經(jīng)低速器件。    在電源地線之間加上去耦電容，以提高電源回路的抗干擾能力。4 具體實例    以下實例是基于ARM、自主移動的嵌入式系統(tǒng)核心板的PCB設(shè)計。4.1 核心板原理圖    在核心板原理圖中，核心元件為S3C44BOX。該元件是一款高性能

13、的1632位RISC微處理器，66MHz的主頻，內(nèi)部集成了LCD控制器，適用于手持設(shè)備，采用160-QFP封裝。在該系統(tǒng)中，電源電路需要使用5V和33V的直流穩(wěn)壓電源，其中S3C44BOX使用25V電源，外圍器件需33V電源，其他部分器件需5V電源；晶振電路用于向CPU以及其他電路提供工作時鐘，S3C44BOX使用常用的無源晶振；U6、U7和U9構(gòu)成此系統(tǒng)的存儲系統(tǒng)。42 四層電路板布線規(guī)則    本PCB設(shè)計使用的軟件工具為Protel DXP。該核心板為四層電路板，頂層和底層為信號層，中間哺層分別為電源層和地層。頂層和底層的PCB圖如圖2和圖3所示。 

14、;   母板的原始PCB尺寸為55mm×70mm，但在實際設(shè)計過程中，若也將PCB尺寸設(shè)計為此值，則在布線過程中會遇到難以布通的實際困難，因此先將板尺寸設(shè)計得稍微大一些，在布線成功之后，選擇DesignBoard ShapeRedefine Roard Shape對PCB板進行裁剪。    在由原理圖生成PCB圖時，通過手工的方式，將一些要求比較嚴(yán)格的元器件(U5、U6、U7和U9)放置在適當(dāng)?shù)奈恢茫⑵滏i定；同時要將晶振放置在U5的附近。在擺放其他元器件時也要注意元器件之間的距離，如果兩個元器件距離太近，則會產(chǎn)生干擾，并呈綠色顯示

15、。    在系統(tǒng)中，S3C44BOX的片內(nèi)工作頻率為66MHz。因此，在印刷電路板的設(shè)計過程中，應(yīng)該遵循一些高頻電路的設(shè)計基本原則，否則會使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定甚至不能正常工作。    對于目前高密度的PCB設(shè)計，已經(jīng)感覺到貫通孔不太適應(yīng)了，浪費了許多寶貴的布線通道。為解決這一矛盾，出現(xiàn)了盲孔和埋孔技術(shù)，它不僅實現(xiàn)了導(dǎo)通孔的作用，而且還省出許多布線通道，使布線過程完成得更加方便、流暢，更加完善。在大多數(shù)教程中，也提倡在多層電路板的設(shè)計中采用盲孔和埋孔技術(shù)。這樣做雖然可以使布線工作變得容易，但是同時也增加了PCB設(shè)計的成本。因此是否選取此技術(shù)

16、，要根據(jù)實際的電路復(fù)雜程度及經(jīng)濟能力來決定。筆者在設(shè)計四層板的過程中并沒有采用此技術(shù)，如果覺得貫通孔數(shù)目太多，則可以在布線前在布線規(guī)則中限制打孔的上限值。    在布線前，預(yù)先在布線規(guī)則中設(shè)置頂層采用水平布線，而底層則采用垂直布線的方式。這樣做可以使頂層和底層布線相互垂直，從而避免產(chǎn)生寄生耦合；同時在引腳間的連線拐彎處盡最避免使用直角或銳角，因為它們在高頻電路中會影響電氣性能。    PCB設(shè)計采用交互式布線方式。首先對元器件J1、J2與U5之間的引腳連線手工進行預(yù)布線，在微處理器的輸入輸出信號中，有相當(dāng)一部分是相同類型的，如數(shù)據(jù)線、地址線和信號線。對于這些相同類型的信號線應(yīng)該成組、平行分布，并注意它們之間的長短差異不要太大，這樣既可以減小干擾，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又可以使布線變得簡單，印刷電路板的外觀更加整齊美觀。然后對其余元器件采用自動布線(其問可以嘗試不同的布線策略)，當(dāng)布線成功之后，對一些不理想的布線可以進行修改、優(yōu)化。    布線設(shè)計完成后，須認真檢查布線設(shè)計是否符合設(shè)計者所制定的規(guī)則，同時電需要確認所制定的規(guī)則是否符合印制板生產(chǎn)工藝的需求；然后對焊盤補淚滴，使焊盤不容易起皮，走線與焊盤不易斷開；最后對印制線路板上