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设计电路板需要哪些知识?简述基本操作步骤    2022-09-23

         PCB板就是PrintedCircuitBlock,即印制电路板,供电子组件安插,有线路的基版。通过使用印刷方式将镀铜的基版印上防蚀线路,并加以蚀刻冲洗出线路。电路板的工作原理相信大家都很了解:利用基板绝缘材料,将表面铜箔导电层隔离开,让电流能沿着提前设计好的路线中游走在各种元器件中,从而实现诸如做功、放大、衰减、调制、解调、编码等功能。本文收集整理了一些设计电路板的相关资料,期望能对各位读者有比较大的参阅价值。

1.电容相关知识:

铝电解电容的容量大,额定电压高,但适应工作温度环境较差,适合低频滤波的场合;

钽电容具有较好的温度特性,具有较小的ESR和ESL,高频滤波特性较好,但其承受冲击电流的能力不行,一般在设计中要降额50%以上使用;

陶瓷电容具有体积小、价格低和稳定性好的优点,广泛用于电源的高频滤波中,其容值较小,当需要大容值的电容时,需要考虑其他电容的类别。

电容的去耦存在去耦半径的问题:容值与封装越小,其去耦半径越小。在PCB布局时,为保证小封装小电容对电源的有效去耦,电容应尽量靠近要去耦的电源引脚放置;容值与封装越大,其去耦半径越大,可以对较大区域的电源进行有效去耦,在大封装大容值的去耦电容布局时,可以同时管控多个电源引脚的去耦。

2.电感相关知识:

电感在电路设计中的特性主要表现为:滤除高频谐波,通直流、阻交流;阻碍电流的变化,保持器件工作电流的稳定。

在进行电感选型时需要核对的电感参数有电感值、直流电阻、额定电流和自谐振频率(Q值最大的频率)

一般电感值越大,对应的直流电阻越大;电感值越大,对应的谐振频率越小;电感值越大,对应的额定电流越小。

3.磁珠相关知识:

磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰还具有吸收静电脉冲的能力.

磁珠在转折点频率以下,表现为电感性,反射噪声;在转折点频率以上,磁珠表现为电阻性,磁珠吸收噪声并转换为热能。

电感与磁珠的不同点:

1)处理噪声的方式不同。电感和电容可以组成LC低通滤波电路,电容在电感和地之间构建一个低阻抗的路径,让高频噪声通过低阻抗路径将噪声导到地平面上。在LC低通滤波电路中,电感在处理噪声时,没有从根本上清除噪声;磁珠处理噪声的方式是在低频时,磁珠表现为感性,反射噪声,在高频时电阻特性为主要特性,磁珠中的电阻吸收高频噪声并转换为热能,能够从根本上消除噪声。

2)自身是否产生危害的影响。电感与电容组成LC滤波电路时,因为LC都是储能元件,所以两者可能会产生自激,给电路带来影响;而磁珠是耗能元件,自身不会自激,不会给电路带来噪声的影响。

3)滤波的频率范围不同。电感在不超过50MHz的低频段时,就有较好的滤波特性,频率再高时,滤波效果不好;而磁珠利用其呈现出来的电阻特性吸收高频噪声,滤波的频率范围要远大于磁珠。

4)器件直流压降的不同。电感与磁珠都有直流电阻,同样级别的滤波器,磁珠的直流电阻要小于电感,磁珠的压降也就小于同级别电感的压降。

4.ESD

在进行PCB设计时,要考虑ESD的防护,在走线时应遵循横平竖直的走线方向,空间允许时走线应尽量加粗;在PCB的边缘不要布置对噪声敏感的信号,如时钟信号、复位信号等;当PCB由多层构成时,敏感走线尽可能要有良好的参考地平面;对于滤波器、光耦合器、弱信号走线,应尽可能加大走线之间的距离;长距离的走线需要进行滤波处理;根据ESD的防护,应适当增加屏蔽罩。

ESD对接口与保护可以遵循如下设计规则:

