高速PCB规划攻略之五

第二篇   PowerPCB在印制电路板规划中的运用技能

作者 :中国船舶工业总公司第七0七研究所 谷健
         印制电路板（PCB）是电子产品中电路元件和器材的支撑件。它供给电路元件和器材之间的电气衔接。跟着电子技能的飞速发展，PCB的密度越来越高。PCB规划的好坏对立搅扰才能影响很大。实践证明，即便电路原理图规划正确，印制电路板规划不妥，也会对电子产品的牢靠性发作晦气影响。例如，假如印制板两条细平行线靠得很近，则会构成信号波形的推迟，在传输线的终端构成反射噪声。因而，在规划印制电路板的时分，应留意选用正确的办法，恪守PCB规划的一般准则，并应契合抗搅扰规划的要求。
    一、 PCB规划的一般准则
    要使电子电路获得最佳功用，元器材的布局及导线的布设是很重要的。为了规划质量好、造价低的PCB，应遵从以下的一般性准则：
    1.布局
    首要，要考虑PCB尺度巨细。PCB尺度过大时，印制线条长，阻抗添加，抗噪声才能下降，本钱也添加；过小，则散热欠好，且附近线条易受搅扰。在确认PCB尺度后，再确认特别元件的方位。最终，依据电路的功用单元，对电路的悉数元器材进行布局。
    在确认特别元件的方位时要恪守以下准则：
    （1）尽或许缩短高频元器材之间的连线，设法削减它们的散布参数和彼此间的电磁搅扰。易受搅扰的元器材不能彼此挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。
    （2）某些元器材或导线之间或许有较高的电位差，应加大它们之间的距离，防止放电引出意外短路。带高电压的元器材应尽量安置在调试时手不易触及的当地。
    （3）分量超越15g的元器材，应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器材，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。
    （4）关于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调理，应放在印制板上便利调理的当地；若是机外调理，其方位要与调理旋钮在机箱面板上的方位相适应。
    （5）应留出印制板定位孔及固定支架所占用的方位。

    依据电路的功用单元。对电路的悉数元器材进行布局时，要契合以下准则：
    （1）依照电路的流程组织各个功用电路单元的方位，使布局便于信号流转，并使信号尽或许坚持共同的方向。
    （2）以每个功用电路的中心元件为中心，环绕它来进行布局。元器材应均匀、规整、紧凑地摆放在PCB上。尽量削减和缩短各元器材之间的引线和衔接。
    （3）在高频下作业的电路，要考虑元器材之间的散布参数。一般电路应尽或许使元器材平行摆放。这样，不光漂亮，而且装焊简单，易于批量出产。
    （4）坐落电路板边际的元器材，离电路板边际一般不小于2mm。电路板的最佳形状为矩形。长宽双为3:2或4:3。电路板面尺度大于200×150mm时，应考虑电路板所受的机械强度。

    2.布线
    布线的准则如下：
    （1）输入输出端用的导线应尽量防止相邻平行。最好加线间地线，防止发作反应藕合。
    （2）印制板导线的最小宽度首要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决议。当铜箔厚度为0.5mm、宽度为1～15mm时，经过2A的电流，温度不会高于3℃。因而，导线宽度为1.5mm可满足要求。关于集成电路，特别是数字电路，一般选0.02～0.3mm导线宽度。当然，只需答应，仍是尽或许用宽线，特别是电源线和地线。导线的最小距离首要由最坏状况下的线间绝缘电阻和击穿电压决议。关于集成电路，特别是数字电路，只需工艺答应，可使距离小于5～8mil。
    （3）印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气功用。此外，尽量防止运用大面积铜箔，不然，长时刻受热时，易发作铜箔胀大和掉落现象。有必要用大面积铜箔时，最好用栅格状。这样有利于扫除铜箔与基板间粘合剂受热发作的挥发性气体。
    3.焊盘
焊盘中心孔要比器材引线直径稍大一些。焊盘太大易构成虚焊。焊盘外径D一般不小于（d+1.2）mm，其间d为引线孔径。对高密度的数字电路，焊盘最小直径可取(d+1.0)mm。

