1、第7章 电路板设计规范7.1 设计设计PCB前的准备前的准备7.2 设计流程设计流程7.1 设计设计PCB前的准备前的准备在设计电路板前，需完整无误地画出电路原理图，对原理图的要求有：(1)需保证原理图符号正确无误，建议使用国标符号，如为国际通用符号亦可，但必须完整表达元件意义，如在场效应管内部有续流二极管的则必须将该二极管和场效应管作为一个符号画出，不可只画一个场效应管代替，或者画一个场效应管和一个二极管，元件符号的正确画法如图7-1-1(a)所示，图7-1-1(b)和图7-1-1(c)的两种方法都是错误的，它无法准确描述一个元件。图7-1-1 元件符号的正确画法(2)需保证连线正确，特别是
2、交叉走线，在不该有接点的地方不可有接点，在该有的地方必须放置接点。需特别注意的是，新版本的Altium Designer软件会自动消除产生的节点，即在“T”字形连接处会自动产生节点，当在“T”字形节点处继续放置走线，使其形成“十”字形时，自动产生的节点会消除，而旧版本的Protel软件不存在该问题。在新版本软件中遇到这种情况时，需手工放置节点，即单击“放置”“手工接点”命令放置即可。(3)需保证使用封装正确，即使用能够购买到的元器件的封装，封装尽量使用软件库中自带的封装，如果没有，可使用第4章的方法设计，但必须保证设计的封装尺寸与数据手册中给的尺寸一致。(4)需保证元器件性能达到电路设计需要，
3、特别是特殊应用场合的电路，对元件的性能可能有特殊的要求，如军品中，对元器件的温度范围要求很宽，一般的商用元件无法达到其温度要求，即使其他性能没有问题，也不可使用。除了必须保证原理图正确无误外，还需考虑如下问题：(1)外壳设计问题：外壳的设计与元件的布局直接相关，在布局前，必须提供PCB大致布局图或重要单元、核心电路摆放位置。提供PCB图，应标明PCB外形、安装孔、定位元件、禁布区等相关信息。(2)电路中大电流问题：需考虑1A以上大电流元件及网络的布置、线宽、散热、阻抗、回路等问题。(3)重要信号问题：重要的时钟信号、差分信号以及高速数字信号的布局、布线的处理。模拟小信号等易被干扰信号的保护、放
4、大处理。(4)特殊布线问题：差分信号、需屏蔽网络、特性阻抗网络、等延时网络等电路的布线处理。(5)PCB特殊要求问题：特殊元件的禁止布线区、锡膏偏移、阻焊开窗以及其他结构的特殊要求。7.2 设设 计计 流流 程程7.2.1 规定元件的封装规定元件的封装(1)打开网络表，将所用封装浏览一遍，确保所有元件的封装都正确无误并且元件库中包含所有需要元件的封装，网络表中所有信息全部大写，以免导入出现问题。Protel软件在将原理图导入PCB时默认生成网络表,而Altium Designer软件会直接将原理图导入PCB，默认不生成网络表，如需查看，需要按照第3章的方法生成网络表。(2)标准元件全部采用统一
5、元件库中的封装，建议读者将已在其他设计中使用过准确无误的封装单独提取出，作为自己一个专用的元件库，在以后设计时采用，以免封装混杂而调出错误的封装。(3)设计单面板所使用元器件的封装，应考虑焊盘和过孔与双面板所使用封装的差异，笔者建议设计成不同的封装库，便于设计不同类型电路板时调用。(4)元件库中不存在的封装，应根据元件的DataSheet文件和实物设计封装，并以1:1的比例打印出与实物对比，保证设计正确。7.2.2 建立建立PCB(1)根据PCB图、外壳设计图或相应的模板建立PCB文件，包括安装孔、禁布区、元件高度限制区等相关信息。(2)尺寸标注。在钻孔层中应标明PCB的精确尺寸，且不可以形成
6、封闭尺寸标注，在电路板制作时允许有公差。(3)用于机器焊接的电路板，应留出机器焊接所需的边条，通常在电路板两边加宽至少3mm，如有需要可画出微裁线。(4)当电路板中需要铣槽时，需要考虑槽的宽度，且与电路板的板厚度相关，过细则无法铣出，建议与PCB厂家联系。(5)在需要放置特定元件的地方，画出标识，如按键、显示屏、功率元件等。7.2.3 载入网络表载入网络表(1)导入网络表并排除所有导入问题。常见的导入问题有：找不到元件封装，或找不到元件封装所在的位置。元件封装的引脚数与原理图元件引脚数不符。元件封装调用的不是想要的库里的封装，这是因为用户设计的封装与标准库的有差异，如本书设计的0603封装要比
