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Dati PCB
Abilità di layout della scheda PCB, gli ingegneri intelligenti capiscono
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Abilità di layout della scheda PCB, gli ingegneri intelligenti capiscono

2022-09-20
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Author:iPCB

Scheda PCB, also known as printed circuit board (Printed Circuit Board), può realizzare la connessione del circuito e la realizzazione della funzione tra componenti elettronici, ed è anche una parte importante della progettazione del circuito di alimentazione. Oggi, Questo articolo introdurrà le regole di base di Scheda PCB layout e cablaggio.

Scheda PCB

1. Regole di base del layout dei componenti

1) Layout secondo il modulo del circuito, il circuito correlato che realizza la stessa funzione è chiamato modulo, i componenti nel modulo del circuito dovrebbero adottare il principio della concentrazione più vicina e il circuito digitale e il circuito analogico dovrebbero essere separati allo stesso tempo;

2) Non montare componenti e dispositivi entro 1.27mm intorno a fori non di montaggio come fori di posizionamento e fori standard, e non montare componenti entro 3.5mm (per M2.5) e 4mm (per M3) intorno a fori di montaggio come viti;

3) Evitare di posizionare i vias sotto i componenti come resistenze montate orizzontalmente, induttori (plug-in) e condensatori elettrolitici per evitare cortocircuiti tra i vias e il guscio del componente dopo la saldatura ad onda;

4) La distanza tra l'esterno del componente e il bordo della scheda è 5mm;

5) La distanza tra il lato esterno del cuscinetto del componente montato e il lato esterno del componente montato adiacente è maggiore di 2mm;

6) I componenti del guscio metallico e le parti metalliche (scatole di schermatura, ecc.) non possono toccare altri componenti e non possono essere vicini alle linee e ai pad stampati e la distanza dovrebbe essere maggiore di 2mm. La dimensione dei fori di posizionamento, dei fori di installazione del fermo, dei fori ellittici e degli altri fori quadrati nella piastra è maggiore di 3mm dal bordo della piastra;

7) L'elemento riscaldante non può essere vicino al filo e all'elemento termico; l'elemento ad alto riscaldamento dovrebbe essere distribuito uniformemente;

8) La presa di corrente dovrebbe essere disposta intorno alla scheda stampata il più possibile e i terminali della barra del bus collegati alla presa di corrente dovrebbero essere disposti sullo stesso lato. Particolare attenzione deve essere prestata a non disporre prese di corrente e altri connettori saldati tra i connettori, al fine di facilitare la saldatura di queste prese e connettori, nonché la progettazione e la legatura dei cavi di alimentazione. Per facilitare l'inserimento e la rimozione delle spine di alimentazione deve essere considerata la distanza di disposizione delle prese di alimentazione e dei connettori di saldatura;

9) Disposizione di altri componenti: tutti i componenti IC sono allineati unilateralmente, i componenti polari sono chiaramente contrassegnati con polarità e le marcature di polarità sulla stessa scheda stampata non dovrebbero essere più di due direzioni. Quando appaiono due direzioni, le due direzioni sono perpendicolari l'una all'altra.;

10) Il cablaggio sul bordo dovrebbe essere correttamente denso e quando la differenza di densità è troppo grande, dovrebbe essere riempito con foglio di rame mesh e la dimensione della maglia dovrebbe essere maggiore di 8mil (o 0,2mm);

11) Non ci dovrebbero essere fori passanti sui cuscinetti patch, in modo da evitare la perdita di pasta di saldatura e causare la saldatura dei componenti. Le linee di segnale importanti non sono permesse di passare tra i pin della presa;

12) La patch è allineata su un lato, la direzione del carattere è la stessa e la direzione dell'imballaggio è la stessa;

13) Per i dispositivi con polarità, la direzione della marcatura di polarità sulla stessa scheda dovrebbe essere il più coerente possibile.