    二、 PCB及电路抗搅扰办法
    印制电路板的抗搅扰规划与具体电路有着亲近的联系，这儿仅就PCB抗搅扰规划的几项常用办法做一些阐明。
    1.电源线规划
    依据印制线路板电流的巨细，尽量加粗电源线宽度，削减环路电阻。一起，使电源线、地线的走向和数据传递的方向共同，这样有助于增强抗噪声才能。
    2.地线规划
    在电子产品规划中，接地是操控搅扰的重要办法。如能将接地和屏蔽正确结合起来运用，可处理大部分搅扰问题。电子产品中地线结构大致有体系地、机壳地（屏蔽地）、数字地（逻辑地）和模仿地等。在地线规划中应留意以下几点：
    （1）正确挑选单点接地与多点接地
    在低频电路中，信号的作业频率小于1MHz，它的布线和器材间的电感影响较小，而接地电路构成的环流对搅扰影响较大，因而应选用一点接地的办法。当信号作业频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此刻应尽量下降地线阻抗，应选用就近多点接地。当作业频率在1～10MHz时，假如选用一点接地，其地线长度不应超越波长的1/20，不然应选用多点接地法。
    （2）数字地与模仿地分隔。
    电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分隔，而两者的地线不要相混，别离与电源端地线相连。低频电路的地应尽量选用单点并联接地，实践布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜选用多点串联接地，地线应短而粗，高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔。要尽量加大线性电路的接地面积。
    （3）接地线应尽量加粗。
    若接地线用很细的线条，则接地电位则随电流的改变而改变，致使电子产品的守时信号电平不稳，抗噪声功用下降。因而应将接地线尽量加粗，使它能经过三倍于印制电路板的答应电流。如有或许，接地线的宽度应大于3mm。
    （4）接地线构成闭环路。
    规划只由数字电路组成的印制电路板的地线体系时，将接地线做成闭路能够明显地进步抗噪声才能。其原因在于：印制电路板上有许多集成电路元件，特别遇有耗电多的元件时，因受接地线粗细的束缚，会在地线上发作较大的电位差，引起抗噪才能下降，若将接地线构成环路，则会缩小电位差值，进步电子设备的抗噪声才能。
    3.退藕电容装备
    PCB规划的惯例做法之一是在印制板的各个要害部位装备恰当的退藕电容。退藕电容的一般装备准则是：
    （1）电源输入端跨接10～100uf的电解电容器。如有或许，接100uF以上的更好。
    （2）准则上每个集成电路芯片都应安置一个0.01pF的瓷片电容，如遇印制板空地不行，可每4～8个芯片安置一个1～10pF的钽电容。
    （3）关于抗噪才能弱、关断时电源改变大的器材，如RAM、ROM存储器材，应在芯片的电源线和地线之间直接接入退藕电容。
    （4）电容引线不能太长，特别是高频旁路电容不能有引线。
    此外，还应留意以下两点：
    （1）在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时，操作它们时均会发作较大火花放电，有必要选用RC电路来吸收放电电流。一般R取1～2K，C取2.2～47uF。
    （2）CMOS的输入阻抗很高，且易受感应，因而在运用时对不必端要接地或接正电源。