7、库里的标准封装略大一些，这样便于手工焊接(机器焊接时，还是库里自带的封装比较好，焊锡饱满度较高)，而由于封装重名，原理图有默认调用库，如果找不到默认调用库，则会调用同一工程中打开的元件封装库。如果这两个库的封装存在差异，就可能会出错。(2)如果使用Altium Designer软件或Protel软件，网络表须载入两次以上，且两次均没有任何提示信息，才可以确认载入无误。因为在设计原理图库时，有可能将该元件某个引脚定义为连接到某个网络，而在原理图中又会连接其他网络，则在将原理图导入PCB图时，会来回更改，且无错误提示信息，需特别注意。常见的是74系列元件的电源和地引脚，在Altium Design
8、er软件提供的库中，默认接VCC和GND网络，如果在画电路原理图时，将该电源引脚接+5V，则就会存在上述问题，读者可亲自体验一下，加深理解。7.2.4 布局布局PCB(1)首先要确定参考点。一般参考点都设置在左边和底边的边框线的交点(或延长线的交点)或电路板的插件的第一个焊盘上。(2)当参考点被确定以后，元件布局、布线均以此参考点为准。布局推荐使用25mil的网格。(3)根据要求先将所有有定位要求的元件固定并锁定，如按键的位置，散热元件的位置，接插件的位置等。(4)布局的基本原则已在第5章中讲解，在此再简单总结一下：遵循先难后易、先大后小的原则。布局可以参考原理图的布局，根据信号流向规律放置主
9、要元件。连线应尽可能短，关键信号线最短。强信号、弱信号、高电压信号和弱电压信号要完全分开。高频元件的间隔要充分。模拟信号、数字信号分开。(5)相同结构电路部分应尽可能采取对称布局，便于查找对比。(6)按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准来优化布局。(7)同类型的元件应该在X或Y轴方向上一致。同一类型的有极性分立元件也要力争在X或Y轴方向上一致，以便于生产和调试。(8)元件的放置要便于调试和维修，大元件边上不能放置小元件，需要调试的元件周围应有足够的空间。发热元件应有足够的空间以利于散热。热敏元件应远离发热元件。(9)双列直插元件相互的距离要大于2mm。BGA与相邻元件距离大于5mm。阻容等小
10、体积贴片元件相互距离大于0.7mm。贴片元件焊盘外侧与相临插装元件焊盘外侧要大于2mm。压接元件周围5mm不可以放置插装元件。焊接面周围5mm内不可以放置贴装元件。(10)集成电路的去耦电容应尽量靠近芯片的电源脚，以最靠近高频电路为原则，使之与电源和地之间形成的回路最短。(11)旁路电容应均匀分布在集成电路周围。(12)在布局元件时，使用同一种电源的元件应尽量放在一起，以便于将来的电源分割。(13)用于阻抗匹配目的的阻容器件的放置，应根据其属性合理布局。对于多负载的终端匹配一定要放在信号的最远端进行匹配。(14)调整字符。所有字符不可以放置在焊盘上，要保证装配以后还可以清晰地看到字符信息。所有
11、字符在X或Y轴方向上应一致。字符、丝印大小要统一。(15)放置PCB的Mark点，便于机器贴装定位，对于多引脚的表贴元件，必须在其边上再放置一个Mark点，提高定位精度。(16)放置其他重要标志，如在电路板高压部分放置“”标志，提醒电路板调试维修人员注意安全。7.2.5 设置规则设置规则1层顺序的安排层顺序的安排在第6章中已讲解其安排方法，在此再提及几个常用排布技巧：(1)在高速数字电路中，电源与地层应尽量靠在一起，中间不安排布线。所有布线层都尽量靠近一个平面，优先选择地平面作为隔离层。(2)为了减少信号之间的干扰，相邻布线层信号走向应相互垂直，如果无法避免同一方向则应尽量避免相邻信号层同一方
12、向的信号重叠。(3)可以根据需求设置几个阻抗层，阻抗层要按要求标注清楚，注意参考层的选择，将所有有阻抗要求的信号安排在阻抗层上。2线宽和线间距的设置线宽和线间距的设置(1)当信号平均电流比较大时，需要考虑线宽与电流的关系，不同厚度、宽度的铜箔所允许流过的电流如表7-2-1所示。表7-2-1 不同厚度、不同宽度的铜箔所允许流过的电流表(2)信号线设定：单面板的密度越高越倾向于使用更细的线宽和更小的线间距。(3)电路工作电压：线间距的设置应考虑其介电强度。(4)在对可靠性要求较高时，应使用较宽的布线和较大的线间距。(5)有阻抗要求的信号线，应计算其线宽、线间距并选好参考层，且其压层顺序和层厚度一旦
13、定下来就不可以再更改。3过孔设置过孔设置(1)过孔焊盘与孔径的关系表如表7-2-2所示。表表7-2-2 过孔焊盘与孔径的关系表过孔焊盘与孔径的关系表(2)BGA表贴焊盘、过孔焊盘、过孔孔径的关系表如表7-2-3所示，更小节距的BGA，根据具体情况结合PCB厂家的生产工艺设定。表表7-2-3 BGA表贴焊盘、过孔焊盘、过孔孔径的关系表表贴焊盘、过孔焊盘、过孔孔径的关系表(3)盲孔和埋孔。盲孔是连接表层和内层而不贯穿的过孔，埋孔是内层与内层连接，而表层看不到的过孔。这两种过孔尺寸可以参照普通过孔来设置。应用盲孔和埋孔设计时应与PCB厂家取得联系，根据具体工艺要求来设定。(4)径厚比。电路板的板厚决
