开关电源SCH版图、PCB版图的设计
2021-06-04

开关电源SCH版图的设计


1 Protel简介

CAD是Computer Aided Design(计算机辅助设计)的简称,早在20世纪70年代军工部门就利用计算机来完成飞机、火箭等航空器的设计工作。电子线路CAD基本含义是使用计算机来完成电子线路的设计过程,包含电原理图的编辑、电路功能仿真、工作环境模拟、印制板设计(自动布局、自动布线)与检测等。电子线路CAD软件还能迅速形成各种各样的报表文件,如元件清单报表,为元器件的采购及工程预决算等提供了方便。

美国ACCEL Technologies公司于1998年推出了在当时非常受欢迎的电子线路CAD软件包——TANGO,它具有操作方便、易学、实用、高效的特点,但随着集成电路技术的不断进步─集成度越来越高,引脚数目越来越多,封装形势也趋于多样化,使电子线路越来越复杂,TANGO软件的局限性也越来越明显。为此,澳大利亚Protel Technology公司推出Protel CAD软件,以作为TANGO的升级版本。Protel上市后迅速取代了TANGO成为当时影响最大、用户最多的电子线路CAD软件包。但早期的Protel均属于DOS应用程序,只能通过键盘命令完成相应的操作,操作起来并不方便,1998年推出32位软件的Protel98,1999年又先后推出了Protel99,Protel service pack,Protel99SE等版本,Protel 99SE功能很强,将电原理图编辑、电路功能仿真测试、PLD设计及印刷电路板设计等功能融合在一起,从而实现了电子设计自动化(EDA)。Protel 99SE具有Windows应用程序的一切特性,在Protel 99SE中引入了操作“对象”属性感念,使所有“对象”(如连线、元件、I\O端口、网络标号、焊盘、过空等)具有相同或相似的操作方式,实现了电子线路CAD软件所期望的“简单、方便、易学、实用、高效”的操作要求。

2 单片开关电源SCH图的设计

由于本文中所选择的单片开关电源较为简单,而且选取的电路图结构也较为的清晰,所以在绘制SCH的过程中并没有多大的问题,绘制后的如图1-1所示。

2.1 节点的处理

在Protel 99SE中,节点的作用就是,将两个相交的导线连在一起;如果没有节点,这两根线就是相互独立的。也可以这里理解,有节点的两根导线为同一个网络。

Protel 99SE对于节点的默认设置是只要绘制两条相交的直线,就会自动产生一个节点。这个节点的产生有一些情况下是不需要的、也不应该存在的,这时候就需要对其进行删除的处理,至于哪些节点是需要的、哪些是不需要的,这就要根据电路图来具体问题具体分析了。

像本文所选则的单片开关电源图来说,很明显在电压输出端,VDZ2连接到“+”级,但是在经过“-”级那根线的时候,由于是两条相交的直线,Protel 99SE就对其进行默认的添加节点,就出现了如图1-2所示的情况。但是,根据电路图的分析可知,此处VDZ2不应该与电压输出端“-”极相连。

对于像图1-2的这种情况,就需要删除节点,单击需要删除的节点,在其选中状态下,按下“Delete”,就能对其进行删除操作。当然,还有极少部分的情况下,需要对绘制的SCH图进行节点的添加,这时候只需要通过【Place/Junction】,就可以放置节点了。

在绘图的时候需要对这一点尤为的注意,因为节点的存在与否可能直接导致了整个电路的通断、以及其后PCB版图的制作成败。

对图1-1进行修改后,如图1-3所示。

开关电源PCB版图的设计

1 印制线路板的一般设计步骤

(1) 绘制原理图;
(2) 元件库的创建;
(3) 建立原理图与印制板上元件的网络连接关系;
(4) 布线和布局;
(5) 创建印制板生产使用数据和贴装生产使用数据。