    三、 PowerPCB简介
    PowerPCB是美国Innoveda公司软件产品。
    PowerPCB能够运用户完结高质量的规划，生动地表现了电子规划工业界各方面的内容。其束缚驱动的规划办法能够削减产品完结时刻。你能够对每一个信号界说安全距离、布线规矩以及高速电路的规划规矩，并将这些规划层次化的运用到板上、每一层上、每一类网络上、每一个网络上、每一组网络上、每一个管脚对上，以确保布局布线规划的正确性。它包括了丰厚多样的功用，包括簇布局东西、动态布线修正、动态电功用查看、主动尺度标示和强壮的CAM输出才能。它还有集成第三方软件东西的才能，如SPECCTRA布线器。
    四、 PowerPCB运用技巧
    PowerPCB现在已在我所推行运用，它的底子运用技能已有培训教材进行了具体的解说，而关于我所广阔电子运用工程师来说，其问题在于现已熟练掌握了TANGO之类的布线东西之后，怎样转到PowerPCB的运用上来。所以，本文就此类运用和培训教材上没有讲到，而咱们运用较多的一些技能技巧作了论说。
    1.输入的标准问题
    关于大多数运用过TANGO的人来说，刚开端运用PowerPCB的时分，或许会觉得PowerPCB的束缚太多。因为PowerPCB对原理图输入和原理图到PCB的规矩传输上是以确保其正确性为条件的。所以，它的原理图中没有能够将一根电气连线断开的功用，也不能随意将一根电气连线在某个方位中止，它要确保每一根电气连线都要有开端管脚和停止管脚，或是接在软件供给的衔接器上，以供不同页面间的信息传输。这是它防止过错发作的一种手法，其实，也是咱们应该恪守的一种标准化的原理图输入办法。
    在PowerPCB规划中，但凡与原理图网表不共同的改动都要到ECO办法下进行，但它给用户供给了OLE链接，能够将原理图中的修正传到PCB中，也能够将PCB中的修正传回原理图。这样，既防止了因为疏忽引起的过错，又给真实需求进行修正供给了便利。可是，要留意的是，进入ECO办法时要挑选“写ECO文件”选项，而只要退出ECO办法，才会进行写ECO文件操作。
    2.电源层和地层的挑选
    PowerPCB中对电源层和地层的设置有两种挑选，CAM Plane和Split/Mixed。Split/Mixed首要用于多个电源或地共用一个层的状况，但只要一个电源和地时也能够用。它的首要长处是输出时的图和光绘的共同，便于查看。而CAM Plane用于单个的电源或地，这种办法是负片输出，要留意输出时需加上第25层。第25层包括了地电信息，首要指电层的焊盘要比正常的焊盘大20mil左右的安全距离，确保金属化过孔之后，不会有信号与地电相连。这就需求每个焊盘都包括有第25层的信息。而咱们自己建库时往往会疏忽这个问题，形成运用Split/Mixed选项。
    3.推挤仍是不推挤
    PowerPCB供给了一个很好用的功用便是主动推挤。当咱们手动布线时，印制板在咱们的彻底操控之下，翻开主动推挤的功用，会感到十分的便利。可是假如在你完结了预布线之后，要主动布线时，最好将预布好的线固定住，不然主动布线时，软件会以为此线段可移动，而将你的作业彻底推翻，形成不必要的丢失。
    4.定位孔的添加
    咱们的印制板往往需求加一些设备定位孔，可是关于PowerPCB来说，这就归于与原理图不相同的器材摆放，需求在ECO办法下进行。但假如在最终的查看中，软件因而而给出咱们许多的过错，就不大便利了。这种状况能够将定位孔器材设为非ECO注册的即可。
    在修正器材窗口下，选中“修正电气特性”按钮，在该窗口中，选中“一般”项，不选中“ECO注册”项。这样在查看时，PowerPCB不会以为这个器材是需求与网表比较的，不会呈现不应有的过错。
    5.添加新的电源封装
    因为咱们的世界与美国软件公司的标准不太共同，所以咱们尽量装备了世界库供咱们运用。可是电源和地的新符号，有必要在软件自带的库中添加，不然它不会以为你建的符号是电源。
    所以当咱们要建一个契合国标的电源符号时，需求先翻开现有的电源符号组，挑选“修正电气衔接”按钮，点按“添加”按钮，输入你新建的符号的姓名等信息。然后，再选中“修正门封装”按钮，选中你刚刚树立的符号名，制作出你需求的形状，退出绘图状况，保存。这个新的符号就能够在原理图中调出了。
    6.空脚的设置
