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快速判断PCB电路板设计的质量的7种方法


PCB板

在与硬件企业家合作的多年中,我看到太多设计不佳的印刷电路板PCB)案例,这些案例永远都无法满足商业生产的质量要求。在某些情况下,这些委员会是由企业家自己设计的,而有时则是由自由工程师设计的。尤其是在聘请假定的专家来设计PCB电路板的情况下,能够判断其工作质量很重要。正如我认为许多电气工程师会同意的那样,大多数工程师从来没有在学校教过PCB电路板设计,因此,请务必避免雇用缺乏实际PCB设计经验的工程师。
尽管确实需要PCB电路板设计专家来进行适当的完整设计审查,但仍有一些方法可以快速判断PCB设计的质量。原理图可以告诉您如何将各个组件连接在一起以提供给定的功能。然而,就其本身而言,它提供了有关如何将组件实际放置和连接在一起以提供功能产品的非常有限的信息。例如,原理图线转换为印刷电路板(PCB)上的走线。但是,除非在原理图中明确记录,否则原理图几乎不会提供有关这些线路所携带信号种类的信息。
如果由与设计原理图的工程师不同的工程师设计PCB布局,则此原理图文档尤为重要。这些线路中的信号可能是低电平,低噪声的信号,必须将其从更嘈杂的PCB走线引开,以免产生噪声。或者,它们可能是快速的数据或时钟信号,它们会扇出到多个芯片上的许多引脚。在这种情况下,走线的长度应匹配,并保持较短,以避免延迟不匹配。
如果没有正确设计这些走线,则某些PCB可能会起作用,而某些PCB可能不会起作用,这取决于用于填充每个PCB的组件的特性和公差。换句话说,即使PCB忠实地实现了完整工作原理图的所有组件互连,最终产品也可能无法按预期工作。
本文介绍了7种快速判断PCB设计的质量的方法。
这里的重点是布局和组件放置,而不是电路板构造本身的实际质量(这完全取决于电路板制造商)。
最后,本文并非旨在具有很高的技术性,并且当然不会涵盖所有可能性,尤其是对于高度复杂的设计或具有独特要求的设计。
本文的目的是向您展示如何快速确定您是否有不良的PCB设计,因为在PCB设计中有一些特定的领域,新设计师最有可能做错这些事情。
1 – PCB走线
总体看一下PCB上的可见迹线。这些将被阻焊剂覆盖,阻焊剂是聚合物的类似漆的薄层,覆盖铜迹线以防止氧化和短路。
该层通常为绿色,但也可以使用其他颜色。请注意,白色阻焊层往往会使痕迹最难看见。在大多数情况下,只需使用标准绿色即可。
另外,实际上只有顶层和底层是可见的,并且如果木板有两层以上,您将看不到内部层。尽管如此,仅审查外部层应该提供一些有关设计质量的线索。
首先,查看所有迹线是否都在没有急剧弯曲的直线段中延伸。锐角对于某些高功率和高频走线可能很麻烦。
与其尝试确定哪些迹线可以接受90°弯曲,不如简单地避免它们。无论如何,可以设置大多数CAD PCB布局软件包来避免此问题。
请注意,有一些例外。一些印刷电感器是方形的同心螺旋形,一些印刷天线具有急剧的弯曲。但是,这两个都易于识别。
2 –去耦电容器
所有芯片需要电源才能正常工作,但是当发生什么电源一段距离从芯片需要电源了吗?在这些情况下,必须通过PCB走线(虽然通常通过内层上的PCB电源板)为芯片供电。
去耦电容器的位置非常靠近芯片的电源引脚,以滤除任何高频噪声,以免对芯片产生负面影响。
通常,如果一个芯片具有多个VDD引脚,则每个这样的引脚都需要至少一个去耦电容器,有时还需要更多。
这些去耦电容器的物理位置应非常靠近它们应该去耦的引脚。如果这没有发生,则其效果将大大降低。
如果您的PCB设计没有在大多数微芯片的电源引脚旁边放置去耦电容器,那么这说明设计不正确。
如果您雇用了某人来设计PCB,但他们没有正确处理去耦电容器,那么您应该找一名新设计师。
3 – PCB走线的长度均衡
在要求多个信号之间具有精确定时关系的设计中,PCB走线的长度必须匹配。例如,当将高速时钟信号路由到多个芯片或在微处理器和RAM 存储器之间运行的数据和地址总线时,这一点至关重要。
这样可以确保所有信号以相同的延迟到达目的地,从而保留了信号沿之间的关系。这需要访问原理图,并知道哪一组信号线需要精确的时序关系。
然后,按照走线查看是否已实现某种走线长度均衡(称为延迟线)。这些延迟线通常看起来像弯曲的线。