2. Regole di cablaggio dei componenti

1) Nell'area in cui l'area di cablaggio è inferiore o uguale a 1mm dal bordo della scheda PCB ed entro 1mm intorno al foro di montaggio, il cablaggio è vietato;

2) La linea elettrica dovrebbe essere il più ampia possibile e non dovrebbe essere inferiore a 18mil; la larghezza della linea di segnale non deve essere inferiore a 12mil; le linee di ingresso e uscita della CPU non dovrebbero essere inferiori a 10mil (o 8mil); la distanza tra le linee non dovrebbe essere inferiore a 10mil;

3) Il foro via normale non è inferiore a 30mil;

4) Dual in-line: pad 60mil, apertura 40mil; Resistenza 1/4W: 51*55mil (supporto superficiale 0805); pad in linea 62mil, apertura 42mil; condensatore elettrodeless: 51 * 55mil (0805 supporto superficiale); Quando in linea, il pad è 50mil e l'apertura è 28mil;

5) Si noti che il cavo di alimentazione e il cavo di massa dovrebbero essere il più radiale possibile e il cavo di segnale non dovrebbe essere looped.


3. Come migliorare la capacità anti-interferenza e la compatibilità elettromagnetica

Come migliorare la capacità anti-interferenza e la compatibilità elettromagnetica quando si sviluppano prodotti elettronici con processori?

3.1 I seguenti sistemi dovrebbero prestare particolare attenzione alle interferenze elettromagnetiche:

1) Un sistema in cui la frequenza di clock del microcontrollore è particolarmente alta e il ciclo bus è particolarmente veloce.

2) Il sistema contiene circuiti di azionamento ad alta potenza, ad alta corrente, quali relè generatore di scintille, interruttori ad alta corrente, ecc.

3) Sistemi con circuiti di segnale analogico deboli e circuiti di conversione A/D elevati.


3.2 Adottare le seguenti misure per aumentare la capacità di interferenza elettromagnetica del sistema:

1) Selezionare un microcontrollore a bassa frequenza: selezionare un microcontrollore con una bassa frequenza esterna di clock può efficacemente ridurre il rumore e migliorare la capacità anti-interferenza del sistema. Onde quadrate e onde sinusoidali della stessa frequenza, i componenti ad alta frequenza nell'onda quadrata sono molto più dell'onda sinusoidale. Sebbene l'ampiezza della componente ad alta frequenza dell'onda quadrata sia inferiore a quella dell'onda fondamentale, maggiore è la frequenza, più facile è emettere e diventare una fonte di rumore. L'influente rumore ad alta frequenza generato dal microcontrollore è circa 3 volte la frequenza dell'orologio.

2) Ridurre la distorsione nella trasmissione del segnale

I microcontrollori sono fabbricati principalmente utilizzando la tecnologia CMOS ad alta velocità. La corrente di ingresso statica del terminale di ingresso del segnale è di circa 1mA, la capacità di ingresso è di circa 10PF, l'impedenza di ingresso è abbastanza alta e il terminale di uscita del circuito CMOS ad alta velocità ha una notevole capacità di carico, cioè un valore di uscita considerevole. Il problema di riflessione è molto grave quando la lunga linea è condotta all'estremità di ingresso con un'impedenza di ingresso relativamente elevata, che causerà distorsioni del segnale e aumenterà il rumore del sistema. Quando Tpd>Tr, diventa un problema della linea di trasmissione e problemi come la riflessione del segnale e la corrispondenza dell'impedenza devono essere considerati. Il tempo di ritardo del segnale sul circuito stampato è correlato all'impedenza caratteristica del cavo, cioè alla costante dielettrica del materiale del circuito stampato. Si può approssimativamente considerare che la velocità di trasmissione del segnale sui cavi stampati è di circa 1/3 a 1/2 della velocità della luce. Il Tr (tempo di ritardo standard) dei componenti telefonici logici comunemente usati in un sistema composto da microcontrollori è compreso tra 3 e 18ns. Sul circuito stampato, il segnale passa attraverso una resistenza 7W e un cavo lungo 25cm e il tempo di ritardo del cavo è approssimativamente tra 4 ~ 20ns. Vale a dire, più brevi sono i cavi del segnale sul circuito stampato, più a lungo non dovrebbe superare i 25cm. E il numero di vias dovrebbe essere il meno possibile, non più di 2. Quando il tempo di aumento del segnale è più veloce del tempo di ritardo del segnale, viene elaborato secondo elettronica veloce. In questo momento, si dovrebbe considerare la corrispondenza dell'impedenza della linea di trasmissione. Per la trasmissione del segnale tra i blocchi integrati su un circuito stampato, la situazione di Td>Trd dovrebbe essere evitata. Più grande è il circuito stampato, più veloce è la velocità del sistema.

