PCB电路设计的一些让你少走弯路的经验规则
硬件十万个为什么 2024-06-14

1) 地线回路环面积最小规则

环路最小规则,即信号线与其回路构成的环面积要尽可能小,环面积越小,对外的辐射越少,接收到的外界干扰也越小。针对这一规则,在地平面分割时,要考虑到地平面与重要信号走线的分布,防止由于地平面开槽等带来的问题;在双层板设计中,在为电源留下足够空间的情况下,应该将留下的部分用参考地填充,且增加一些必要的孔,将双面的地信号有效连接起来,对一些关键信号尽量采用地线隔离,对一些频率较高的设计,需特别考虑其地平面信号回路问题,建议采用多层板为宜。

环路补偿等小电流信号,电路的环路尽可能的小,通过减小面积,减小外部干扰的磁通量,减小受干扰的程度,保证信号的稳定性和信噪比。


强干扰信号(Phase平面)好比厕所、小信号电路(环路补偿)比作厨房。我们在PCB设计的时候,原则就是要保护好厨房,防止厕所干扰过来;电源设计如此,其他的电路设计也是如此。


2、串扰控制原则

扰(CrossTalk)是指 PCB 上不同网络之间因较长的平行布线引起的相互干扰主要是由于平行线间的分布电容和分布电感的作用。克服串扰的主要措施是:加大平行布线的间距,遵循 3W 规则。在平行线间插入接地的隔离线。减小布线层与地平面的距离。


3、屏蔽保护

对应地线回路规则,实际上也是为了尽量减小信号的回路面积,多见于一些比较重要的信号,如时钟信号,同步信号;对一些特别重要,频率特别高的信号,应该考虑采用铜轴电缆屏蔽结构设计,即将所布的线上下左右用地线隔离,而且还要考虑好如何有效的让屏蔽地与实际地平面有效结合。



4、 走线的方向控制规则


即相邻层的走线方向成正交结构。避免将不同的信号线在相邻层走成同一方向,以减少不必要的层间串扰。当由于板结构限制(如某些背板)难以避免出现该情况,特别是信号速率较高时,应考虑用地平面隔离各布线层,用地信号线隔离各信号线。

  1. 相邻层的走线方向成正交结构:这意味着在相邻的层(例如,多层印刷电路板)中,走线的方向应该是成直角(正交)的。这样做有助于减少信号之间的干扰,因为直角布线有助于降低电磁耦合。

  2. 避免不同信号线在相邻层走成同一方向:这意味着不同的信号线在相邻的布线层中应该尽量避免走相同的方向。这样可以减少层间串扰,提高信号的可靠性和稳定性。

  3. 考虑用地平面隔离各布线层,用地信号线隔离各信号线:当由于特定的板结构限制难以完全遵循上述规则时,尤其是在信号速率较高的情况下,可以考虑使用地平面(Ground Plane)来隔离不同的布线层,以及使用地信号线(Power Plane)来隔离不同的信号线。这可以帮助降低层间串扰和其他电磁干扰,并提高电路的性能和稳定性。


5、避免天线效应原则

一般不允许出现一端浮空的布线(Dangling Line),主要是为了避免产生"天线效应",减少不必要的干扰辐射和接收,否则可能带来不可预知的结果。天线能够耦合空中的电磁波是因为它们本身就是设计用来接收或发射电磁波的装置。这种耦合是通过天线与周围电磁场之间的相互作用实现的。

长度:悬挂线的长度足够长时,它们可以成为天线的一部分。较长的线路会更有效地接收或发射电磁波,使其更有可能产生天线效应。

共振:当悬挂线的长度与传输的电磁波波长相匹配时,它们可能会进入共振状态。在共振状态下,悬挂线会更有效地接收或辐射电磁波,增强天线效应。


6、尽量保证阻抗连续的原则

同一网络的布线宽度应保持一致,线宽的变化会造成线路特性阻抗的不均匀,当传输的速度较高时会产生反射,在设计中应该尽量避免这种情况。

在某些条件下,如接插件引出线,BGA 封装的引出线类似的结构时,可能无法避免线宽的变化,应该尽量减少中间不一致部分的有效长度。


a、渐变线

一些RF器件封装较小,SMD焊盘宽度可能小至12mils,而RF信号线宽可能达50mils以上,要用渐变线,禁止线宽突变。渐变线如图所示,过渡部分的线不宜太长。

b、拐角


RF信号线如果走直角,拐角处的有效线宽会增大,阻抗不连续,引起信号反射。为了减小不连续性,要对拐角进行处理,有两种方法:切角和圆角。圆弧角的半径应足够大,一般来说,要保证:R>3W。如图右所示。

c、大焊盘

50欧细微带线上有大焊盘时,大焊盘相当于分布电容,破坏了微带线的特性阻抗连续性。可以同时采取两种方法改善:首先将微带线介质变厚,其次将焊盘下方的地平面挖空,都能减小焊盘的分布电容。如下图。


d、过孔

过孔是镀在电路板顶层与底层之间的通孔外的金属圆柱体。信号过孔连接不同层上的传输线。过孔残桩是过孔上未使用的部分。过孔焊盘是圆环状垫片,它们将过孔连接至顶部或内部传输线。隔离盘是每个电源或接地层内的环形空隙,以防止到电源和接地层的短路。