    咱们用的器材中，有的管脚自身便是空脚，标志为NC。当咱们建库的时分，就要留意，不然标志为NC的管脚会连在一起。这是因为你在建库时将NC管脚建在了“SINGAL_PINS”中，而PowerPCB以为“SINGAL_PINS”中的管脚是隐含的缺省管脚，是有用的管脚，如VCC和GND。所以，假如的NC管脚，有必要将它们从“SINGAL_PINS”中删除去，或者说，你底子无需答理它，不必作任何特其他界说。
    7.三极管的管脚对照
    三极管的封装改变许多，当自己建三极管的库时，咱们往往会发现原理图的网表传到PCB中后，与自己期望的衔接不共同。这个问题首要仍是出在建库上。
    因为三极管的管脚往往用E，B，C来标志，所以在创立自己的三极管库时，要在“修正电气衔接”窗口中选中“包括文字数字管脚”复选框，这时，“文字数字管脚”标签被点亮，进入该标签，将三极管的相应管脚改为字母。这样，与PCB封装对应连线时会感到比较便于辨认。
    8.外表贴器材的预处理
    现在，因为小型化的需求，外表贴器材得到越来越多的运用。在布图过程中，外表贴器材的处理很重要，特别是在布多层板的时分。因为，外表贴器材只在一层上有电气衔接，不象双列直插器材在板子上的放置是通孔，所以，当其他层需求与外表器材相连时就要从外表贴器材的管脚上拉出一条短线，打孔，再与其它器材衔接，这便是所谓的扇入（FAN-IN），扇出（FAN-OUT）操作。
    假如需求的话，咱们应该首要对外表贴器材进行扇入，扇出操作，然后再进行布线，这是因为假如咱们仅仅在主动布线的设置文件中挑选了要作扇入，扇出操作，软件会在布线的过程中进行这项操作，这时，拉出的线就会曲曲折折，而且比较长。所以，咱们能够在布局完结后，先进入主动布线器，在设置文件中只挑选扇入，扇出操作，不挑选其它布线选项，这样从外表贴器材拉出来的线比较短，也比较规整。
    9.将板图参加AUTOCAD
    有时咱们需求将印制板图参加到结构图中，这时能够经过转化东西将PCB文件转化成AUTOCAD能够辨认的格局。在PCB绘图框中，选中“文件”菜单中的“输出”菜单项，在弹出的文件输出窗口中将保存类型设为DXF文件，再保存。你就能够AUTOCAD中翻开个这图了。
    当然，PADS中有主动标示功用，能够对画好的印制板进行尺度标示，主动显示出板框或定位孔的方位。要留意的是，标示结果在Drill-Drawing层要想在其它的输出图上加上标示，需求在输出时，特别加上这一层才行。
    10. PowerPCB与ViewDraw的接口
    用ViewDraw的原理图，能够发作PowerPCB的表，而PowerPCB读入网表后，相同能够进行主动布线等功用，而且，PowerPCB中有链接东西，能够与VIEWDRAW的原理图动态链接、修正，坚持电气衔接的共同性。
    可是，因为软件修正晋级的版别的不同，有时两个软件对器材称号的界说不共同，会形成网表传输过错。要防止这种过错的发作，最好专门建一个寄存ViewDraw与PowerPCB对应器材的库，当然这仅仅针关于一部分不匹配的器材来说的。能够用PowerPCB中的复制功用，很便利地将已存在的PowerPCB中的其它库里的元件封装复制到这个库中，存成与VIEWDRAW中相对应的姓名。
    11.生成光绘文件
    曾经，咱们做印制板时都是将印制板图拷在软盘上，直接给制版厂。这种做法保密性差，而且很烦琐，需求给制版厂另写很具体的阐明文件。现在，咱们用PowerPCB直接出产光绘文件给厂家就能够了。从光绘文件的姓名上就能够看出这是第几层的走线，是丝印仍是阻焊，十分便利，又安全。
    转光绘文件过程：
    A．在PowerPCB的CAM输出窗口的DEVICE SETUP中将APERTURE改为999。
    B．转走线层时，将文档类型选为ROUTING，然后在LAYER中挑选板框和你需求放在这一层上的东西。不留意的是，转走线时要将LINE,TEXT去掉（除非你要在线路上做铜字）。
    C．转阻焊时，将文档类型选为SOLD_MASK，在顶层阻焊中要将过孔选中。
    D．转丝印时，将文档类型选为SILK SCREEN，其他参照过程B和C。
    E．转钻孔数据时，将文档类型选为NC DRILL，直接转化。
    留意，转光绘文件时要先预览一下，预览中的图形便是你要的光绘输出的图形，所以要看细心，以防犯错。
    有了对印制板规划的经历，如PowerPCB的强壮功用，画杂乱印制板已不是令人烦心的作业了。值得快乐的是，咱们现在现已有了将TANGO的PCB转化成PowerPCB的东西，了解TANGO的广阔科技人员能够愈加便利的参加到PowerPCB绘图的队伍中来，愈加便利快捷地制作出满足的印制板

