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硬件开发

电路板可靠性设计

2020-03-26

一、PCB设计前准备

1.未用引脚的处理

对于未用的与门(包括与非门)引脚,可采取如下措施:

(1)当电路工作频率不高时,可悬空(视为高电平,但不允许带长开路线)。

(2)对TTL电路,当电源电压不超过5.5V时,直接与电源VCC相连。优点是无须增加额外的元器件,缺点是当电源电路出现故障,如电压大于5.5V时,可能损坏与电源相连的与非门电路芯片的输入级。

(3)将所有未用输人端连在一起,并通过4.7千欧电阻(对于TTL电路)或100千欧电阻(对于CMOS电路)接至电源VDD。

(4)当前级驱动能力足够时,将多余的未用引脚与已用输入引脚并联。

(5)对于未用的或门(包括或非门)引脚,一律接地。

2.未用单元电路输入引脚的处理

在印制板设计时,最容易忽略未用单元电路输入端的处理(因为原理图中没有给出)。尽管它不影响电路的功能,但却增加系统的功耗,并可能带来潜在的干扰,应根据电路种类、功能将其输入端接地或电源VCC(VDD)。

为降低功耗,并避免输入端因感应电压造成输出逻辑变化,带来潜在干扰,未用与非门(包括反相器)单元电路的输人端必须有一个接地(其他可悬空);未用或非门单元电路的所有输入端需全部接地;比较器反相输入端接地。总之,尽可能使未用单元输出高电压。此外,对于TTL电路来说,输出级截止也有利于降低芯片整体功耗。只有未用与门、或门单元电路的输入端可以悬空。但在干扰严重的系统中,最好将未用的T TL与门电路所有输入端连接在一起,并通过2.0k.Q~4.7k.O电阻接电源VCC(但对于或门来说,只要一个输入端接高电平即可);将未用的CMOS与门电路所有输入端连接在一起,并通过100kf~~1M I'~电阻接电源VCC(或直接连接电源VCC)。

3.去耦电容配置

在直流电源回路中,负载的变化会引起电源噪声。例如在数字电路中,当电路从一个状态转换为另一种状态时,就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流,形成瞬变的噪声电压。配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声,是印制电路板可靠性设计的一种常规做法,配置原则如下:

(1)电源输入端跨接一个10uF~100uF的电解电容器,如果印制电路板的位置允许,采用100gF以上的电解电容器的抗干扰效果会更好。

(2)为每个集成电路芯片配置一个0.01uF的陶瓷电容器。如遇到印制电路板空间小而装不下时,可每4~10个芯片配置一个lu~10uF钽电解电容器,这种器件的高频阻抗特别小,在500kHz~20MHz范围内阻抗小于10,而且漏电流很小(0.5uA以下)。

(3)对于噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和ROM、RAM等存储型器件,应在芯片的电源线(VCC)和地线(GND)间直接接入去耦电容。

(4)去耦电容的引线不能过长,特别是高频旁路电容不能带引线。

二、印制电路板的尺寸与布局原则

印制电路板大小要适中,尺寸一般控制在长度100mm~400mm之间,宽度在80mm~220mm之间,过大不易控制板的变形,且过大时印制线条长,阻抗增加,抗噪声能力下降,成本也高。过小则要采用拼板设计以提高生产效率,且散热不好,同时易受临近线条干扰。在满足空间布局与线路的前提下,力求印制电路板形状规则简单。最好能做成长宽比例不太悬殊的长方形,最佳长宽比参考为3:2或4:3。

印制电路板的布局应遵循以下原则:

(1)距板边距离应大于5mm。

(2)先放置与结构关系密切的元件,如接插件、开关、电源插座等。

(3)优先摆放电路功能块的核心元件及体积较大的元器件,再以核心元件为中心摆放周围电路元器件。

(4)功率大的元件摆放在利于散热的位置上,如采用风扇散热,放在空气的主流通道上;若采用传导散热,应放在靠近机箱导槽的位置。

(5)质量较大的元器件应避免放在板的中心,应靠近板在机箱中的固定边放置。

(6)有高频连线的元件尽可能靠近,以减少高频信号的分布参数和电磁干扰。

(7)输入、输出元件尽量远离。

(8)带高电压的元器件应尽量放在调试时手不易触及的地方。

(9)热敏元件应远离发热元件。

(10)可调元件的布局应便于调节。如跳线、可变电容、电位器等。

(11)考虑信号流向,合理安排布局,使信号流向尽可能保持一致。

(12)布局应均匀、整齐、紧凑。

(13)表贴元件布局时应注意焊盘方向尽量取一致,以利于装焊,减少桥连的可能。

(14)去耦电容应在电源输入端就近放置。

三、电路板的地线设计

在电子设备中,接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用,可解决大部分干扰问题。电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地(逻辑地)和模拟地等。在地线设计中应注意以下几点:

(1)正确选择单点接地与多点接地:低频电路中,信号的工作频率小于1MHz,它的布线和器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对干扰影响较大,因而应采用单点接地。当信号工作频率大于10MHz时,地线阻抗变得很大,此时应尽量降低地线阻抗,应采用就近多点接地。当工作频率在1MHz~10MHz时,如果采用一点接地,其地线长度不应超过波长的1/20,否则应采用多点接地法。

(2)将数字电路与模拟电路分开:电路板上既有高速逻辑电路,又有线性电路,应使它们尽量分开,而两者的地线不要相混,分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接地面积。

(3)尽量加粗接地线:若接地线很细,接地电位则随电流的变化而变化,致使电子设备的定时信号电平不稳,抗噪声性能变坏。因此应将接地线尽量加粗,使它能通过三倍于印制电路板的允许电流。如有可能,接地线的宽度应大于3mm。

(4)将接地线构成闭环路:设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时,将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声能力。其原因在于:印制电路板上有很多集成电路元件,尤其遇有耗电多的元件时,因受接地线粗细的限制,会在地结上产生较大的电位差,引起抗噪声能力下降,若将接地结构成环路,则会缩小电位差值,提高电子设备的抗噪声能力。

四、PCB电磁兼容性设计

PCB的电磁兼容性设计是解决电磁兼容性问题的一个重要措施。它可以使PCB板上的各部分电路相互间无干扰,都能正常工作;可以使PCB对外的传导发射和辐射发射尽可能降低,达到要求标准;可以使外部传导干扰和辐射干扰对印制板上的电路基本无影响。电磁兼容设计的一些基本原则如下:

1.选择合理的导线宽度

由于瞬变电流在印制线条上所产生的冲击干扰主要是由印制导线的电感成分造成的,因此应尽量减小印制导线的电感量。印制导线的电感量与其长度成正比,与其宽度成反比,因而短而精的导线对抑制干扰是有利的。

2.采用正确的PCB布线策略

在PCB布线中增强电磁兼容性不仅不会给产品带来附加费用,而且会减少干扰和提高抗扰度。良好的布线习惯是经济有效的电磁兼容控制方法。布线的一些基本原则如下:

(1)线应避免锐角、直角,采用45。走线。(2)相邻层信号线为正交方向。(3)高频信号尽可能短。(4)输入、输出信号尽量避免相邻平行走线,最好在线问加地线,以防反馈耦合。(5)双面板电源线、地线的走向最好与数据流向一致,以增强抗噪声能力。(6)数字地、模拟地要分开,对低频电路,地应尽量采用单点并联接地;高频电路宜采用多点串联接地。对于数字电路,地线应闭合成环路,以提高抗噪声能力。(7)对于时钟线和高频信号线要根据其特性阻抗要求考虑线宽,做到阻抗匹配。(8)整块线路板布线、打孔要均匀,避免出现明显的疏密不均的情况。当印制板的外层信号有大片空白区域时,应加辅助线使板面金属线分布基本平衡。

3.抑制反射干扰

为了抑制出现在印制线条终端的反射干扰,除了特殊需要之外,应尽可能缩短印制线的长度和采用慢速电路。必要时可加终端匹配,即在传输线的末端对地和电源端各加接一个相同阻值的匹配电阻。匹配电阻的阻值应根据集成电路的输出驱动电流及吸收电流的最大值来决定。

五、印刷电路板的热设计

从有利于散热的角度出发,印制板最好是直立安装,板与板之间的距离一般不应小于2 cm,而且器件在印制板上的排列方式应遵循一定的规则:

(1)对于采用自由对流空气冷却的设备,最好是将集成电路(或其它器件)按纵向方式排列,对于采用强制空气冷却的设备,最好是将集成电路(或其它器件)按横向方式排列。

(2)同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列,发热量小或耐热性差的器件(如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等)放在冷却气流的最上游(入口处),发热量大或耐热性好的器件(如功率晶体管、大规模集成电路等)放在冷却气流最下游。

(3)在水平方向上,大功率器件尽量靠近印制板边沿布置,以便缩短传热路径;在垂直方向上,大功率器件尽量靠近印制板上方布置,以便减少这些器件工作时对其它器件的温度影响。

(4)对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域(如设备的底部),千万不要将它放在发热器件的正上方,多个器件最好是在水平面上交错布局。

(5)设备内印制板的散热主要依靠空气流动,所以在设计时要研究空气流动路径,合理配置器件或印制电路板。空气流动时总是趋向于阻力小的地方,昕以在印制电路板上配置器件时,要避免在某个区域留有较大的空域。

总结

印制电路板的可靠性设计是整个印制电路板好坏的关键,在进行电路设计时必须从多个角度、多个方面进行考虑,考虑了以上诸项因素,才能有效地设计出合理而满意的印制电路板。

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