2 印制线路板的分类

印制线路板根据其层数的多少,可以分为:单面板、双面板和多层板。

2.1 单层板

对于一块电路板来说,已经有两个面的存在,而单面板则是指所有的原件、走线和文字等对象,都在一个面上进行放置,而另一个面上则什么都没有。一般Protel 99SE默认的单层板的放置层为Toplayer。

2.2 双层板

双层板是在电路板的两个面上都进行布线工作,其一是作为顶层的Top Layer,其二就是作为底层的Bottom Layer。至于上下层间的电气连接主要是通过过孔来完成。当然一般式在顶层上放置元件,在底层上进行元件引脚的焊接。当然,也可以在两个工作层上都放置元器件。

2.3 多层板

多层板包含两个以上的工作层面,除了电路板本身的两面之外,在电路板的中间,还设置有多个中间层进行布线。

3 印制线路板工作层的分类

在Protel 99SE中,主要使用的有以下一些工作层:

(1) 信号层:Protel 99SE中提供了一共16个信号层,包括Top Layer(顶层)、Bottom Layer(底层)、Mid Layer1(中间层1)~Mid Layer14(中间层14)。该层主要是用来放置元件(顶层和底层)和走线;

(2) Multi Layer(多层):该层代表所有的信号层,在他上面放置的原件会自动的放到所有的信号层上,所以可以通过Multi Layer,将焊盘或过孔快速的放置到所有的信号层上;

(3) 丝印层:丝印层包括Top Over Layer和Bottom Over Layer两层,该两层主要是用于绘制元件的外形轮廓、放置元件的编号或其他相关的文本信息;

(4) Keep Out Layer(禁止布线层):该层通常是用于定义元件放置的区域的,一般在该层上放置线段(Track)或弧线(Arc)来构成一个闭合的区域,只有在这个闭合区域内才能进行元件的自动布局和自动布线。

4 单片开关电源元器件封装的选择

4.1 电容封装的选取

本论文选取的单片开关电源电路图中有4种不同种类的容值,根据容值的不同,则电容的外形直径也会不同,则选取的PCB封装也就不尽相同了。

(1)直插式:根据其元件尺寸的不同,常选用的封装为RB.2/.4、RB.3/.6、RB.4/.8、RB.5/1.0,其中RB后面的两个数值前者指的是电容两脚间的距离,后者指的是该电容的外形直径。就如RB.2/.4,其中.2表示该元件封装两个引脚间的距离为200mil,.4表示的是该电容的外形直径为400mil。

同时,这里牵涉到了公英制的转换问题,通常10mil=0.245mm,而在Protel 99SE中常用的单位是mil,也就是英制。但是,当我们需要根据尺寸绘制元件的时候,需要的度量单位就是公制,这是就可以通过Protel 99SE中【View/Toggle Units】来进行公英制的转换。

这里根据容值的不同,查阅资料后确定C1=C2=CF=0.1uF,选择的分装时RB.2/.4;CT=47uF,选择的封装为RB.3/.6;CIN=130uF,选择的封装为RB.3/.6;COUT=1000uF,选择的封装为RB.5/1.0。

(2)贴片式:根据其元件尺寸的不同,常选用的封装为RAD0.1~RAD0.4,其中RAD0.1中的0.1和RAD0.4中的0.4所表示的含义均是两个焊盘之间的距离,前者为100mil,后者为400mil。

这里根据容值的不同,查阅资料后确定C1=C2=CF=0.1uF,选择的分装时RAD0.1;CT=47uF,选择的封装为RAD0.2;CIN=130uF,选择的封装为RAD0.2;COUT=1000uF,选择的封装为RAD0.4。

4.2 二极管

(1)直插式:根据二极管型号以及功率大小的不同,其封装形式有DIODE-0.4(小功率)和DIODE-0.7(大功率)。同样,这里的0.4和0.7表示的是只二极管的长短,分别为400mil和700mil。

根据电路功率等的要求,这里选择VD1的封装为DIODE-0.7。随后经过查阅元器件手册及收索相关资料,确定VDZ1、VDZ2、VD2和VD3的封装也均为DIODE-0.7。

