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        如何優化PCB設計提高電路板可靠性?

        發布時間 :2020-08-20 18:02 閱讀 : 來源 :技術文章責任編輯 :深圳宏力捷PCB設計部
        目前,PCB板仍被用作電子器件和系統的主要組裝方法。實踐證明,即使電路原理圖設計正確,PCB設計不當,也會對電子器件的可靠性造成不利影響。例如,如果PCB板上的兩條細平行線靠近在一起,則信號波形的延遲將導致傳輸線末端的反射噪聲。因此,在設計PCB板時應注意正確的方法。
         
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        一、地線設計
        在電子器件中,接地是控制干擾的重要方法。如果正確使用接地和屏蔽,則可以解決大多數干擾問題。在電子器件中,接地線的結構大致是系統的,包括外殼接地(屏蔽接地),數字接地(邏輯接地)和模擬接地等。
         
        在接地線PCB設計中應注意以下幾點:
        1. 正確選擇單點接地和多點接地
        在低頻電路中,信號的工作頻率小于1MHz,其對器件之間的布線和電感影響很小,而接地電路形成的環流對干擾影響很大,因此應進行單點接地被采用。當信號的工作頻率大于10MHz時,地線阻抗會變得很大,此時,應盡可能降低地線阻抗,并采用最近的多點接地。當工作頻率為1?10MHz時,如果采用單點接地,則其接地線長度應不超過波長的1/20。否則,應采用多點接地方式。
         
        2. 將數字電路與模擬電路分開
        電路板上既有高速邏輯電路又有線性電路,因此應盡可能地分開,并且兩者的地線不應混合,并分別與電源端的地線相連。線性電路的接地面積應盡可能增加。
         
        3.使接地線盡可能粗
        如果接地線很細,則接地電位會隨電流的變化而變化,這將使電子器件的定時信號電平不穩定,抗噪性能也會變差。因此,接地線應做得盡可能粗,以便它可以流經位于PCB板上的三個允許電流。如果可能,接地線的寬度應大于3mm。
         
        4.接地線應形成閉合回路
        在設計僅由數字電路組成的PCB板(PCB)接地系統時,可以將接地線制成閉環電路,從而明顯提高抗噪能力。這是因為PCB板上有許多集成電路組件,特別是在有更多組件的情況下,由于接地線厚度的限制而導致功耗,會在結上產生較大的電勢差,從而產生抗噪聲能力。降落時,如果將接地結構插入環路中,將會減小電位差值,提高電子器件抗噪聲能力。
         
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        二、電磁兼容性設計
        電磁兼容性是指電子器件??在各種電磁環境中和諧有效地工作的能力。電磁兼容設計的目的是使電子器件不僅可以抑制各種外來干擾,使電子器件可以在特定的電磁環境中正常工作,而且可以減少電子器件本身對其他電子器件的電磁干擾。 。
         
        1,選擇合理的線寬
         
        由于由印刷線路上的瞬態電流引起的沖擊干擾主要是由印刷線路的電感成分引起的,因此應使印刷線路的電感量最小。印刷導線的電感量與長度成正比,與寬度成反比,因此,短而細的導線有利于抑制干擾。時鐘導線,線路驅動器或總線驅動器的信號線通常會承載較大的瞬態電流,并且印刷導線應盡可能短。對于分立元件電路,當印刷導線的寬度約為1.5mm時,可以完全滿足要求。對于集成電路,可以在0.2至1.0毫米之間選擇印刷線寬。
         
        2.采取正確的接線策略
         
        使用均等的布線可以降低導線的電感,但是導線之間的互感和分布電容會增加,如果布局允許,最好使用井眼網狀布線結構,具體方法是將PCB板橫向布線時,在縱向布線的另一側,然后在與金屬化孔相連的十字孔中。
         
        為了抑制PCB導體之間的串擾,在布線PCB設計中應盡可能避免長距離相等的布線,應盡可能拉開導線之間的距離,并且信號線不應與接地線和導線交叉。電源線盡可能。通過在一些對干擾非常敏感的信號線之間放置一條印刷線,可以有效地抑制串擾。
         
        為了避免高頻信號穿過印刷導體而引起的電磁輻射,在對PCB板進行布線時應注意以下幾點:
         