1)一般电源防雷保护器件的顺序是压敏电阻、熔丝、抑制二极管、EMI滤波器、电感或共模电感,对于原理图缺失上面任意器件的则顺延布局。

2)一般接口信号保护器件的顺序是ESD(TVS管)、隔离变压器、共模电感、电容和电阻,对于原理图缺失上面任意器件的则顺延布局。

3)严格按照原理图的顺序进行“一字形”布局

4)电平变换芯片要靠近连接器放置。

5)易受ESD干扰的器件,如NMOS和CMOS器件等,应判断是否已尽量远离易受ESD干扰的区域(如单板的边缘)。

6)浪涌抑制器件(TVS管、压敏电阻)对应的信号走线在表层应短且粗(一般距离在10mil以上)

7)不同接口之间的走线要清晰,不要互相交叉,接口线到所连接的保护和滤波器件距离要尽量短,接口线必须经过保护或滤波器件再到信号接收芯片。

8)接口器件的固定孔要接到保护地上,连接到机壳的定位孔、扳手要直接接到信号地。

9)变压器、光耦合器等器件输入与输出信号的地要分开。

5.PCB散热处理

一些发热大的器件,一般会有专用的散热焊盘,要适当在散热焊盘上添加过孔,为利于散热,散热用的过孔都要做阻焊开窗处理。

6.PCB板框

无论是布局、布线还是内层平面的敷铜处理,相对板框都要内缩一定距离,内缩的尺寸可以依据设计的要求进行选择,如无特殊说明,敷铜时相对板框内缩0.5mm即可。

四层板设计,若中间两层为电源层和地层,要设置内缩,从而减少电磁辐射。

在实际的PCB设计中,走线主要有两种模型:微带线和带状线。微带线是走在电路板顶层或者底层的信号线,带状线是走在电路板内层的信号线。

蛇形线会破环信号质量,改变传输延时,因此布线时要尽量避免使用。但在实际设计中,为了保证信号有足够的保持时间,或为了减少同组信号之间的时间偏移,往往不得不故意进行绕线。信号在蛇形线上传输时,相互平行的线段之间会发生耦合,呈差模形式,S越小,Lp越大,则耦合程度也越大,可能会导致传输延时减小,以及由于串扰而大大降低信号的质量。

关于处理蛇形线时的几点建议:

1)尽量增加平行线段的距离(S),至少大于3H,H指信号走线到参考平面的距离。通俗地说就是绕大弯走线,只要S足够大,就几乎能完全避免相互的耦合效应。

2)减小耦合长度Lp,当两倍的Lp延时接近或超过信号上升时间时,产生的串扰将达到饱和。

3)带状线或埋式微带线的蛇形线引起的信号传输延时小于微带线。理论上,带状线不会因为差模串扰影响传输速率。

4)高速及对时序要求较为严格的信号线,尽量不要走蛇形线,尤其不能在小范围内蜿蜒走线。

5)在空间允许的情况下,可以采用任意角度的蛇形走线,能有效减少相互间的耦合。

6)高速PCB设计中,蛇形线没有所谓滤波或抗干扰的能力,只可能降低信号质量,因此只做时序匹配之用而无其他目的

7)有时可以考虑螺旋走线的方式进行绕线,仿真表明,其效果要优于正常的蛇形走线。

8)蛇形走线的转角采用45°转角或圆形转角。

在最基本的PCB电路板上,零件基本集中在一侧,导线集中在另一侧。由于导线只出现在一侧,这种PCB被称为单面板。多层板,多层有导线,必须在两层之间有适当的电路连接。电路之间的桥梁叫作导孔(via)。电路板的基本设计过程可分为以下四个步骤:

1)电路原理图的设计---电路原理图的设计主要是利用ProtelDXP的原理图编辑器来绘制原理图。

2)生成网络报表——网络报表:显示电路原理与电路中各个元器件之间的连接关系。它是电路原理图设计和电路板设计之间的桥梁和纽带。通过电路原理图的网络报表,可以快速找到元件之间的连接,为以后的PCB设计提供方便。

3)印刷电路板的设计---印刷电路板的设计即我们通常所说的PCB设计,它是电路原理图转化成的最终形式,这部分的相关设计较电路原理图的设计有较大的难度,我们可以借助ProtelDXP的强大设计功能完成这一部分的设计。

4)生成印刷电路板报表——印刷电路板设计完成后,还有最后一道工序需要完成,那就是生成报表:电路板信息报表、生成引脚报表、网络状态报表等,最后打印印刷电路图。

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以上就是电路板的工作原理和设计步骤哦!希望可以给您提供一些帮助!