(2)贴片式:在Protel 99SE中贴片二极管的封装可以套用贴片电容的封装形式。由于在选择直插式的过程中,5个二极管的封装均为DIODE-0.7,所以在贴片的选择中,也将5个二极管的封装均选择为RAD0.4

4.3 电阻

(1)直插式:电阻在电路图绘制的过程中出现的频率非常的高,但是本论文的单片开关电源电路中只有一个电阻。但是对于电阻的选型还是不能掉以轻心。常见的直插式电阻的封装有AXIAL0.3-AXIAL1.0。对于电路板而言,电阻的选取与其电阻值根本不相关,完全是按该电阻的功率数来决定的,1/4W和1/2W的电阻,都可以用AXIAL0.3元件封装,而功率数大一点的话,可用AXIAL0.4或AXIAL0.5等等。

由于是高速电路,所以对于R1选择封装为AXIAL-0.5。

(2)贴片式:在Protel 99SE中常用的贴片电阻的封装有0402、0603、0805、1206等七种,对于不同功率下的贴片电阻,其选择就各不相同。这里由于前面我们对于R1的直插式封装选择的是AXIAL-0.5,所以相应的,他的贴片式封装选择的也应该符合相应的功率要求,这里选择的是0805。

这里所谓的0603、0805等这些数值表示的都是元器件的外形尺寸,具体对应关系如表1所示。

4.4 其他元器件

由于如图1-3的电路图中有些元件的封装在Protel 99SE的PCB封装库里面找不到,这时候就需要通过查阅相关的数据、资料,确定元器件的外形尺寸,然后在PCB元件库中新建一些元器件。

5 自制单片开关电源的元器件封装

如4.4小节所言,在绘制本论文的开关电源的PCB版图的时候,有些许的PCB元器件的封装需要自制,这里就绘制图1-3中的整流桥。

双击新建的PCB文件后,点击左边【Browse PCB/Components】下的“Edit”按钮,进入PCB元件库绘制区域。通过【Tools/New Components】新建一个元器件,并对其进行命名。接着就在右边的绘制区绘制整流桥的封装。

根据查阅的信息可以整流桥的4个引脚间的尺寸均为10mm,这样对于绘制就显得异常的方便。

(1)点击“Place Pad”按钮,如右图所示。将Pad放置于(0,0),随后依次在(0,10)、(-10,0)和(-10,-10)。

(2)根据查阅到的整流桥的外形和符号标示,对其进行外形的绘制,这里需要注意的是,由于绘制外形,所以不应在导线布置层,即不应在“Top Layer”、“Bottom Layer”上绘制外形线,而应该在“Top Overlay”上绘制元器件封装的外形。绘制后如图1所示。

(3)根据整流桥的性能,对其四个引脚进行标示处理,通过【Place/String】,然后点击“Tab”键,弹出如图2所示的【String】对话框。

(4)在“Text”旁的框中输入引脚的标示——“+”,然后将“Layer”旁的下拉列表选择为“Top Overlay”,点击OK,随后将鼠标指针带领的“+”放置在1号引脚旁。如图3所示。

(5)用同样的方法,对2、3、4号引脚分别进行标示,其绘制后的效果如图4所示。

(6)引脚焊盘的处理:由于桥式整流的输出电流较大,所以焊盘的直径要加大至7.5mm左右,相当于300mil,最终效果如图5所示。


(7)然后点击左边【Browse PCBLIB】下的“UpdatePCB”按钮,并保存,这样绘制的整流桥的封装就会出现在PCB的元件库内。

用相同的方法对变压器进行绘制,最终通过整理可以得到图1-3单片开关电源的元器件封装列表。如表2所示。


6 单片开关电源PCB版图的布局设计

Protel 99SE在PCB布线中提供了两种布线的方式:手动布局和自动布局。

6.1 自动布局

自动布局是通过SCH图的电气连接借助网络表这一媒介,将电路图转化为PCB版图的一个方法。

(1)网络表的建立

建立网络表前有个准备工作要做,就是对每个元器件要进行其封装的设置,双击图1-2中的整流桥,会出现【Part】对话框,在【Attributes】选项卡中的“Footprint”旁输入该整流桥的封装,在本论文的单片开关电源中,由于整流桥是自己绘制的,根据自己对元器件封装的命名,此处应为“BRIDGE”(如图6所示),输入后点击OK即可。

