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PCBボードのレイアウト技術、スマートエンジニアの理解について
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PCBボードのレイアウト技術、スマートエンジニアの理解について

2022-09-20
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Author:iPCB

PCBボードは、Printed Circuit Boardとも呼ばれる。電子部品間の回路接続と機能実現を実現, また、電源回路設計の重要な部分でもある. 今日, この記事は基本的な規則を紹介します PCBボード レイアウトと配線.

PCBボード

1 .コンポーネントレイアウトの基本ルール

1)回路モジュールによるレイアウト,同一機能を実現する関連回路をモジュールと呼び,回路モジュールの構成要素は最寄りの濃度の原理を採用し,ディジタル回路とアナログ回路を同時に分離しなければならない。

2)位置決め穴や標準穴などの非取付穴の周りの部品や装置を1.27 mm以内にマウントしないで、ネジなどの取付穴の周りに3.5 mm(M 2.5用)と4 mm(M 3用)の部品を取り付けることはありません

3)ウエーブはんだ付け後のビアと部品シェル間の短絡を避けるために、水平に取り付けられた抵抗器、インダクタ(プラグイン)、および電解コンデンサのような部品の下にビアを配置することを避けること

4)部品の外側と基板の縁との距離は5 mmである。

5)装着された部品パッドの外側と隣接する実装部品の外側との間の距離は、2 mmより大きい。

6)金属シェル部品や金属部品(シールドボックスなど)は他の部品に触れることができず,印刷ラインやパッドに近接できず,2 mm以上の間隔である。プレートの位置決め穴、ファスナー取付穴、楕円穴および他の正方形穴のサイズは、プレートの端から3 mmより大きいです

7)発熱素子はワイヤ及び熱素子に近づけない。高発熱素子は均一に分配されるべきである

8)電源ソケットをできるだけプリント基板の周囲に配置し,パワーソケットに接続されたバスバー端子を同側に配置する。これらのソケットおよびコネクタのはんだ付けを容易にするために、パワーソケットおよび他のはんだ付けされたコネクタをコネクタの間に配置しないように注意しなければならない。電源ソケットの挿入および除去を容易にするために、パワーソケットおよび溶接コネクタの配置間隔を考慮すべきである

9)他の構成要素の配置:すべてのIC構成要素は一方的に整列しており、極性成分は明確に極性をもってマークされ、同一のプリント基板上の極性マークは2つ以上の方向であるべきではない。つの方向が現れるとき、2つの方向は互いに垂直です

10)基板上の配線は適切に高密度でなければならず、密度の差が大きすぎるとメッシュ銅箔で埋められ、メッシュサイズは8 mil(0.2 mm)より大きくなければならない

11)パッチパッドに貫通孔がないので、はんだペーストの損失を回避し、はんだ付けを行う。重要な信号線はソケットピンの間を通過することを許されません

12 )パッチを片側に揃え、文字方向を同じであり、パッケージング方向は同じである。

13)極性を有するデバイスについては、同一ボード上の極性マーキングの方向は、できるだけ一貫しているべきである。


コンポーネント配線規則

1)配線面積が、PCB基板の端部から1 mm以下の領域において、取付孔周囲の1 mm以内では、配線が禁止される。

2)電力線はできるだけ広くし、18ミル未満ではならない。信号線幅は12 mil未満ではならないCPU入出力線は10 mil以下( 8 mil )ではない線間隔は10ミル未満であるべきではない

3)通常のバイアホールは30ミル以上である。

デュアルインラインインラインパッド60ミル、アパーチャ40ミル1 / 4 Wの抵抗:51 * 55ミル(0805表面馬);インラインパッド62 mil、開口42 mil;無電極コンデンサ:51 * 55ミル(0805表面馬);インラインのとき、パッドは50ミルであり、開口は28ミルである

5)電源線と接地線はできるだけ放射状にすべきであり、信号線はループしてはならないことに留意されたい。


耐干渉性と電磁両立性の向上

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3.1以下のシステムは、反電磁干渉に特別な注意を払うべきです。