        * 盡量減少印刷導線的不連續性,例如導線寬度不應改變,導線角應大于90度,以防止出現環形線。
         
        * 時鐘信號線最有可能產生電磁輻射干擾。鋪設導線時,導線應靠近接地電路,驅動器應靠近連接器。
         
        * 總線驅動程序應在其要驅動的總線旁邊。對于離開PCB的引線,驅動器應在連接器旁邊。
         
        * 數據總線的接線應夾在每兩條信號線之間。最好將接地回路放在最不重要的地址引線旁邊,因為后者經常承載高頻電流。
         
        * 當在PCB板上布置高速,中速和低速邏輯電路時,器件的布置應如圖1所示。
         
        3.抑制反射干擾
        為了抑制印刷線路末端的反射干擾,除了特殊需要外,應盡可能縮短印刷線路的長度,并使用慢速電路。如有必要,可以添加端子匹配,即,可以在傳輸線的末端將地線和電源添加具有相同電阻值的匹配電阻。根據經驗,對于TTL高速電路,當印刷線長于10cm時,應采用端子匹配。匹配電阻的電阻值應根據IC的最大輸出驅動電流和吸收電流確定。
         
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        三、去耦電容配置
        在直流電源電路中,負載的變化會引起電源噪聲。例如,在數字電路中,當電路從一種狀態變為另一種狀態時,電力線上會產生大的峰值電流,從而產生瞬態噪聲電壓。去耦電容器可以配置為抑制由于負載變化引起的噪聲,這是PCB板可靠性PCB設計中的一種常見做法。配置原則如下:
         
        * 電源輸入端已連接至10?100uF的電解電容器。如果PCB板的位置允許,大于100uF的電解電容器的抗干擾效果會更好。
         
        * 每個IC芯片配置一個0.01uF的陶瓷電容器。如果PCB板的空間很小,可以每4?10個芯片配置一個1?10uf的鉭電解電容器,這種特別小的高頻阻抗的器件在500KHZ?20MHZ范圍內的阻抗小于1Ω,并且漏電電流非常?。ǖ陀?.5 uA)。
         
        * 對于噪聲能力弱,關機時電流變化較大的器件以及ROM和RAM等存儲器件,應在芯片的電源線(Vcc)和地線(GND)之間直接連接去耦電容器。
        * 去耦電容器的引線不能太長,尤其是高頻旁路電容器不能帶引線。
         
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        四、PCB板尺寸和器件配置
        PCB板尺寸應適中,當印刷線長時太大,阻抗增加,不僅抗噪聲能力下降,成本高;太小,則散熱不好,同時容易受到相鄰線路的干擾。
         
        就器件布局而言,與其他邏輯電路一樣,彼此相關的器件應放置得盡可能靠近,以獲得更好的抗噪聲效果。時間發生器,晶體振蕩器和CPU的時鐘輸入端子容易產生噪聲,并且應彼此靠近。重要的是,噪聲產生器件,低電流電路,高電流電路等應盡可能遠離邏輯電路,并在可能的情況下制作單獨的電路板。
         
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        五、 散熱設計
        從散熱的角度出發,最好垂直安裝印版,印版之間的距離一般不應小于2cm,印版上的器件布置應遵循以下規則:
         
        * 對于具有自由對流風冷的器件,最好將集成電路(或其他器件)縱向排列。對于采用強制風冷的器件,最好將集成電路(或其他器件)以水平長度排列:
         
        同一塊PCB器件上的低電應根據發熱量的大小和熱分配程度,發熱量小的或耐熱性差的器件(如小信號晶體管,小型集成電路,電解電容器等)上的冷卻氣流最好在入口處,發熱量大或耐熱性好的器件(如功率晶體管,大規模集成電路等)中最下游的冷卻氣流。
         
        * 在水平方向上,大功率器件應盡可能靠近PCB板的邊緣布置,以縮短傳熱路徑;在垂直方向上,大功率組件應盡可能靠近PCB板的頂部布置,以減少這些組件在工作時對其他組件溫度的影響。
         
        * 溫度敏感的器件最好放置在溫度最低的區域(例如器件的底部),請勿將其放在加熱器件的正上方,多個器件最好采用水平交錯的布局。
         
        * 器件中PCB板的散熱主要取決于氣流,因此在設計時要研究氣流路徑,器件或PCB板的合理配置。氣流傾向于在阻力較低的地方流動,因此在PCB板上配置器件時,請避免在區域中留出較大空間。整個機器中多個PCB板的配置也應注意相同的問題。
        大量的實踐經驗表明,采用合理的器件布置可以有效降低印刷電路的溫升,從而可以大大降低器件和器件的故障率。
         
        以上只是PCB可靠性設計的一些一般原則。 PCB可靠性與特定電路密切相關,因此有必要在PCB設計中處理特定電路以最大程度地確保PCB可靠性。


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