用同样的方式,根据表2中各个元器件直插式的封装号,对SCH图中各个元件进行参数的修改。

随后通过【Design/Creat Netlist…】创建图1-2单片开关电源SCH图的网络表。

(2)将SCH转化为PCB

在通过网络表将SCH转化为PCB之前,先要在PCB中划定需要制作的PCB板的范围,即确定一个外框。其框的大小应该根据设计的SCH图进行设置和设定。同时这个外框的应该是在“KeepOut Layer”上绘制。

确定了PCB板的外形范围之后,通过【Design/Netlist…】会出现【Netlist】对话框,在点击“Browse”后选择刚刚由开关电源SCH图生成的网络表,在【Netlist】对话框下方的“No.”、“Action”和“Error”会出现在由SCH图创建的网络表(如图7所示)中的相关内容,包括元器件、电气连接、节点等。在这里需要注意的是,要将“Error”修改为零。根据不同的情况,“Error”下的表示会不同,但不管如何,最终都应该将“Error”修改为0。随后点击下方的“Execute”按钮,这时就会发现在本来已确定好的PCB版图范围的有房出现了相应的元器件。它们之间还有根据SCH导线连接的电气连接线,如图8所示。


(3)自动布局

通过网络表生成的PCB元件也竟全部排列整齐了,下面只需要通过【Tools/AutoPlace…】对弹出的【Auto Place】对话框进行设置就可以了,在弹出的【Auto Place】对话框中有两个选项,这需要根据不同电路板的要求来进行选择,而依照本论文的单片开关电源电路图的属性以及元器件的复杂程度、密集程度等,选择“Cluster Placer”这个选项,然后点击OK。这时Protel 99SE就会将刚出现的那些元器件开始布局,布局的位置是在一开始定义的PCB版图的外框内。

本单片开关电源电路图自动布局后如图9所示。

自动布局之后,还需要对其进行布线,同样布线也有两种方式:自动布线和手动布线。

(4)自动布线

图8中有需要细线,这些线就是根据SCH图连接所产生的预布线,如果采用自动布线,则只需要通过【Auto Route/All】,然后对弹出的【Autorouter Setup】对话框进行设置即可,一般性都是用Protel 99SE所提供的默认设置,即如图10所示。

随后点击下方的“Route All”按钮,Protel 99SE就会对其进行自动布线。

(5)手动布线

Protel 99SE对元器件进行好自动布局之后,我们可以手动根据预布线的连接进行布线,就如图11对VDZ2的2号脚和整流桥的2号脚进行手动布线。

预布线已经清晰的说明了哪两个引脚之间需要进行导线的连接,随后通过【Place/Track】进行导线的绘制,这时候需要注意的是选中的层应该为“Top Layer”或“Bottom Layer”,先点击VDZ2的2号脚,然后通过自己的布线,最终结束于整流管的2号脚。在连接的过程中,会发现在导线经过的过程中,原来的预布线会逐渐消失,直至到把两个引脚连接起来为止。

用相同的方法就能对整个元器件布局进行手动布线的处理。

6.2 手动布局

手动布局就不需要通过SCH导出网络表,而是直接通过在PCB中放置元器件的封装来进行的。根据图1-3的布局和连接,手动放置元器件的封装,并用导线对其进行引脚间的连接,绘制出双面直插式开关电源PCB版图,如图12所示。


