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快速判斷PCB設(shè)計(jì)的質(zhì)量的7種方法
在與硬件企業(yè)家合作的多年中，我看到太多設(shè)計(jì)不佳的印刷電路板（PCB）案例，這些案例永遠(yuǎn)都無(wú)法滿足商業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量要求。在某些情況下，這些委員會(huì)是由企業(yè)家自己設(shè)計(jì)的，而有時(shí)則是由自由工程師設(shè)計(jì)的。尤其是在聘請(qǐng)假定的專家來(lái)設(shè)計(jì)PCB的情況下，能夠判斷其工作質(zhì)量很重要。正如我認(rèn)為許多電氣工程師會(huì)同意的那樣，大多數(shù)工程師從來(lái)沒有在學(xué)校教過PCB設(shè)計(jì)，因此，請(qǐng)務(wù)必避免雇用缺乏實(shí)際PCB設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的工程師。
盡管確實(shí)需要PCB設(shè)計(jì)專家來(lái)進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐暾O(shè)計(jì)審查，但仍有一些方法可以快速判斷PCB設(shè)計(jì)的質(zhì)量。原理圖可以告訴您如何將各個(gè)組件連接在一起以提供給定的功能。然而，就其本身而言，它提供了有關(guān)如何將組件實(shí)際放置和連接在一起以提供功能產(chǎn)品的非常有限的信息。例如，原理圖線轉(zhuǎn)換為印刷電路板（PCB）上的走線。但是，除非在原理圖中明確記錄，否則原理圖幾乎不會(huì)提供有關(guān)這些線路所攜帶信號(hào)種類的信息。
如果由與設(shè)計(jì)原理圖的工程師不同的工程師設(shè)計(jì)PCB布局，則此原理圖文檔尤為重要。這些線路中的信號(hào)可能是低電平，低噪聲的信號(hào)，必須將其從更嘈雜的PCB走線引開，以免產(chǎn)生噪聲。或者，它們可能是快速的數(shù)據(jù)或時(shí)鐘信號(hào)，它們會(huì)扇出到多個(gè)芯片上的許多引腳。在這種情況下，走線的長(zhǎng)度應(yīng)匹配，并保持較短，以避免延遲不匹配。
如果沒有正確設(shè)計(jì)這些走線，則某些PCB可能會(huì)起作用，而某些PCB可能不會(huì)起作用，這取決于用于填充每個(gè)PCB的組件的特性和公差。換句話說，即使PCB忠實(shí)地實(shí)現(xiàn)了完整工作原理圖的所有組件互連，最終產(chǎn)品也可能無(wú)法按預(yù)期工作。
本文介紹了7種快速判斷PCB設(shè)計(jì)的質(zhì)量的方法。
這里的重點(diǎn)是布局和組件放置，而不是電路板構(gòu)造本身的實(shí)際質(zhì)量（這完全取決于電路板制造商）。
最后，本文并非旨在具有很高的技術(shù)性，并且當(dāng)然不會(huì)涵蓋所有可能性，尤其是對(duì)于高度復(fù)雜的設(shè)計(jì)或具有獨(dú)特要求的設(shè)計(jì)。
本文的目的是向您展示如何快速確定您是否有不良的PCB設(shè)計(jì)，因?yàn)樵?/span>PCB設(shè)計(jì)中有一些特定的領(lǐng)域，新設(shè)計(jì)師最有可能做錯(cuò)這些事情。
1 – PCB走線
總體看一下PCB上的可見跡線。這些將被阻焊劑覆蓋，阻焊劑是聚合物的類似漆的薄層，覆蓋銅跡線以防止氧化和短路。
該層通常為綠色，但也可以使用其他顏色。請(qǐng)注意，白色阻焊層往往會(huì)使痕跡最難看見。在大多數(shù)情況下，只需使用標(biāo)準(zhǔn)綠色即可。
另外，實(shí)際上只有頂層和底層是可見的，并且如果木板有兩層以上，您將看不到內(nèi)部層。盡管如此，僅審查外部層應(yīng)該提供一些有關(guān)設(shè)計(jì)質(zhì)量的線索。
首先，查看所有跡線是否都在沒有急劇彎曲的直線段中延伸。銳角對(duì)于某些高功率和高頻走線可能很麻煩。