3) Ridurre l'interferenza incrociata tra le linee del segnale: un segnale di passo con tempo di salita Tr al punto A viene trasmesso alla fine B attraverso il cavo AB. Il tempo di ritardo del segnale sulla linea AB è Td. Al punto D, a causa della trasmissione in avanti del segnale al punto A, la riflessione del segnale dopo aver raggiunto il punto B e il ritardo della linea AB, un segnale di impulso pagina con una larghezza di Tr sarà indotto dopo il tempo di Td. Al punto C, a causa della trasmissione e della riflessione del segnale su AB, viene indotto un segnale di impulso positivo con una larghezza del doppio del tempo di ritardo del segnale sulla linea AB, cioè 2Td. E' interferenza incrociata tra segnali. La forza del segnale interferente è correlata al di/at del segnale al punto C, che è correlata alla distanza tra le linee. Quando le due linee di segnale non sono molto lunghe, ciò che in realtà si vede su AB è la sovrapposizione di due impulsi. I microcontrollori fabbricati dal processo CMOS hanno un'elevata impedenza di ingresso, alto rumore e alta tolleranza al rumore. I circuiti digitali sono sovrapposti 100 ~ 200mv rumore e non influenzano il loro lavoro. Se la linea AB nella figura è un segnale analogico, questo tipo di interferenza diventa intollerabile. Ad esempio, quando il circuito stampato è una scheda a quattro strati, uno dei quali è un terreno di grande area, o una scheda bifacciale, quando il lato opposto della linea del segnale è un terreno di grande area, l'interferenza incrociata tra i segnali sarà ridotta. La ragione è che la grande area di terra riduce l'impedenza caratteristica della linea del segnale e la riflessione del segnale all'estremità D è notevolmente ridotta. L'impedenza caratteristica è inversamente proporzionale al quadrato della costante dielettrica del mezzo tra la linea del segnale e il terreno ed è proporzionale al logaritmo naturale dello spessore del mezzo. Se la linea AB è un segnale analogico, per evitare l'interferenza della linea di segnale del circuito digitale CD ad AB, ci dovrebbe essere una grande area di terra sotto la linea AB e la distanza dalla linea AB alla linea CD dovrebbe essere maggiore di 2 ~ 3 volte la distanza tra la linea AB e la terra. Può essere utilizzata una schermatura parziale e i fili di terra sono disposti sui lati sinistro e destro del cavo sul lato con la giunzione del cavo.

4) Ridurre il rumore dall'alimentazione elettrica

Mentre fornisce energia al sistema, l'alimentazione aggiunge anche il suo rumore all'alimentazione fornita. La linea di reset, la linea di interruzione e altre linee di controllo del microcontrollore nel circuito sono facilmente disturbate dal rumore esterno. Forti disturbi sulla rete entrano nel circuito attraverso l'alimentazione elettrica, e anche nei sistemi alimentati a batteria, la batteria stessa ha rumore ad alta frequenza. I segnali analogici nei circuiti analogici sono più resistenti alle interferenze provenienti da fonti di alimentazione.

5) Prestare attenzione alle caratteristiche ad alta frequenza dei circuiti stampati e dei componenti

In caso di alta frequenza, l'induttanza e la capacità distribuite dei cavi, dei vias, delle resistenze, dei condensatori e dei connettori sul circuito stampato non possono essere ignorate. L'induttanza distribuita del condensatore non può essere ignorata e la capacità distribuita dell'induttore non può essere ignorata. La resistenza produce la riflessione del segnale ad alta frequenza e la capacità distribuita del cavo giocherà un ruolo. Quando la lunghezza è maggiore di 1/20 della lunghezza d'onda corrispondente della frequenza del rumore, verrà generato un effetto antenna e il rumore sarà emesso attraverso il cavo. I vias del circuito stampato causano circa 0.6pf di capacità. Il materiale di imballaggio di un circuito integrato introduce la capacità di 2~6pf. Un connettore su un circuito stampato con un'induttanza distribuita di 520nH. Una doppia presa IC 24 pin in linea con induttanza distribuita 4~18nH. Questi piccoli parametri di distribuzione sono trascurabili per questa linea di sistemi microcontrollori a frequenze inferiori; occorre prestare particolare attenzione ai sistemi ad alta velocità.