6.3 PCB的优化

布线后,会发现有很多不合理之处,还需加以优化。

(1)走线

根据绘制高速电路PCB版图的要求,所有的导线应该越短越好,尽可能的精简,但是如图13为图12中截取的一小块PCB版图走线,其导线走线过于的复杂繁琐,更造成了导线与导线之间不必要的电磁辐射干扰。这里就能把走线从原来的两根还成T字型走线,如图14所示。



(2)元器件附近的走线

根据要求,一般在整流桥的四个孔周围2.54mm不能有线条,而在图15所示的电路中,在整流桥3号引脚的走线中,产生了对4号引脚的辐射干扰问题;同样2号引脚的走线也对3号引脚产生了干扰问题。所以这些都是不正确的走线。应该为如图16所示的走线方式。

所以,在这修改之后的双面直插式PCB版图如图17所示。


(3)布线宽度与线路电流的关系

对于变压器来说,一次侧电流和二次侧电流是不同的,本开关电源电路的一次测电流是1A,二次侧电流是5A,所以其线宽也应该是不一样的,需要载流的值越大,走线的宽度也因该越大,而对于流过光耦的电流值较小,所以就不需要很粗的导线。对图17进行修改后,才能符合本单片开关电源的要求,如图18所示。

6.4 双面贴片式PCB版图的绘制

根据表1中元器件的贴片封装的选择,可以绘制出如图19所示的

6.5 四面贴片式PCB版图的绘制

前面有介绍多层板,而本论文中的单片开关电源可以使用四层板,即Top layer层、Bottom layer层外,另一层为电源层、还有一层即是接地层。其绘制后如图20和图21所示,图20是设置了整层Vcc显示后的电路图,图21是设置了整层GND显示后的电路图。


开关电源PCB版图的电磁兼容分析

1 电磁兼容的概述

自从1866年世界上第一台发电机开始发电至今的一百多年里,人类在制造出越来越复杂的电气设备的同时,也制造出越来越严重的电磁“污染”。如果不正视这种污染,研制出来的各种仪器设备在这种电磁污染严重的地方将无法正常工作。

1881年英国科学家希维赛德发表了“论干扰”的文章,标志着研究抗干扰问题的开端。早在20世纪40年代,人们就提出了电磁兼容性的概念。我国从20世纪80年代至今,已制定了上百个电磁兼容国家标准,强制要求所有的电气设备必须通过相关电磁兼容标准的性能测试。

电磁兼容(EMC)的定义也就是指一个产品和其他产品共存于特定的电磁环境中,而不会因引起其他产品或者自身性能下降或损坏的能力。

2 单片开关电源PCB版图及其电磁兼容分析

2.1 双面直插式PCB版图及其电磁兼容分析

如图10所示,为单片开关电源双面直插式的PCB版图(其中元件均为直插式元件且在绘制过程中仅用了Top Layer和Bottom Layer两层,故本文称其为双面直插式PCB版图)。

(1)元器件的布局

在绘制图10的过程中,可以知道,本论文中的PCB版图的绘制和SCH图的布局类似,是按照电路的流程对电路中各个功能单元的位置进行安排、放置的,这样的布局便于信号流通,并使信号尽可能保持一致的方向。同时元器件也应该均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上.尽可能的减少和缩短各元器件之间的引线和连接。

此外,元件的布局应也应该考虑以下几个方面的内容:

A.对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域(如设备的底部),千万不要将它放在发热器件的正上方,多个器件最好是在水平面上交错布局;

B.在印制电路板上布置逻辑电路,原则上应在输出端子附近放置高速电路,如光电隔离器等,在稍远处放置低速电路和存储器等,以便处理公共阻抗的耦合、辐射和串扰等问题。在输入输出端放置缓冲器,用于板间信号传送,可有效防止噪声干扰。

C.电路板上装有高压、大功率器件时,与低压、小功率器件应保持一定间距,尽量分开布线。在大功率、大电流元器件周围不宜布设热敏器件或运算放大器等,以免产生感应或温漂。

