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| 電路設計及pcb布線(xiàn)時(shí)的設計可靠性原則 |
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| 文章來(lái)源： 更新時(shí)間：2016/6/28 12:03:00 |
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目前電子器材用于各類(lèi)電子設備和系統仍然以印制電路板為主要裝配方式。實(shí)踐證明，即使電路原理圖設計正確，印制電路板設計不當，也會(huì )對電子設備的可靠性產(chǎn)生不利影響。例如，如果印制板兩條細平行線(xiàn)靠得很近，則會(huì )形成信號波形的延遲，在傳輸線(xiàn)的終端形成反射噪聲。因此，在設計印制電路板的時(shí)候，應注意采用正確的方法。
1 接地
地線(xiàn)設計在電子設備中，接地是控制干擾的重要方法。如能將接地和屏蔽正確結合起來(lái)使用，可解決大部分干擾問(wèn)題。電子設備中地線(xiàn)結構大致有系統地、機殼地(屏蔽地)、數字地(邏輯地)和模擬地等。在地線(xiàn)設計中應注意以下幾點(diǎn)：
1).正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地在低頻電路中，信號的工作頻率小于1MHz，它的布線(xiàn)和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對干擾影響較大，因而應采用一點(diǎn)接地。當信號工作頻率大于10MHz時(shí)，地線(xiàn)阻抗變得很大，此時(shí)應盡量降低地線(xiàn)阻抗，應采用就近多點(diǎn)接地。當工作頻率在1～10MHz時(shí)，如果采用一點(diǎn)接地，其地線(xiàn)長(cháng)度不應超過(guò)波長(cháng)的1/20，否則應采用多點(diǎn)接地法。
2).將數字電路與模擬電路分開(kāi)電路板上既有高速邏輯電路，又有線(xiàn)性電路，應使它們盡量分開(kāi)，而兩者的地線(xiàn)不要相混，分別與電源端地線(xiàn)相連。要盡量加大線(xiàn)性電路的接地面積。
3).盡量加粗接地線(xiàn)若接地線(xiàn)很細，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設備的定時(shí)信號電平不穩，抗噪聲性能變壞。因此應將接地線(xiàn)盡量加粗，使它能通過(guò)三位于印制電路板的允許電流。如有可能，接地線(xiàn)的寬度應大于3mm.
4).將接地線(xiàn)構成閉環(huán)路設計只由數字電路組成的印制電路板的地線(xiàn)系統時(shí)，將接地線(xiàn)做成閉環(huán)路可以明顯的提高抗噪聲能力。其原因在于：印制電路板上有很多集成電路元件，尤其遇有耗電多的元件時(shí)，因受接地線(xiàn)粗細的限制，會(huì )在地結上產(chǎn)生較大的電位差，引起抗噪聲能力下降，若將接地結構成環(huán)路，則會(huì )縮小電位差值，提高電子設備的抗噪聲能力。
2 電磁兼容設計
電磁兼容性設計電磁兼容性是指電子設備在各種電磁環(huán)境中仍能夠協(xié)調、有效地進(jìn)行工作的能力。電磁兼容性設計的目的是使電子設備既能抑制各種外來(lái)的干擾，使電子設備在特定的電磁環(huán)境中能夠正常工作，同時(shí)又能減少電子設備本身對其它電子設備的電磁干擾。
1).選擇合理的導線(xiàn)寬度由于瞬變電流在印制線(xiàn)條上所產(chǎn)生的沖擊干擾主要是由印制導線(xiàn)的電感成分造成的，因此應盡量減小印制導線(xiàn)的電感量。印制導線(xiàn)的電感量與其長(cháng)度成正比，與其寬度成反比，因而短而精的導線(xiàn)對抑制干擾是有利的。時(shí)鐘引線(xiàn)、行驅動(dòng)器或總線(xiàn)驅動(dòng)器的信號線(xiàn)常常載有大的瞬變電流，印制導線(xiàn)要盡可能地短。對于分立元件電路，印制導線(xiàn)寬度在1.5mm左右時(shí)，即可完全滿(mǎn)足要求;對于集成電路，印制導線(xiàn)寬度可在0.2～1.0mm之間選擇。
2).采用正確的布線(xiàn)策略采用平等走線(xiàn)可以減少導線(xiàn)電感，但導線(xiàn)之間的互感和分布電容增加，如果布局允許，最好采用井字形網(wǎng)狀布線(xiàn)結構，具體做法是印制板的一面橫向布線(xiàn)，另一面縱向布線(xiàn)，然后在交叉孔處用金屬化孔相連。
為了抑制印制板導線(xiàn)之間的串擾，在設計布線(xiàn)時(shí)應盡量避免長(cháng)距離的平等走線(xiàn)，盡可能拉開(kāi)線(xiàn)與線(xiàn)之間的距離，信號線(xiàn)與地線(xiàn)及電源線(xiàn)盡可能不交叉。在一些對干擾十分敏感的信號線(xiàn)之間設置一根接地的印制線(xiàn)，可以有效地抑制串擾。
為了避免高頻信號通過(guò)印制導線(xiàn)時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射，在印制電路板布線(xiàn)時(shí)，還應注意以下幾點(diǎn)：