6) Il layout dei componenti dovrebbe essere ragionevolmente partizionato

La posizione dei componenti disposti sul circuito stampato dovrebbe considerare pienamente il problema delle interferenze anti-elettromagnetiche. Uno dei principi è che i cavi tra i componenti devono essere il più brevi possibile. Nel layout, la parte del segnale analogico, la parte del circuito digitale ad alta velocità e la parte della sorgente di rumore (come i relè, gli interruttori ad alta corrente, ecc.) dovrebbero essere ragionevolmente separati, in modo che l'accoppiamento del segnale tra di loro sia .

G Gestire il filo di terra

Sui circuiti stampati, i cavi di alimentazione e di massa sono importanti. Per superare le interferenze elettromagnetiche, il mezzo principale è la messa a terra. Per il pannello bifacciale, il layout del filo di terra è molto particolare. Adottando il metodo di messa a terra a punto singolo, l'alimentazione elettrica e la terra sono collegati al circuito stampato da entrambe le estremità dell'alimentazione elettrica, con un contatto per l'alimentazione elettrica e un contatto per la terra. Sul circuito stampato, ci devono essere più fili di terra di ritorno e questi saranno raccolti al contatto dell'alimentatore di ritorno, che è la cosiddetta messa a terra a punto singolo. La cosiddetta separazione tra terra analogica, terra digitale e terra del dispositivo ad alta potenza significa che il cablaggio è separato e tutti sono riuniti in questo punto di terra. Quando si collega a segnali diversi dal circuito stampato, vengono solitamente utilizzati cavi schermati. Per segnali digitali e ad alta frequenza, il cavo schermato è messo a terra ad entrambe le estremità. I cavi schermati per segnali analogici a bassa frequenza devono essere messi a terra ad un'estremità. I circuiti che sono molto sensibili al rumore e alle interferenze o circuiti che sono particolarmente rumorosi ad alta frequenza dovrebbero essere schermati con un coperchio metallico.

7) Fare buon uso dei condensatori di disaccoppiamento

Un buon condensatore di disaccoppiamento ad alta frequenza può rimuovere componenti ad alta frequenza fino a 1GHZ. I condensatori ceramici del chip o i condensatori ceramici multistrato hanno migliori caratteristiche ad alta frequenza. Quando si progetta un circuito stampato, un condensatore di disaccoppiamento dovrebbe essere aggiunto tra l'alimentazione di ciascun circuito integrato e la terra. Il condensatore di disaccoppiamento ha due funzioni: da un lato, è il condensatore di accumulo di energia del circuito integrato, che fornisce e assorbe l'energia di carica e scarica del circuito integrato al momento dell'apertura e della chiusura della porta; d'altra parte, bypassa il rumore ad alta frequenza del dispositivo. Il condensatore di disaccoppiamento tipico nel circuito digitale è 0.1uf. Il condensatore di disaccoppiamento ha un'induttanza distribuita di 5nH e la sua frequenza di risonanza parallela è di circa 7MHz, il che significa che ha un buon effetto di disaccoppiamento per il rumore sotto 10MHz. Il rumore funziona a malapena. 1uf, condensatori 10uf, la frequenza di risonanza parallela è superiore a 20MHz, l'effetto di rimuovere il rumore ad alta frequenza è migliore. Dove l'alimentazione va alla scheda e un condensatore de-alta frequenza 1uf o 10uf è spesso utile, anche i sistemi alimentati a batteria lo richiedono. Ogni 10 pezzi di circuiti integrati dovrebbero aggiungere un condensatore di carica e scarica, o un condensatore di stoccaggio e scarico, e la dimensione del condensatore può essere 10uf. Non vengono utilizzati condensatori elettrolitici. I condensatori elettrolitici sono arrotolati con due strati di pellicola Pu. Questa struttura arrotolata si comporta come induttanza alle alte frequenze. Utilizzare condensatori biliari o condensatori in policarbonato. La selezione del valore del condensatore di disaccoppiamento non è rigorosa, può essere calcolata secondo C=1/f; Cioè, 10MHz richiede 0.1uf, e per il sistema composto da microcontrollore, può essere compreso tra 0.1 ~ 0.01uf.


3. Esperienza nella riduzione del rumore e delle interferenze elettromagnetiche.

1) Se è possibile utilizzare chip a bassa velocità, non avete bisogno di chip ad alta velocità. I chip ad alta velocità sono utilizzati nei luoghi chiave.