请注意,信号路径中的过孔会导致额外的延迟。如果无法避免这些问题,请检查所有需要精确时序关系的走线组是否具有相同数量的通孔。或者,您可以使用延迟线来补偿通孔引起的延迟。
4 –天线馈线
如果您的设计包括无线电发射器,接收器或收发器(发射器和接收器组合在一起),则它必须具有天线。
为了获得有效性能,RF芯片上射频(RF)引脚之间的馈线应与与其相连的馈线阻抗匹配。反过来,该馈线必须匹配天线的阻抗。
为了使天线与无线电芯片之间的功率传输最大化,此阻抗匹配是必需的。
任何不匹配都会导致实际传输功率的减小,从而减小工作范围。该馈线只是具有受控阻抗的PCB走线,该阻抗与天线阻抗(通常为50Ω)匹配。
如果变送器的输出阻抗与馈线的阻抗不匹配,则通常采用由电感器和电容器组成的匹配网络。
为了实现受控阻抗,馈线是PCB走线,其计算出的宽度在接地层上延伸。该走线的宽度取决于铜走线的厚度,PCB基板的厚度和介电常数。
有许多在线工具可用于计算给定铜厚度和基板材料所需的确切宽度,并且在实际的PCB中确认这种情况。我最喜欢的是可以从Broadcom下载的名为AppCad的免费软件。
如果天线是PCB天线,则应位于PCB电路板的一侧,没有任何接地平面。应该清除任何其他痕迹,并远离任何大型组件。
天线周围的丝网印刷标记通常很好,但是铜制标记(例如PCB编号或公司名称)会使天线失谐。
5 –元件放置
除了放置去耦电容器外,在电路板上放置元件还有其他一些注意事项。
这里有一些注意事项:
如果电路包含电感器,则不应将它们放置得太近。电感产生磁场。将它们紧密地放置在一起,尤其是首尾相连可能会导致它们之间不必要的耦合。
此外,电感器不应靠近大型金属物体放置。磁场会在这些物体中感应出电流,这会改变电感器的值。
环形或圆环形的电感器通常不易产生杂散磁场,因此其影响较小。如果无法避免将电感器靠近放置,则应将它们彼此垂直放置,以减少不必要的互耦合。
如果评估板中包含功率电阻器或任何有大量热量产生的组件,则需要考虑热量对附近其他组件的影响。
例如,如果电路中包含用于补偿环境温度影响的热敏电阻,则不应将其靠近任何功率电阻放置。温度补偿电容器也是如此。
如果电路包含板载开关稳压器,则与之相关的所有组件都应物理定位在PCB的一部分上,并尽可能远离处理小信号的部分。这些往往会产生很大的开关噪声,会对噪声敏感的电路部分产生负面影响。
如果PCB直接在电源部分上直接施加了交流电源,则交流侧应位于电路板的一部分上。
此外,PCB本身应具有物理屏障,以将AC与板的其余部分分隔开。通常,这是通过在PCB中有一个将两个部分分开的插槽来实现的。
6 –迹线宽度和布线
携带大电流的走线应适当调整大小。下图2显示了针对不同额定电流的IPC(印刷电路研究所)推荐走线(有时也称为走线)宽度:
由于噪声拾取问题,携带小模拟信号的走线不应与携带数字或快速变化信号的走线平行。
同样,一般来说,连接电感的走线不应超过所需宽度。它们可能像天线一样工作,并产生有害的射频发射。
7 –地面和地面
对于任何中等复杂的PCB,至少使用四层板,两层内层为电源和接地层。
如果设计同时包含模拟和数字部分,则应将接地层分开,并且仅在公共点(通常电源负极)处连接。这样可以避免来自数字部分的大接地电流尖峰对模拟部分产生不利影响。
如果仅使用两层,则每个子电路的接地回路走线应分开,然后将它们全部连接至电源负极端子。
如下图3所示,将任何子部分或IC的接地回路连接到公共接地回路中,使其返回电源负极,这是不好的设计。
这里的问题是PCB铜走线确实具有一定的电阻。因此,流经走线的电流将导致电压下降。在上面的示例中,走线最右端的芯片将看到其接地参考电压高于实际接地参考电压。
此外,它的接地将根据图中左侧所有芯片的返回电流而反弹。
结论
无论您是学习设计自己的PCB还是计划将其外包给电气工程师,都需要能够判断PCB设计的质量。如果您没有设计经验并且将PCB设计外包,那么请注意本文中突出显示的七个方面,以确定您的工程师是否值得您付钱。
实际上,如果他们不符合这七个标准中的任何一个,那么我建议您考虑寻找新设计师。另一方面,如果您要设计自己的PCB,请确保避免这些常见错误。
无论如何,在进行原型开发之前,由独立工程师进行完整的设计审查总是一个好主意。

2021-02-26
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