D.在高速印制板电路中,较为常出现的是数字电路和模拟电路同时出现的情况对于这种情况,尽可能的将数字电路集中、模拟电路集中,但两者间需要保持一点的距离,以防数模互扰,图2-1所示为印制线路板元器件布局图实例。

(2)电容的谐振频率和高次谐波

时,会发生串联谐振,这时电容器的阻抗最小,旁路效果最好。超过谐振点后,电容器的阻抗特性呈现电感阻抗(感抗)的特性,并且随着频率的升高而增加,旁路效果开始变差。这时,作为旁路器件使用的电容器就开始失去了旁路的作用。所以在电磁兼容设计中使用的电容要求谐振频率尽量高,这样才能够在较宽的频率范围(10kHz~1GHz)内起到有效的滤波作用。

在未加滤波电容之前,整流电路中的二极管导通角θ为π。加滤波电容后,只有当电容充电时,二极管才导通,因此,每只二极管的导通角均小于π。随着滤波电容的增加,二极管的导通角将会越来越小,而根据傅里叶展开式1和图2-2可知,当导通角变小时,高次谐波就会增大,这样频率也就变大了,产生的辐射干扰也就增大了。


(3)导线宽度

由于瞬变电流在印制线条上所产生的冲击干扰主要是由印制导线的电感成分造成的,因此应尽量减小印制导线的电感量。印制导线的电感量与其长度成正比,与其宽度成反比,因此短且精的导线对抑制干扰是有帮助的。时钟引线、行驱动器或总线驱动器的信号线常常载有更大的瞬变电流,此时印制导线要尽可能地短。而对于导线宽度的选择常常是与承载的电流有关的,其对应关系如表2-1所示。

Protel 99SE对于导线宽度的默认值是10mil,这类宽度的导线在绘制低速电路的时候还是可以使用的,但是到了高速电路,10mil宽度的导线将无法承载如此大的瞬变电流。同时由表2-1可知,对于不同厚度、不同宽度的铜箔的载流量也是不同的。需要注意的是,用铜皮作导线通过大电流时,铜箔宽度的载流量应参考表中的数值降额50%去选择。标准PCB板的铜箔厚度为35~40μm,本单片开关电源电路的载流值为1A,所以布线宽度至少要有25/20mm~28/20mm宽才行。这里,选取一个均值,为1.7mm。考虑到2次谐波较大,电流的有效值较大,按2A来确定布线宽度,为3.4mm,相当于120min。

(4) 电磁干扰

根据电磁兼容(EMC)的定义可以知道,EMC包括EMI(电磁干扰)及EMS(电磁耐受性)两部份,所谓EMI,是指机器本身在执行应有功能的过程中所产生不利于其它系统的电磁噪声;而EMS是指机器在执行应有功能的过程中不受周围电磁环境影响的能力。

一般避免电磁干扰的方法,例如开关电源,就是在其外面加上一个金属盒子,并且将其接地。而对于印制电路板来说,较为有效地控制电磁干扰的方法是减少导线的走线长度,即导线布线越短越好。

(5) 铺地

铺地一般是用GND,因为这样可以增加它的散热性。铺地之前肯定要先连接好,对应相应的网络标号连起来。铺地它只是把所有的GND连一起,并加大它的面积,这样可降低EMI和增加它的散热性。图2-3就是图18全面铺地后的效果(一定要注意地与线路之间的距离尤其是输入部分,在这里只是随便弄了个效果图)。

(6) 导线的电阻和感抗

印制电路板制造过程中,导线多为铜线,铜金属本身的物理特性决定了其在导电过程中必然存在一定的阻抗,所以在印制电路板中,导线均可被看作是很规则的矩形铜条。

而导线电阻可通过公式来计算:

式中L为导线长度(米),S为导线截面积(平方毫米),为电阻率。

当一段远离其他导体的导线,其长度远大于宽度时,导线的自感量为0.8μH/m,那么10cm长的导线则具有0.08μH的电感量。然后通过下面的公式可以求出该PCB板导线所呈现出来的感抗:

式中π为常数,f为导线通过信号的频率(Hz),L为单位长度导线的自感量(H)。分别计算出该导线在低频和高频下的感抗:

当f=10KHz时,XL=6.28×10×103×0.08×10-6≈0.005Ω;

当f=30MHz时,XL=6.28×30×106×0.08×10-6≈16Ω

通过以上公式计算可以看到,在低频信号传输中导线电阻大于导线感抗,而在高频信号中导线感抗要远远大于导线电阻。

(7)走线的原则

高速PCB设计中线路的走线也是其中很重要的一个部分,因为PCB走线之间会产生串扰现象,这种串扰不仅仅会在诗中和其周围信号之间产生,也会发生在其他关键信号上,如数据、地址和输入/输出信号线等,都会受到串扰和耦合影响[14]。

一般习惯性让所有的信号走线的间距满足以下三点规则:

A.两条走线中心之间的距离应该大于或等于走线宽度的3倍;
B.PCB边缘的走线,PCB边缘到走线边缘的距离应该大于3倍的走线宽度;
C.如果走线之间有过孔,那么走线间距应该大于或等于走线宽度的3倍,如图2-4所示。

(8)拐角走线

本文中的单片开关电源的频率由于不到10GHz,所以在PCB版图的绘制过程中,推荐使用的是45°拐角的绘制方式,当然圆角拐角也是可以的。

不推荐使用直角拐角的原因有两个,其一是制作成PCB板后,直角拐角比较尖锐,在使用过程中较容易被剥落;其二就是对于电磁兼容而言,直角拐角会对其周围产生辐射。

在走线确实需要直角拐角的情况下,通常就用两种方式来进行改进:其一是将90°拐角变成两个45°拐角;其二就是用圆角来替代90°拐角,如图2-5所示。

当然这两种拐角方式中圆角方式是最好的。45°拐角可以用到10GHz频率上,而且对于45°拐角走线来说,拐角的长度最好满足:L≥3W,如图2-6所示。

(9)泪滴焊盘

在高速电路中,为了使走线更加平稳、迅速的传递电流,Protel 99SE为我们提供了“泪滴焊盘”的功能。通过这个功能,能减小电流对于元器件焊盘的瞬间损伤,也能使电流的传递更加的快捷和稳定。在Protel 99SE中,可以设置两种泪滴焊盘的方式,一种是“Arc”,另一种是“Track”。它们分别如图2-7和图2-8所示。


对于泪滴焊盘的设置则可以通过单击【Tools/Teardrops/Add】后弹出【Teardrops】对话框,如图2    -9所示。其中在左边【General】选项卡中可以对需要泪滴焊盘的焊盘甚至是过孔进行设置。

(10)过孔的使用

过孔是由孔和孔周围的焊盘区和内层电气隔离区组成的。过孔的寄生电感、寄生电容等会影响通过过孔的高速信号,同时过孔的尺寸和与之相连接的焊盘等都对过孔的属性产生直接的影响。

①寄生电容

过孔本身存在着对地或电源的寄生电容,过孔的寄生电容可以用以下公式计算得到近似值:

式中:D2——地平面层孔直径;
      D1——过孔焊盘直径;
      T——PCB板的厚度;
      ——板基材的相对介电常数;
      C——寄生电容容量。

当D1与D2相当接近时,寄生电容非常大。这样它就延长了电路中信号的上升时间,降低了电路的速度。尽管单个过孔的寄生电容引起的上升沿变缓的效用不是很明显,但是如果走线中多次使用过孔进行层间的切换,还是需要加以考虑的。