2) Un resistore può essere collegato in serie per ridurre la velocità di transizione dei bordi superiori e inferiori del circuito di controllo.

3) Prova a fornire qualche forma di smorzamento per relè ecc.

4) Utilizzare un orologio di frequenza che soddisfa i requisiti di sistema.

5) Il generatore di orologio dovrebbe essere il più vicino possibile al dispositivo utilizzando l'orologio e la cassa dell'oscillatore di cristallo di quarzo dovrebbe essere messa a terra.

6) Cerchiare l'area dell'orologio con un filo di terra e mantenere il cavo dell'orologio il più breve possibile.

7) Il circuito di azionamento I/O dovrebbe essere il più vicino possibile al bordo della scheda stampata e lasciare che lasci la scheda stampata il prima possibile. Il segnale che entra nella scheda stampata dovrebbe essere filtrato e anche il segnale dall'area ad alto rumore dovrebbe essere filtrato. Allo stesso tempo, il metodo di resistenza seriale del terminale dovrebbe essere utilizzato per ridurre la riflessione del segnale.

8) L'estremità inutile di MCD dovrebbe essere collegata ad alto, o messa a terra, o definita come un'estremità di uscita. L'estremità del circuito integrato che dovrebbe essere collegato alla terra dell'alimentazione elettrica dovrebbe essere collegata e non dovrebbe essere lasciata galleggiante.

9) Non galleggiare il terminale di ingresso del circuito gate che non è in uso, collegare il terminale di ingresso positivo dell'amplificatore operativo che non è in uso a terra e collegare il terminale di ingresso negativo al terminale di uscita.

10) Il bordo stampato dovrebbe cercare di utilizzare 45 linee pieghevoli invece di 90 linee pieghevoli per ridurre l'emissione esterna e l'accoppiamento dei segnali ad alta frequenza.

11) La scheda stampata è divisa in base alle caratteristiche di commutazione di frequenza e corrente e la distanza tra componenti di rumore e componenti non rumorosi dovrebbe essere più lontana.

12) Collegamento a punto singolo all'alimentazione elettrica e messa a terra a punto singolo per pannello singolo e doppio pannello, la linea elettrica e la linea di terra dovrebbero essere il più spessa possibile. Se l'economia può permetterselo, utilizzare una scheda multistrato per ridurre l'induttanza capacitiva dell'alimentazione elettrica e del terreno.

13) Tenere gli orologi, gli autobus e i segnali di selezione del chip lontano dalle linee di I/O e connettori.

14) La linea di ingresso di tensione analogica e il terminale di tensione di riferimento dovrebbero essere il più lontano possibile dalla linea di segnale del circuito digitale, in particolare dall'orologio.

15) Per i dispositivi A/D, la parte digitale e la parte analogica dovrebbero essere unificate piuttosto che incrociate.

16) La linea dell'orologio perpendicolare alla linea I/O ha meno interferenze rispetto alla linea I/O parallela e i pin del componente dell'orologio sono lontani dal cavo I/O.

17) I perni del componente dovrebbero essere il più corti possibile e i perni del condensatore di disaccoppiamento dovrebbero essere il più corti possibile.

18) Le linee chiave dovrebbero essere il più spesse possibile e terreno protettivo dovrebbe essere aggiunto su entrambi i lati. Le linee ad alta velocità dovrebbero essere corte e diritte.

19) Non eseguire linee sensibili al rumore in parallelo con linee di commutazione ad alta corrente e ad alta velocità.

20) Non eseguire tracce sotto cristalli di quarzo e sotto dispositivi sensibili al rumore.

21) I circuiti di segnale deboli, non formano circuiti di corrente intorno ai circuiti a bassa frequenza.

22) Non formare un loop per alcun segnale, se è inevitabile, rendere l'area loop il più piccolo possibile.

23) Un condensatore di disaccoppiamento per IC. Un piccolo condensatore bypass ad alta frequenza dovrebbe essere aggiunto accanto a ciascun condensatore elettrolitico.

24) Use large-capacity tantalum capacitors or polycooled capacitors instead of electrolytic capacitors as circuit charging and discharging energy storage capacitors. Quando si utilizzano condensatori tubolari, il caso dovrebbe essere fondato su Scheda PCB.