●盡量減少印制導線(xiàn)的不連續性，例如導線(xiàn)寬度不要突變，導線(xiàn)的拐角應大于90度禁止環(huán)狀走線(xiàn)等。
●時(shí)鐘信號引線(xiàn)最容易產(chǎn)生電磁輻射干擾，走線(xiàn)時(shí)應與地線(xiàn)回路相靠近，驅動(dòng)器應緊挨著(zhù)連接器。
●總線(xiàn)驅動(dòng)器應緊挨其欲驅動(dòng)的總線(xiàn)。對于那些離開(kāi)印制電路板的引線(xiàn)，驅動(dòng)器應緊緊挨著(zhù)連接器。
●數據總線(xiàn)的布線(xiàn)應每?jì)筛盘柧�(xiàn)之間夾一根信號地線(xiàn)。最好是緊緊挨著(zhù)最不重要的地址引線(xiàn)放置地回路，因為后者常載有高頻電流。
●在印制板布置高速、中速和低速邏輯電路時(shí)，排列器件3.抑制反射干擾為了抑制出現在印制線(xiàn)條終端的反射干擾，除了特殊需要之外，應盡可能縮短印制線(xiàn)的長(cháng)度和采用慢速電路。必要時(shí)可加終端匹配，即在傳輸線(xiàn)的末端對地和電源端各加接一個(gè)相同阻值的匹配電阻。根據經(jīng)驗，對一般速度較快的TTL電路，其印制線(xiàn)條長(cháng)于10cm以上時(shí)就應采用終端匹配措施。匹配電阻的阻值應根據集成電路的輸出驅動(dòng)電流及吸收電流的最大值來(lái)決定。
3 去耦電容配置
在直流電源回路中，負載的變化會(huì )引起電源噪聲。例如在數字電路中，當電路從一個(gè)狀態(tài)轉換為另一種狀態(tài)時(shí)，就會(huì )在電源線(xiàn)上產(chǎn)生一個(gè)很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓。配置去耦電容可以抑制因負載變化而產(chǎn)生的噪聲，是印制電路板的可靠性設計的一種常規做法，配置原則如下：
●電源輸入端跨接一個(gè)10～100uF的電解電容器，如果印制電路板的位置允許，采用100uF以上的電解電容器的抗干擾效果會(huì )更好。
●為每個(gè)集成電路芯片配置一個(gè)0.01uF的陶瓷電容器。如遇到印制電路板空間小而裝不下時(shí)，可每4～10個(gè)芯片配置一個(gè)1～10uF鉭電解電容器，這種器件的高頻阻抗特別小，在500kHz～20MHz范圍內阻抗小于1Ω，而且漏電流很小(0.5uA以下)。
●對于噪聲能力弱、關(guān)斷時(shí)電流變化大的器件和ROM、RAM等存儲型器件，應在芯片的電源線(xiàn)(Vcc)和地線(xiàn)(GND)間直接接入去耦電容。
●去耦電容的引線(xiàn)不能過(guò)長(cháng)，特別是高頻旁路電容不能帶引線(xiàn)
4 印制電路板的尺寸與器件的布置
印制電路板大小要適中，過(guò)大時(shí)印制線(xiàn)條長(cháng)，阻抗增加，不僅抗噪聲能力下降，成本也高;過(guò)小，則散熱不好，同時(shí)易受臨近線(xiàn)條干擾。
在器件布置方面與其它邏輯電路一樣，應把相互有關(guān)的器件盡量放得靠近些，這樣可以獲得較好的抗噪聲效果。如圖2所示。時(shí)種發(fā)生器、晶振和CPU的時(shí)鐘輸入端都易產(chǎn)生噪聲，要相互靠近些。易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應盡量遠離邏輯電路，如有可能，應另做電路板，這一點(diǎn)十分重要。
5 熱設計從有利于散熱的角度出發(fā)
印制版最好是直立安裝，板與板之間的距離一般不應小于2cm，而且器件在印制版上的排列方式應遵循一定的規則：對于采用自由對流空氣冷卻的設備，最好是將集成電路(或其它器件)按縱長(cháng)方式排列;對于采用強制空氣冷卻的設備，最好是將集成電路(或其它器件)按橫長(cháng)方式排列，同一塊印制板上的器件應盡可能按其發(fā)熱量大小及散熱程度分區排列，發(fā)熱量小或耐熱性差的器件(如小信號晶體管、小規模集成電路、電解電容等)放在冷卻氣流的最上流(入口處)，發(fā)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)放在冷卻氣流最下游。
在水平方向上，大功率器件盡量靠近印制板邊沿布置，以便縮短傳熱路徑;在垂直方向上，大功率器件盡量靠近印制板上方布置，以便減少這些器件工作時(shí)對其它器件溫度的影響，對溫度比較敏感的器件最好安置在溫度最低的區域(如設備的底部)，千萬(wàn)不要將它放在發(fā)熱器件的正上方，多個(gè)器件最好是在水平面上交錯布局。設備內印制板的散熱主要依靠空氣流動(dòng)，所以在設計時(shí)要研究空氣流動(dòng)路徑，合理配置器件或印制電路板�？諝饬鲃�(dòng)時(shí)總是趨向于阻力小的地方流動(dòng)，所以在印制電路板上配置器件時(shí)，要避免在某個(gè)區域留有較大的空域。整機中多塊印制電路板的配置也應注意同樣的問(wèn)題。
6 小結
大量實(shí)踐經(jīng)驗表明，采用合理的器件排列方式，可以有效地降低印制電路的溫升，從而使器件及設備的故障率明顯下降以上所述只是印制電路板可靠性設計的一些通用原則，印制電路板可靠性與具體電路有著(zhù)密切的關(guān)系，在設計中不還需根據具體電路進(jìn)行相應處理，才能最大程度地保證印制電路板的可靠性。
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