1)マイクロコントローラのクロック周波数が特に高く,バスサイクルが特に高速である。

2)システムは,火花発生リレー,高電流スイッチなどの高出力,高電流駆動回路を含む。

3)弱アナログ信号回路と高A/D変換回路を持つシステム


3.2は、システムの反電磁干渉能力を増やすために以下の処置をします:

1)低周波数のマイクロコントローラを選択する:低い外部クロック周波数を有するマイクロコントローラを選択することにより、効果的にノイズを低減し、システムの干渉防止能力を向上させることができる。方形波と同じ周波数の正弦波は、方形波の高周波成分は正弦波よりもはるかに多い。方形波の高周波成分の振幅は基本波の振幅よりも小さいが、周波数が高くなればなるほどノイズ源となりやすくなる。マイクロコントローラが発生する影響のある高周波ノイズは、クロック周波数の約3倍である。

2 )信号伝送における歪の低減

マイクロコントローラは主に高速cmos技術を用いて製造されている。信号入力端子の静的入力電流は約1 mAであり、入力容量は約10 pFであり、入力インピーダンスはかなり高く、高速CMOS回路の出力端子はかなりの負荷容量、すなわちかなりの出力値を有する。この反射問題は、入力端に比較的高い入力インピーダンスで長い線が導かれたときに非常に深刻であり、信号歪みを生じ、システムノイズを増加させる。tpd>trの場合,伝送線路問題となり,信号反射やインピーダンス整合などの問題を考慮する必要がある。プリント回路基板上の信号の遅延時間は、リード線の特性インピーダンス、すなわちプリント回路基板材料の誘電率に関連する。プリント基板リード上の信号の伝送速度は、光の速度の1/3〜1/2であると大まかに考えられる。マイクロコントローラで構成されるシステムにおける一般的な使用される論理電話コンポーネントのtr(標準遅延時間)は3〜18 nsである。プリント基板上では、7 Wの抵抗器と25 cm長のリード線を通過し、配線遅延時間は約4〜20 nsである。すなわち、プリント回路上の信号リードが短いほど、25 cmを超えてはならない。信号の立ち上がり時間が信号の遅延時間より速いとき、高速エレクトロニクスに従って処理される。このとき、伝送線路のインピーダンス整合を考慮する必要がある。プリント基板上の集積ブロック間の信号伝送にはtd>trdの状況を避ける必要がある。プリント回路基板が大きいほど、システムの速度が速くなる。

信号線間の交差干渉を低減する:A点の立ち上がり時間trを有するステップ信号をリードBを介してB端に伝送する。tdの幅のページパルス信号はtd時間後に誘起される。点Cでは、AB上の信号の送信及び反射により、AB線上の信号の遅延時間の2倍の幅を有する正のパルス信号、すなわち2 TDが誘起される。これは信号間のクロス干渉である。干渉信号の強度は、線間距離に関連する点Cの信号のdi/ATに関係する。つの信号線があまり長くないとき、ABで実際に見られるものは2つのパルスの重ね合わせです。cmosプロセスにより製造されたマイクロコントローラは,高い入力インピーダンス,高い雑音,高い雑音耐性を有する。デジタル回路は100〜200 mVのノイズを重畳し、それらの仕事に影響を与えません。図中のAB線がアナログ信号であるならば、この種の干渉は耐え難いものになる。例えば、プリント配線板が4層基板であり、一方が大面積グラウンド、両面基板である場合、信号線の裏面が大面積グランドである場合には、信号間のクロス干渉を低減することができる。その理由は、グランドの大面積が信号線の特性インピーダンスを低下させ、D端の信号の反射を大幅に低減するからである。特性インピーダンスは、信号線と接地との間の媒体の誘電率の二乗に反比例し、媒体の厚さの自然対数に比例する。AB線がアナログ信号である場合には、デジタル回路信号線CDのABへの干渉を避けるために、AB線の下にグランドの大きな面積が存在し、AB線からCDラインまでの距離は、AB線とグランドとの間の距離の2〜3倍より大きくなければならない。部分的なシールドを使用することができ、リード線を有する側のリードの左右両側に接地線が配置される。

