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PCB设计时需要关注的一些关键因素
machinnneee | 2017-07-16 18:46:14    阅读:203   发布文章

    一款设计出来的PCB质量好坏,不但需要有良好的PCB走线知识,还需要一些电子行业专有知识,比如铜皮厚度对信号的影响,差分对走高速信号时线间距距离对质量的影响有多重要,使用CAN总线时如何设置端接电阻才能使总线获得最优的效果......这些知识都需要平时的积累和PCB调试经验的积累。对于这些知识,做分析归纳,若有不当的地方请留言共同探讨。

一、关注PCB板材和铜皮

    PCB板材按档次级分为以下6种:94HB/94VO/22F/CEM-1/CEM-3/FR-4 。

    94HB:普通纸板,不防火,此等级的材质为最低档的材料,可采用模冲孔,但不能做电源板;

    94V0:阻燃纸板,可模冲孔

    22F:单面半玻纤板,可模冲孔

    CEM-1:单面玻纤板,不能模冲孔,必须要电脑钻孔

    CEM-3:双面半玻纤板,除双面纸板外属于双面板最低端的材料,简单的双面板可以用这种料

    FR-4: 双面玻纤板

在现阶段,为了保持PCB的性价比,通常采用FR-4材质,该材质的介电常数最大达4.7,信号传输特性为4.35@500Mhz,4.34@1Ghz,可承受的最高信号频率是2Ghz(超过这个值,损耗和串扰将会增加)。正是由于这样的因素,FR-4材质才得到了广泛的使用。

    当我们给PCB发送PCB Gerber文件后,板厂通常定义板层结构和板层的PCB板材的厚度和铜层的厚度,如果不满足我们的设计要求,可以让工厂端进行设计更改。而这两个厚度会影响到高频或者射频信号的特性,因此需要特别关注。在PCB板厂铜皮的厚度通常用盎司表示(盎司,既是重量单位又是长度单位。长度单位时1oz代表PCB的铜箔厚度约为36um。)指的是一平方英尺金属的重量 ,一些典型值如下:

        0.5oz = 17.5μm

        1.0oz = 35.0μm

        2.0oz = 70.0μm

        3.0oz = 105.0μm

    当今PCB的设计走线铺铜典型值为0.5oz – 3oz,而发展为趋势 0.25oz。

二、信号走线

    PCB走线的宽度和走线的间距一般要≥5 mil 并且遵循“3W”规则。由于PCB走线和线间距都会影响走线的电阻,电容,阻抗,在高速信号设计中都要被慎重的考虑。

    对于差分信号的走线更要注意,在遵循“3W”规则的前提下,如果条件允许,线间距达到30mil之上以防止信号间的干扰。

    当多层PCB设计时,会碰到信号走线走在内层的时候,这样的走线有优势也有不利的方面:

    有利方面:可以保护信号线辐射保护;保护关键信号不收ESD的影响。

    不利方面:出现问题时不易定位,阻抗匹配时阻抗较低;信号不易去耦。

三、过孔的影响

    PCB过孔的添加会引进容感性分量并改变走线的特征阻抗,在高频电路中,依据经验,过孔的等效电阻为1mΩ,等效电感为1nH(过孔的寄生电容会给电路造成的主要影响是延长了信号的上升时间,降低了电路的速度;寄生串联电感会削弱旁路电容的贡献,减弱整个电源系统的滤波效用)。

四、 信号的特性

    信号的上升沿和下降沿的特性直接影响着PCB信号的完整性,随着IC制作工艺的提高和信号处理速度的增强,信号上升时间及下降时间越来越小,该减小意味着更多的谐波,并且方波在其奇数谐波上有较高的能量。在使用示波器观察信号特性的时候,示波器的带宽需要时被测信号的频率的5 倍。

    信号在PCB中传输时依据信号频率的不同有着不同的特性:低频时,电流总是流过最小电阻路径,高频时,电流总是渡过最小电感路径。这对于LayOut有着重要的指导。

    多层板设计时,最好在中间对称的两层设计电源层和地层,因为电源与地可以最大化“板间电容”。同样,也可以减少PCB的翘曲 ,顶层和底层的地平面至少可以把多层板设计中的辐射降低10dB。

五、电容的特性

    由于并联电容可以在较宽的频带降低阻抗,所以在关键IC的电源引脚,经常采用多个级别的电容并联使用。在多层PCB设计中,如果使用了电源/地平面对,电容在PCB顶层或者底层的效果一样有效 ,因此我们在绘制ARM核心板时,如果正面的空间不够放置去耦电容,放在反面也是相同的效果。

    电容有着对频率的显性特征:电容的ESL(等效串联电感)随着频率的增加而增加,ESR(等效串联电阻)的增加会降低电容的效力,电容的寄生参数(pads,vias)所带来的电抗会随着频率增加而增加,对于常用的退耦电容的计算的经验公式为c=1/f,其中F为电路频率,即10MHz取0.1uF,100MHz取0.01uF。

    旁路电容离电容引脚尽可能的近主芯片,一方面可以减少走线的阻抗特性,另一方面可以在IC端保持信号的稳定。

针对于特定频率的纹波,磁珠对于降低其干扰是非常有效的常用方法。

六、阻抗匹配

    信号的不连续经常发生在源端和负载端,因为二者之间一般只有导线相连。源端的阻抗一般低于50欧姆,需要采用串联端解技术,即在源端串联一电阻增加阻抗以便于传输线的阻抗进行匹配,但输出阻抗是非线性的,并且进入传输线的能量会损失一部分。负载端阻抗一般大于50欧姆,为使阻抗匹配,在负载端经常采用并联电阻的方法。但是并联端接增加功率损耗,串扰,EMI ,地弹或者引入噪声(取决于并联电阻被拉至高或低)等不利因素,因此使用时需要重点关注。

七、电源

    在设计一款电子产品时,由于所需电源的多样性,一般需要DC-DC和LDO。对于不重要系统可以采用DC-DC,而对于IC芯片和电路处理部分的电源,需要使用LDO供电。



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