过孔的直径、焊盘直径、深度、反焊盘,都会带来变化,造成阻抗不连续性,反射和插入损耗的严重程度


e、通孔同轴连接器

与过孔结构类似,通孔同轴连接器也存在阻抗不连续性,所以解决方法与过孔相同。减小通孔同轴连接器阻抗不连续性的常用方法同样是:采用无盘工艺、合适的出线方式、优化反焊盘直径。


7、走线同层闭环原则

防止信号线在不同层间形成自环。

在多层板设计中容易发生此类问题,自环将引起辐射干扰。


8、走线的分枝长度控制规则
尽量控制分枝的长度,一般的要求是 Tdelay<=Trise/20。


9、避免谐振规则
主要针对高频信号设计而言,即布线长度不得与其波长成整数倍关系,以免产生谐振现象。


10、走线尽量短原则
即短线规则,在设计时应该尽量让布线长度尽量短,以减少由于走线过长带来的干扰问题,特别是一些重要信号线,如时钟线,务必将其振荡器放在离器件很近的地方。

对驱动多个器件的情况,应根据具体情况决定采用何种网络拓扑结构。


11、避免锐角和直角规则

PCB 设计中应避免产生锐角和直角,以免产生不必要的辐射,同时工艺性能也不好。


12、 去耦规则
在印制版上增加必要的去耦电容,滤除电源上的干扰信号,使电源信号稳定。

在多层板中,对去耦电容的位置一般要求不太高,但对双层板,去耦电容的布局及电源的布线方式将直接影响到整个系统的稳定性,有时甚至关系到设计的成败。

在双层板设计中,一般应该使电流先经过滤波电容滤波再供器件使用,同时还要充分考虑到由于器件产生的电源噪声对下游的器件的影响,一般来说,采用总线结构设计比较好,在设计时,还要考虑到由于传输距离过长而带来的电压跌落给器件造成的影响,必要时增加一些电源滤波环路,避免产生电位差。


13、器件布局分区/分层规则

主要是为了防止不同工作频率的模块之间的互相干扰,同时尽量缩短高频部分的布线长度。

通常将高频的部分布设在接口部分以减少布线长度,当然,这样的布局仍然要考虑到低频信号可能受到的干扰。

同时还要考虑到高/低频部分地平面的分割问题,通常采用将二者的地分割,再在接口处单点相接。

对混合电路,也有将模拟与数字电路分别布置在印制板的两面,分别使用不同的层布线,中间用地层隔离的方式。


14、孤立铜区控制规则

孤立铜区的出现,将带来一些不可预知的问题,因此将孤立铜区与别的信号相接,有助于改善信号质量,通常是将孤立铜区接地或删除。在实际的制作中, 将一些板的空置部分增加了一些铜箔,这主要是为了方便印制板加工,同时对防止印制板翘曲也有一定的作用,但是一般需要良好接地。 


15、 电源与地线层的完整性规则
对于导通孔密集的区域,要注意避免孔在电源和地层的挖空区域相互连接,形成对平面层的分割,从而破坏平面层的完整性,并进而导致信号线在地层的回路面积增大。

  1. 导通孔密集区域的关注: 在PCB设计中,一些区域可能会有大量的导通孔,例如连接电源线和地线的区域。这些区域需要特别关注,因为孔的密集程度可能会增加对平面层完整性的破坏风险。

  2. 避免孔在电源和地层的挖空区域相互连接: 当孔位于电源和地平面层之间的挖空区域时,如果这些孔相互连接,就会导致对平面层的分割,破坏了电源和地线平面的完整性。这可能会导致电源和地线平面之间出现大的电阻或电感,影响电路的性能和稳定性。

  3. 增大信号线在地层的回路面积: 如果电源和地线平面的完整性受到破坏,可能会导致信号线在地层的回路面积增大。这会增加信号线的回路电感,可能导致信号完整性和电磁兼容性问题。

为了遵守这条规则,设计者应该在布线过程中注意避免将导通孔布置在电源和地层的挖空区域,并确保这些孔不会相互连接。可以通过合理规划布线路径、调整孔的位置或增加绕线来避免这种情况的发生。通过遵循这条规则,可以确保电源和地线平面的完整性,减少电路中可能出现的问题。


17) 避免电源层耦合规则

不同电源层在空间上要避免重叠。主要是为了减少不同电源之间的干扰,特别是一些电压相差很大的电源之间,电源平面的重叠问题一定要设法避免,难以避免时可考虑中间隔地层。


18) 3W 规则

为了减少线间串扰,应保证线间距足够大,当线中心间距不少于 3 倍线宽时,则可保持 70%的电场不互相干扰,称为 3W 规则。如要达到 98%的电场不互相干扰,可使用 10W 的间距 


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