第三篇   PCB互连规划过程中最大程度下降RF效应的底子办法

      电路板体系的互连包括：芯片到电路板、PCB板内互连以及PCB与外部器材之间的三类互连。在RF规划中，互连点处的电磁特性是工程规划面对的首要问题之一，本文介绍上述三类互连规划的各种技巧，内容触及器材设备办法、布线的阻隔以及削减引线电感的办法等等。

   现在有痕迹标明，印刷电路板规划的频率越来越高。跟着数据速率的不断添加，数据传送所要求的带宽也促进信号频率上限到达1GHz，乃至更高。这种高频信号技能虽然远远超出毫米波技能规模(30GHz)，但确实也触及RF和低端微波技能。
    RF工程规划办法有必要能够处理在较高频段处一般会发作的较强电磁场效应。这些电磁场能在相邻信号线或PCB线上感生信号，导致令人讨厌的串扰(搅扰及总噪声)，而且会危害体系功用。回损首要是由阻抗失配形成，对信号发作的影响如加性噪声和搅扰发作的影响相同。
    高回损有两种负面效应：1. 信号反射回信号源会添加体系噪声，使接收机愈加难以将噪声和信号区别隔来；2. 任何反射信号底子上都会使信号质量下降，因为输入信号的形状呈现了改变。
     虽然因为数字体系只处理1和0信号并具有十分好的容错性，可是高速脉冲上升时发作的谐波会导致频率越高信号越弱。虽然前向纠错技能能够消除一些负面效应，可是体系的部分带宽用于传输冗余数据，然后导致体系功用的下降。一个较好的处理计划是让RF效应有助于而非有损于信号的完整性。主张数字体系最高频率处(一般是较差数据点)的回损总值为-25dB，适当于VSWR为1.1。
     PCB规划的方针是更小、更快和本钱更低。关于RF PCB而言，高速信号有时会束缚PCB规划的小型化。现在，处理串扰问题的首要办法是进行接地层办理，在布线之间进行距离和下降引线电感(stud capacitance)。下降回损的首要办法是进行阻抗匹配。此办法包括对绝缘资料的有用办理以及对有源信号线和地线进行阻隔，特别在状况发作跳变的信号线和地之间更要进行距离。
     因为互连点是电路链上最为单薄的环节，在RF规划中，互连点处的电磁性质是工程规划面对的首要问题，要调查每个互连点并处理存在的问题。电路板体系的互连包括芯片到电路板、PCB板内互连以及PCB与外部设备之间信号输入/输出等三类互连。