與其嘗試確定哪些跡線可以接受90°彎曲，不如簡(jiǎn)單地避免它們。無(wú)論如何，可以設(shè)置大多數(shù)CAD PCB布局軟件包來(lái)避免此問題。
請(qǐng)注意，有一些例外。一些印刷電感器是方形的同心螺旋形，一些印刷天線具有急劇的彎曲。但是，這兩個(gè)都易于識(shí)別。
2 –去耦電容器
所有芯片需要電源才能正常工作，但是當(dāng)發(fā)生什么電源一段距離從芯片需要電源了嗎？在這些情況下，必須通過PCB走線（雖然通常通過內(nèi)層上的PCB電源板）為芯片供電。
去耦電容器的位置非常靠近芯片的電源引腳，以濾除任何高頻噪聲，以免對(duì)芯片產(chǎn)生負(fù)面影響。
通常，如果一個(gè)芯片具有多個(gè)VDD引腳，則每個(gè)這樣的引腳都需要至少一個(gè)去耦電容器，有時(shí)還需要更多。
這些去耦電容器的物理位置應(yīng)非常靠近它們應(yīng)該去耦的引腳。如果這沒有發(fā)生，則其效果將大大降低。
如果您的PCB設(shè)計(jì)沒有在大多數(shù)微芯片的電源引腳旁邊放置去耦電容器，那么這說明設(shè)計(jì)不正確。
如果您雇用了某人來(lái)設(shè)計(jì)PCB，但他們沒有正確處理去耦電容器，那么您應(yīng)該找一名新設(shè)計(jì)師。
3 – PCB走線的長(zhǎng)度均衡
在要求多個(gè)信號(hào)之間具有精確定時(shí)關(guān)系的設(shè)計(jì)中，PCB走線的長(zhǎng)度必須匹配。例如，當(dāng)將高速時(shí)鐘信號(hào)路由到多個(gè)芯片或在微處理器和RAM 存儲(chǔ)器之間運(yùn)行的數(shù)據(jù)和地址總線時(shí)，這一點(diǎn)至關(guān)重要。
這樣可以確保所有信號(hào)以相同的延遲到達(dá)目的地，從而保留了信號(hào)沿之間的關(guān)系。這需要訪問原理圖，并知道哪一組信號(hào)線需要精確的時(shí)序關(guān)系。
然后，按照走線查看是否已實(shí)現(xiàn)某種走線長(zhǎng)度均衡（稱為延遲線）。這些延遲線通?？雌饋?lái)像彎曲的線。
請(qǐng)注意，信號(hào)路徑中的過孔會(huì)導(dǎo)致額外的延遲。如果無(wú)法避免這些問題，請(qǐng)檢查所有需要精確時(shí)序關(guān)系的走線組是否具有相同數(shù)量的通孔?；蛘撸梢允褂醚舆t線來(lái)補(bǔ)償通孔引起的延遲。
4 –天線饋線
如果您的設(shè)計(jì)包括無(wú)線電發(fā)射器，接收器或收發(fā)器（發(fā)射器和接收器組合在一起），則它必須具有天線。
為了獲得有效性能，RF芯片上射頻（RF）引腳之間的饋線應(yīng)與與其相連的饋線阻抗匹配。反過來(lái)，該饋線必須匹配天線的阻抗。
為了使天線與無(wú)線電芯片之間的功率傳輸最大化，此阻抗匹配是必需的。
任何不匹配都會(huì)導(dǎo)致實(shí)際傳輸功率的減小，從而減小工作范圍。該饋線只是具有受控阻抗的PCB走線，該阻抗與天線阻抗（通常為50Ω）匹配。
如果變送器的輸出阻抗與饋線的阻抗不匹配，則通常采用由電感器和電容器組成的匹配網(wǎng)絡(luò)。
為了實(shí)現(xiàn)受控阻抗，饋線是PCB走線，其計(jì)算出的寬度在接地層上延伸。該走線的寬度取決于銅走線的厚度，PCB基板的厚度和介電常數(shù)。
有許多在線工具可用于計(jì)算給定銅厚度和基板材料所需的確切寬度，并且在實(shí)際的PCB中確認(rèn)這種情況。我最喜歡的是可以從Broadcom下載的名為AppCad的免費(fèi)軟件。
如果天線是PCB天線，則應(yīng)位于PCB的一側(cè)，沒有任何接地平面。應(yīng)該清除任何其他痕跡，并遠(yuǎn)離任何大型組件。
天線周圍的絲網(wǎng)印刷標(biāo)記通常很好，但是銅制標(biāo)記（例如PCB編號(hào)或公司名稱）會(huì)使天線失諧。
5 –元件放置
除了放置去耦電容器外，在電路板上放置元件還有其他一些注意事項(xiàng)。
這里有一些注意事項(xiàng)：
如果電路包含電感器，則不應(yīng)將它們放置得太近。電感產(chǎn)生磁場(chǎng)。將它們緊密地放置在一起，尤其是首尾相連可能會(huì)導(dǎo)致它們之間不必要的耦合。