4)電源からのノイズを低減する

システムにエネルギーを供給する間、電源はまた、供給されている電源にそのノイズを加える。回路のマイクロコントローラのリセットライン、割り込みラインおよび他の制御線は、外部ノイズによって、容易に妨げられる。グリッド上の強い障害は、電源を通じて回路に入り、バッテリ駆動システムであっても、バッテリ自体は高周波ノイズを有する。アナログ回路のアナログ信号は、電源からの干渉に対してより耐性がある。

5 )プリント回路基板及び部品の高周波特性に注目

高周波の場合、プリント回路基板上のリード、ビア、抵抗、コンデンサ、およびコネクタの分布インダクタンスおよびキャパシタンスは無視できない。コンデンサの分布インダクタンスは無視できず、インダクタの分布キャパシタンスは無視できない。抵抗は高周波信号の反射を生じ、リードの分布キャパシタンスは役割を果たす。長さがノイズ周波数の波長の1/20より大きい場合には、アンテナ効果が発生し、リード線にノイズが発生する。プリント基板のビアは、約0.6 pFの静電容量を引き起こす。集積回路自体のパッケージング材料は、2〜6 pFのキャパシタンスを導入する。520 nHの分布インダクタンスを持つ回路基板上のコネクタ4~18 nhの分散インダクタンスによるデュアルインライン24ピンICソケット。これらの小さな分布パラメータは、より低い周波数のマイクロコントローラシステムのこのラインに対しては無視できる高速システムには特に注意が必要である。

6 )部品配置は合理的に分割されるべきである

プリント基板上に配置される部品の位置は、完全に電磁干渉妨害の問題を考慮するべきである。原則の1つは、コンポーネント間のリードができるだけ短くなければならないということです。レイアウトでは、アナログ信号部分、高速デジタル回路部分、およびノイズ源部分(リレー、高電流スイッチなど)を合理的に分離し、それらの間の信号結合を行う。

G線接地線

プリント回路基板では,電源と接地線が重要である。電磁干渉を克服するために,主な手段は接地である。両面パネルではグランド配線が非常に特殊である。シングルポイント接地方式を採用することにより、電源とグランドとを電源の両端からプリント配線板に接続し、電源用の1接点とグランド用の1接点とを接続する。プリント基板上には複数のリターングランド線が必要であり、いわゆるシングルポイント接地であるリターン電源の接点上に集められる。アナロググランド、デジタルグラウンド、ハイパワーデバイスグラウンドのいわゆる分離は、配線が分離されていることを意味し、全てがこのグランドポイントに結合される。プリント配線板以外の信号に接続する場合には通常シールドケーブルが使用される。高周波信号とディジタル信号は、両端に接地されている。低周波アナログ信号用のシールドケーブルは一端に接地されるべきである。特に高周波ノイズであるノイズや干渉や回路に非常に敏感な回路は、金属カバーでシールドする必要がある。