一、芯片到PCB板间的互连
     PenTIum IV以及包括很多输入/输出互连点的高速芯片现已问世。就芯片自身而言，其功用牢靠，而且处理速率现已能够到达1GHz。在最近GHz互连研讨会(www.az.ww .com)上，最令人激动之处在于：处理I/O数量和频率不断添加问题的办法现已广为人知。芯片与PCB互连的最首要问题是互连密度太高会导致PCB资料的底子结构成为束缚互连密度添加的要素。会议上提出了一个立异的处理计划，即选用芯片内部的本地无线发射器将数据传送到附近的电路板上。
     不管此计划是否有用，与会人员都十分清楚：就高频运用而言，IC规划技能已远远领先于PCB规划技能。

二、PCB板内互连
  进行高频PCB规划的技巧和办法如下：
1. 传输线角落要选用45°角，以下降回损(图1)；
2. 要选用绝缘常数值按层次严厉受控的高功用绝缘电路板。这种办法有利于对绝缘资料与附近布线之间的电磁场进行有用办理。
3. 要完善有关高精度蚀刻的PCB规划标准。要考虑规则线宽总差错为+/-0.0007英寸、对布线形状的下切(undercut)和横断面进行办理并指定布线侧壁电镀条件。对布线(导线)几许形状和涂层外表进行整体办理，对处理与微波频率相关的趋肤效应问题及完成这些标准适当重要。
4. 杰出引线存在抽头电感，要防止运用有引线的组件。高频环境下，最好运用外表设备组件。
5. 对信号过孔而言，要防止在灵敏板上运用过孔加工(pth)工艺，因为该工艺会导致过孔处发作引线电感。如一个20层板上的一个过孔用于衔接1至3层时，引线电感可影响4到19层。
6. 要供给丰厚的接地层。要选用模压孔将这些接地层衔接起来防止3维电磁场对电路板的影响。
7. 要挑选非电解镀镍或浸镀金工艺，不要选用HASL法进行电镀。这种电镀外表能为高频电流供给更好的趋肤效应(图2)。此外，这种高可焊涂层所需引线较少，有助于削减环境污染。
8. 阻焊层可防止焊锡膏的活动。可是，因为厚度不确认性和绝缘功用的未知性，整个板外表都掩盖阻焊资料将会导致微带规划中的电磁能量的较大改变。一般选用焊坝(solder dam)来作阻焊层。
    假如你不了解这些办法，可向曾从事过军用微波电路板规划的经历丰厚的规划工程师咨询。你还可同他们评论一下你所能接受的价格规模。例如，选用反面覆铜共面(copper-backed coplanar)微带规划比带状线规划更为经济，你可就此同他们进行评论以便得到更好的主张。优异的工程师或许不习惯考虑本钱问题，可是其主张也是适当有协助的。现在要尽量对那些不了解RF效应、缺少处理RF效应经历的年青工程师进行培育，这将会是一项长时间作业。
    此外，还能够选用其他处理计划，如改善核算机型，使之具有RF效应处理才能。

三、PCB与外部设备互连
     现在能够以为咱们处理了板上以及各个分立组件互连上的一切信号办理问题。那么怎样处理从电路板到衔接远端器材导线的信号输入/输出问题呢？同轴电缆技能的立异者Trompeter Electronics公司正致力于处理这个问题，并现已获得一些重要发展(图3)。 其他，看一下图4中给出的电磁场。这种状况下，咱们办理着微带到同轴电缆之间的转化。在同轴电缆中，地线层是环形交错的，而且距离均匀。在微带中，接地层在有源线之下。这就引入了某些边际效应，需在规划时了解、猜测并加以考虑。当然，这种不匹配也会导致回损，有必要最大程度减小这种不匹配以防止发作噪音和信号搅扰。
     电路板内阻抗问题的办理并不是一个能够疏忽的规划问题。阻抗从电路板表层开端，然后经过一个焊点到接头，最终完结于同轴电缆处。因为阻抗随频率改变，频率越高，阻抗办理越难。在宽带上选用更高频率来传输信号的问题看来是规划中面对的首要问题。