此外，電感器不應(yīng)靠近大型金屬物體放置。磁場(chǎng)會(huì)在這些物體中感應(yīng)出電流，這會(huì)改變電感器的值。
環(huán)形或圓環(huán)形的電感器通常不易產(chǎn)生雜散磁場(chǎng)，因此其影響較小。如果無(wú)法避免將電感器靠近放置，則應(yīng)將它們彼此垂直放置，以減少不必要的互耦合。
如果評(píng)估板中包含功率電阻器或任何有大量熱量產(chǎn)生的組件，則需要考慮熱量對(duì)附近其他組件的影響。
例如，如果電路中包含用于補(bǔ)償環(huán)境溫度影響的熱敏電阻，則不應(yīng)將其靠近任何功率電阻放置。溫度補(bǔ)償電容器也是如此。
如果電路包含板載開關(guān)穩(wěn)壓器，則與之相關(guān)的所有組件都應(yīng)物理定位在PCB的一部分上，并盡可能遠(yuǎn)離處理小信號(hào)的部分。這些往往會(huì)產(chǎn)生很大的開關(guān)噪聲，會(huì)對(duì)噪聲敏感的電路部分產(chǎn)生負(fù)面影響。
如果PCB直接在電源部分上直接施加了交流電源，則交流側(cè)應(yīng)位于電路板的一部分上。
此外，PCB本身應(yīng)具有物理屏障，以將AC與板的其余部分分隔開。通常，這是通過在PCB中有一個(gè)將兩個(gè)部分分開的插槽來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
6 –跡線寬度和布線
攜帶大電流的走線應(yīng)適當(dāng)調(diào)整大小。下圖2顯示了針對(duì)不同額定電流的IPC（印刷電路研究所）推薦走線（有時(shí)也稱為走線）寬度：
由于噪聲拾取問題，攜帶小模擬信號(hào)的走線不應(yīng)與攜帶數(shù)字或快速變化信號(hào)的走線平行。
同樣，一般來(lái)說，連接電感的走線不應(yīng)超過所需寬度。它們可能像天線一樣工作，并產(chǎn)生有害的射頻發(fā)射。
7 –地面和地面
對(duì)于任何中等復(fù)雜的PCB，至少使用四層板，兩層內(nèi)層為電源和接地層。
如果設(shè)計(jì)同時(shí)包含模擬和數(shù)字部分，則應(yīng)將接地層分開，并且僅在公共點(diǎn)（通常電源負(fù)極）處連接。這樣可以避免來(lái)自數(shù)字部分的大接地電流尖峰對(duì)模擬部分產(chǎn)生不利影響。
如果僅使用兩層，則每個(gè)子電路的接地回路走線應(yīng)分開，然后將它們?nèi)窟B接至電源負(fù)極端子。
如下圖3所示，將任何子部分或IC的接地回路連接到公共接地回路中，使其返回電源負(fù)極，這是不好的設(shè)計(jì)。
這里的問題是PCB銅走線確實(shí)具有一定的電阻。因此，流經(jīng)走線的電流將導(dǎo)致電壓下降。在上面的示例中，走線最右端的芯片將看到其接地參考電壓高于實(shí)際接地參考電壓。
此外，它的接地將根據(jù)圖中左側(cè)所有芯片的返回電流而反彈。
結(jié)論
無(wú)論您是學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)自己的PCB還是計(jì)劃將其外包給電氣工程師，都需要能夠判斷PCB設(shè)計(jì)的質(zhì)量。如果您沒有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并且將PCB設(shè)計(jì)外包，那么請(qǐng)注意本文中突出顯示的七個(gè)方面，以確定您的工程師是否值得您付錢。
實(shí)際上，如果他們不符合這七個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的任何一個(gè)，那么我建議您考慮尋找新設(shè)計(jì)師。另一方面，如果您要設(shè)計(jì)自己的PCB，請(qǐng)確保避免這些常見錯(cuò)誤。
無(wú)論如何，在進(jìn)行原型開發(fā)之前，由獨(dú)立工程師進(jìn)行完整的設(shè)計(jì)審查總是一個(gè)好主意。
上海韜放電子提供專業(yè)的電路設(shè)計(jì)，如果您有這方面的需求請(qǐng)聯(lián)系我們，