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技術專題
PCB設計需要知道的5個準則
1、微調器件位置
2、放置電源、GND和信號線
3、分開處理
4、解決發熱問題
5、設計規則檢查布局
設計一個在紙上和物理上都真實的板子的關鍵是什么?讓我們來看看你需要知道的前5個設計準則，來設計你的下一個可制造、功能和可靠的PCB。當開始一個新的設計時，很容易把PCB設計準則作為事后的考慮，因為你把大部分時間花在電路設計和元件選擇上。但是在結束的時候，沒有提供足夠的時間和集中精力在PCB布局的基礎上可能導致設計從數字領域到物理現實的轉換很差，并可能最終成為你造成麻煩。那么設計一個在紙上和物理上都真實的板子的關鍵是什么呢?讓我們來探討5個PCB設計準則，為你設計出可靠的PCB。
一、微調器件位置
PCB布局過程的組件放置階段既是一門藝術，也是一門科學，需要對板上可用的主要空間進行戰略性考慮。電子元件位置放置良好，可減少PCB貼片制造的難度及制作費用，提高可靠性。
在元件放置過程中，有許多PCB布局規則需要考慮。雖然一般的電路板布局準則告訴你把元件按連接器、電源電路、精密電路、關鍵電路等分類，也有幾個具體的電路板布局準則要記住。
1、取向，確保相似的元件方向相同，這將有助于在PCB設計中有效的布線。它還有助于確保有效和無錯誤的焊接過程中組裝。
2、位置，避免將組件放置在板的焊料一側，否則將放置在鍍通孔組件的后面。
3、組織，建議將所有表面貼裝設備(SMD)組件按照SMD PCB設計規則放置在板的同一側。所有通孔(TH)組件應放置在你的板的頂部一側，以盡量減少組裝步驟的數量。
4、重點 ,當使用混合器件組件(通孔和表面貼裝組件)時，貼片制作時貼片廠會增加價格。
良好組件方向(左)和糟糕芯片元件方向(右)
良好組件放置(左)和糟糕的組件放置(右)
二、放置電源、GND和信號線
放置好組件后，現在就可以對電源、接地和信號進行布線，以確保信號有一個干凈、無故障的傳輸路徑。這里有一些指導方針，要記住這一階段的布局過程:
設置電源和地平面
建議電源線和地平面在pcb板內部，同時也要對稱和居中。這將有助于防止板彎曲，這也將影響組件是否正確定位。注意，這在雙層板上是不可能的，因為沒有任何空間來放置組件，IC供電，建議為每個電源使用公共電源線。
PCB布線
接下來，連接信號線以匹配原理圖。建議器件到器件的連線最短。如果組件放置迫使水平跟蹤路由位于面板的一側，則將一側面板上的線垂直于另一側。這是2層PCB設計規則之一。
隨著堆疊層數的增加，印刷電路板設計規則和PCB布局規則變得更加復雜。你的走線策略將需要在交替層中交替使用水平和垂直布線，除非你使用參考平面將每個信號層分開。在用于特殊應用的非常復雜的電路板中，許多常用的PCB經驗可能不再適用，需要根據電路板的實際情況進行分析。
定義網絡線寬
pcb設計需要不同的網絡，將攜帶大范圍的電流，這將規定所需的網寬。考慮到這一基本要求，建議為低電流模擬和數字信號提供0.01mm的寬度。攜帶0.3 A以上的線應該更寬。
建議布線(箭頭表示焊料移動)
不建議布線(箭頭表示焊料移動)
三、分開處理
電源電路和電流峰值中的高電壓會干擾低壓控制電路。為了盡量減少這種干擾問題，電力電子PCB設計準則往往建議如下:
1、分離，每個供電階段，務必將電源地和控制地分開。如果你必須把它們綁在你的pcb上，確保它在你的供應路徑的末端。
2、位置，如果你已經把你的地平面放在中間層，一定要放置一個小的阻抗路徑，以減少任何電源電路干擾的風險，并幫助保護控制信號。同樣的方針可以遵循，以保持數字和模擬地面分開。
3、耦合，為了減少電容耦合，由于放置一個大的接地面和線路的布線上面和下面，盡量讓模擬地面只有模擬線路交叉。
四、解決發熱問題
電路板發熱會導致電路性能下降甚至電路板損壞，如果不考慮散熱問題，這個問題會影響電路板工作。以下是解決發熱問題指導方針:
1、辨識組件
第一步是開始考慮哪些組件將在你的板上消耗最多的熱量。通過組件的數據表，找到“熱阻”等級，然后按照推薦來轉移熱量。例如：散熱器和冷卻風扇。同時讓關鍵的組件遠離高熱源。
如果有多個組件產生大量熱量，將這些組件分布在整個板上，而不是將它們聚集在一個位置。這樣可以防止熱斑在板上形成。在設計路由策略時，必須小心地平衡這些組件的位置和走線長短問題，這是考驗你的技術。
2、添加散熱片
添加散熱片是電路板散熱常用手段。建議在通孔組件上使用散熱片，通過減緩通過組件板的熱下沉速度，使焊接過程盡可能容易。
一些設計師會告訴你使用熱浮雕圖案的任何通孔或洞連接到地面或動力平面。這并不總是好的建議。電源/GND 出現在IC周邊，具有很快的開關速度，會產生大量的熱量，將熱量從電路中轉移開，有助于調節IC的溫度。
地平面可以作為一個大散熱器，然后輸送熱量均勻的整個板。因此，如果一個特定的通孔連接到一個地面，省略該通孔上的熱釋放墊將允許熱量傳導到地面。這比保持熱量被困在GND表更可取。然而，這可能會產生一個問題，如果你的板是使用波峰焊組裝，因為你需要保持熱量收集近表面。
除了熱浮雕，也可以在痕跡連接處添加淚滴，以提供額外的銅箔/金屬支撐。這將有助于減少機械應力和熱應力。
五、根據PCB設計規則檢查布局
在設計項目快要結束的時候，你很容易因為要把剩下的部件拼在一起進行生產而不知所措。在這個階段，反復檢查你的工作中的任何錯誤都可能意味著制造的成功或失敗。
為了幫助這個質量控制過程，總是建議從你的電氣規則檢查(ERC)和設計規則檢查(DRC)開始，以驗證你已經滿足了所有已建立的約束條件。使用這兩個規則，可以輕松地為特定的工程定義間隙寬度、走線寬度、通用制造要求、高速電氣要求和其他物理要求。以自動化PCB布局審查，驗證布局。
注意，許多設計流程都聲明你應該在設計階段結束時運行設計規則檢查，同時準備進行生產。如果你使用了正確的設計軟件，你可以在整個設計過程中運行檢查，這允許你盡早識別設計潛在的問題并快速地糾正它們。
當你最終的ERC和DRC產生了沒有錯誤的結果時，建議檢查每個信號的走線，并確認你沒有錯過任何東西，一次通過原理圖中的一根線。當然，確保PCB布局符合原理圖與設計工具的探測。
總結：這 5個PCB設計準則，每個PCB設計師都需要知道。通過遵循這一小部分的建議，很快就可以設計出一款功能強大、可制造的電路板，并生產出真正高質量的印刷電路板。良好的PCB設計實踐是成功的關鍵。這些PCB設準則只觸及了表面，但它們為在所有設計實踐中建立和鞏固持續改進的實踐奠定了基礎。