7 )減結合コンデンサの利用

高周波数のデカップリングコンデンサは1 GHzまで高周波成分を除去できる。セラミックチップコンデンサまたは多層セラミックコンデンサは、より良い高周波特性を有する。プリント回路基板を設計する際には、各集積回路の電源とグランドとの間にデカップリングコンデンサを追加しなければならない。デカップリングコンデンサは2つの機能を有する。一方で、それは集積回路のエネルギー蓄積コンデンサであり、これはドアを開閉する瞬間に集積回路の充電および放電エネルギーを供給し、吸収する一方、デバイスの高周波ノイズをバイパスする。デジタル回路における典型的な減結合コンデンサは0.1μfである。デカップリングコンデンサは5 nhの分布インダクタンスを持ち,その並列共振周波数は約7 mhzであり,10 mhz以下の雑音に対して良好なデカップリング効果を有する。騒音はほとんど働かない。1 uf,10 ufコンデンサ,並列共振周波数は20 mhz以上であり,高周波雑音除去の効果は良好である。電力がボードに供給され、1 UFまたは10 UFの高周波コンデンサがしばしば有益である場合、バッテリ電力供給システムでさえもこれを必要とする。集積回路のすべての10個は、充放電コンデンサまたは貯蔵および放電キャパシタを追加し、コンデンサの大きさは10 UFである。電解コンデンサは使用していない。電解コンデンサは2層のpu膜で巻かれている。この巻上げ構造は、高周波数のインダクタンスとして働く。胆汁コンデンサまたはポリカーボネート・コンデンサを使ってください。デカップリングコンデンサ値の選択は厳密ではなく、C=1/Fによって計算することができるすなわち、10 MHzは0.1μFであり、マイクロコントローラで構成されるシステムでは0.1〜0.01μFとすることができる。


騒音・電磁妨害対策の経験

1)低速チップを使えば高速チップを必要としない。キーチップで高速チップを使用しています。

2)抵抗器を直列に接続することにより,制御回路の上下エッジの遷移速度を減少させることができる。

3)リレー等に何らかの減衰を与える。

4 )システム要件を満たす周波数クロックを使用する。

5)クロック発生器はクロックを用いた装置に可能な限り近くなければならず、水晶発振器の場合は接地しなければならない。

6)クロック線を接地線で囲み,クロック線をできるだけ短く保つ。

7)I/O駆動回路は可能な限りプリント基板の端部に近く、プリント基板をできるだけ早く残すようにする。プリント基板に入る信号をフィルタリングし、高ノイズ領域からの信号をフィルタリングする必要がある。同時に、信号の反射を低減するために直列端子抵抗の方法を使用する。

8 ) MCDの無駄な端をハイに接続するか、接地するか、出力端として定義しなければなりません。電源接地に接続されなければならない集積回路の端部は接続されなければならず、フローティングのままではならない。

9)使用しないゲート回路の入力端子をフロートしないで、使用しないオペアンプの正入力端子をグランドに接続し、出力端子に接続する。

10)プリント板は90倍のラインではなく45倍の線を使用し,高周波信号の外部発光と結合を低減する。

11)プリント板は周波数や電流のスイッチング特性によって分割され,ノイズ成分と非雑音成分との距離は遠くなければならない。

12)単一パネルと2重パネル,電源ライン,接地線の電源と単点接地への一点接続はできるだけ厚くなければならない。経済が余裕があるならば、電源と地面の容量性インダクタンスを減らすために多層ボードを使用してください。

13)クロック/バス/チップ選択信号をI/Oライン及びコネクタから遠ざける。

14)アナログ電圧入力ライン及び基準電圧端子は、デジタル回路信号線、特にクロックから可能な限り遠くになければならない。

15)A/D装置では、デジタル部とアナログ部を交差させるのではなく、統一する。

16)I/O線に垂直なクロックラインはパラレルI/Oラインよりも干渉が少なく、クロック成分ピンはI/Oケーブルから遠い。

17)部品ピンはできるだけ短くし、デカップルコンデンサピンはできるだけ短くすること。

18)キーラインはできるだけ厚くし,両側に保護地を加える。高速線は短くてまっすぐでなければなりません。

19)高電流,高速スイッチング線に平行してノイズに敏感なラインを走らない。

20)石英結晶の下でトレースノイズを発生しない。

21)弱信号回路は低周波回路周辺の電流ループを形成しない。

22)いかなる信号に対してもループを形成しないでください。

23)IC毎の1個のデカップリングコンデンサ。各々の電解コンデンサのそばに、小さい高周波バイパスコンデンサを加えなければなりません。

24) 回路充電及び放電エネルギー蓄積コンデンサとして電解コンデンサの代わりに大容量タンタルコンデンサまたは多冷却コンデンサを使用する。管状コンデンサの使用, ケースは接地されなければならない PCBボード.