如图2-10示,为有过孔的PCB版图,但是通过更改线路的走向,完全可以避免此过孔的产生,修改后的如图2-11。

②寄生电感

在数字信号中,尤其是高速电路中,过孔的寄生电感带来的危害远远超过寄生电容,寄生电感会削弱滤波电容和旁路电容的效果,减弱整个电源系统的滤波效果,并且影响信号的传输质量。过孔的寄生电感可用下式计算:

式中:L——过孔的寄生电感;
      h——过孔的深度;
      d——过孔的直径。

式中包含对数计算,所以改变过孔直径对过孔电感的影响很小,而改变过孔深度则对过孔电感的影响较大。

正因为如此,在高速PCB设计时,希望尽量减少过孔的数量,如果实在不行,则希望过孔越小越好,这样板上就留出了更多的布线空间。此外,过孔越小,寄生电容也越小,更适合用于高速电路。

很多情况就像图2-10和图2-11所示,前者走线简洁方便,但是却要用过孔来进行上层与下层的过渡;后者走线长度增加了,但是由于其附近并无特别的元器件,所以省去了一个过孔,可以减少相应的寄生电容和寄生电感带来的印象。所以,在设计PCB版图,尤其是高速PCB版图的时候对于过孔的使用需要特别的注意。

(11)引脚电容

由于图17所示的PCB版图设计中的元器件均为直插式元件,所以其金属引脚间会存在引脚电容的情况。

通常大多数元器件引脚间距为0.1in,对地约有几个pF的电容,高速印制电路板上的焊盘可能会在元器件的每边各增加0.5pF的电容。主要起到了隔直传交的功能,当然只是电容最基本的功能。此外,如果在输入端,此电容就叫做旁路电容,主要是通过实现交流旁路来消除无用的能量进入敏感的部分,另外还可以提供基带滤波的功能;如果0.5pF的电容在输出端,则被称为去耦电容,去耦电容可以为元件提供局部化的直流电压源,并且减少跨板浪涌电流的干扰。

而对于到底用多大容值的电容,表2-2可作为一个参考值。

2.2 双面贴片式PCB版图的电磁兼容分析

由表2-1可知,相对于直插式(DIP)的安装,元器件贴片式(STM)更为的优越。如图18,贴片式元器件比起直插式元器件,减少了连接脚的长度,这样也就减少了干扰的产生以及传递。虽然贴片式元器件焊接起来的较为的困难,但是如果是在高速电路中使用,相信贴片式元器件绝对是“物超所值”。相信宁愿花费多一点的时间进行焊接,也比用直插式元器件快速焊接好,但是测试中出现大量的电磁干扰的问题。所以能用贴片式的元器件应尽量使用贴片式,由其是电阻、电容、电感、集成电路等。

2.3 四面贴片式PCB版图及其电磁兼容分析

虽然与双面直插式相比,双面贴片式更具优势。但是如果拿双面贴片式和四面贴片式来进行比较,会发现后者的优势和好处更大。当然在高速电路设计中并不是PCB版图的层数越多越好,而是应该根据所设计的SCH图进行分析,随后合理的选择PCB版图的层数。合理并且优良的PCB多层设计可以提高整个系统的EMC性能,并减小PCB回路的辐射、干扰效应。

多层板常常出现在高速、高性能的系统中,其中的一些层是用来设置电源或地的,这些层将作为与之相邻的信号走线的电流返回路径。图2-12所示为一种典型多层PCB叠层的配置。

表2-3为常用多层PCB层的设计配置,如果在绘制多层的情况下,可将其作为一种参考。

会在高速电路中推荐使用多层电路板,是因为多层电路板中有专门分配给电源和地的层,因此也就具有了如下的优点:电源非常稳定;电路阻抗大幅降低;配线长度大幅缩短。

而本论文中的单片开关电源可以使用四层板,即Top layer层、Bottom layer层外,另一层为电源层、还有一层即是接地层。其绘制后如图20和图21所示。

而层数的设置可以通过【Design/ Layer Stack Manager】进行层的添加、信号层的添加等,双击添加层的名字还能对层的属性进行修改,如图2-13所示。

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