14、定了该板的最小过孔，板厚孔径比应小于10mil12mil。常见的电路板厚度与最小过孔的关系表如表7-2-4所示。表表7-2-4 电路板厚度与最小过孔的关系表电路板厚度与最小过孔的关系表4测试孔测试孔测试孔可以兼做导通孔使用，焊盘直径应不小于25mil，测试孔中心距应不小于50mil。测试孔应避免放置在芯片底下。5特殊布线规则设定特殊布线规则设定特殊布线规则设定主要是指某些特殊区域需要用到不同于一般设置的布线参数。如某些高密度元件需要用到较细的线宽、较小的线间距和较小的过孔，某些网络的布线参数需要调整等。在布线前需要将所有规则加以设置和确认。6平面的定义与分割平面的定义与分割(1)平面层一般用于
15、电路的电源层和地层(参考层),由于电路中可能用到不同的电源层和地层，需要对电源层和地层进行分隔，其分隔宽度要考虑不同电源之间的电位差，当电位差大于12V时，分隔宽度大于50mil；反之，可20mil25mil,对于小面积电路板(如内存条)，可以使用小到15mil宽的分割线。条件允许的情况下，分隔线应尽量地宽。(2)平面分隔要考虑高速信号回流路径的完整性。(3)当高速信号的回流路径遭到破坏时，应当在其他布线层给予补偿。例如，可用接地的铜箔将该信号网络包围，以提供信号的地回路。(4)平面分割后，要确认没有形成孤立的分割区域，实际有效区域应足够宽。7.2.6 PCB布线布线(1)布线优先次序有以下几
16、个原则：密度疏松原则：从印制板上连接关系简单的器件着手布线，从连线最疏松的区域开始布线。核心优先原则：例如，DDR、RAM等核心部分应优先布线，类似信号传输线应提供专用层、电源、地回路。其他次要信号要顾全整体，不可以与关键信号相抵触。关键信号线优先原则：电源、采样信号、保护信号、模拟小信号、高速信号、时钟信号和同步信号等关键信号优先布线。(2)尽量为时钟信号、高频信号、敏感信号等关键信号提供专门的布线层，并保证其最小的回路面积。应采取手工优先布线、屏蔽和加大安全间距等方法，保证信号质量。(3)电源层和地层之间的EMC环境较差，应避免布置对干扰敏感的信号。(4)有阻抗控制要求的网络应布置在阻抗控
17、制层上，相同阻抗的差分网络应采用相同的线宽和线间距。7.2.7 PCB布线的一般规则布线的一般规则1环路最小规则环路最小规则在布线时，信号线与其回路构成的环面积要尽可能小，如图7-2-1所示，环面积越小，对外的辐射越少，接收外界的干扰也越小。针对这一规则，在地平面分割时，要考虑到地平面与重要信号走线的分布，防止由于地平面开槽等带来的问题；在双层电路板设计中，在为电源留下足够空间的情况下，应该将留下的部分用参考地填充，且增加一些必要的过孔，将双面信号有效连接起来，对一些关键信号尽量采用地线隔离，对一些频率较高的设计，需特别考虑其地平面信号回路问题，建议采用多层电路板。图7-2-1 环路最小23W
18、规则规则为了减少线间串扰，应保证线间距足够大，当线中心距不少于3倍线宽时，则可保持70%的电场不互相干扰，称为3W规则，如图7-2-2所示。如要达到98%的电场不互相干扰，可使用10W规则。图7-2-2 3W规则3串扰控制串扰控制串扰是指PCB中不同网络之间因较长的平行布线引起的相互干扰，主要是由于平行线间的分布电容和分布电感的作用。克服串扰的主要措施是：(1)加大平行布线的间距，遵循3W规则。(2)在平行线间插入接地的隔离线。(3)减少布线层与地平面的距离。4屏蔽保护屏蔽保护屏蔽保护多用于一些比较重要的信号，如时钟信号、同步信号。对一些特别重要，频率特别高的信号，应该考虑采用同轴电缆屏蔽结构
19、设计，即将所布的线上下左右用地线隔离，而且还要考虑好如何有效地让屏蔽地与实际地平面结合，如图7-2-3所示。图7-2-3 屏蔽保护5走线方向控制规则走线方向控制规则相邻层的走线方向成正交结构，避免将不同的信号线在相邻层走成同一方向，以减少不必要的层间串扰；当由于板结构限制(如某些背板)而出现难以避免的情况，特别是信号速率较高时，应考虑用地平面隔离各布线层，用地信号线隔离各信号线。6走线的开环检查规则走线的开环检查规则一般不允许出现一端浮空的布线，主要是为了避免产生“天线效应”，减少不必要的干扰辐射和接收，否则可能带来不可预知的结果。7阻抗匹配检查规则阻抗匹配检查规则同一网络的布线宽度应保持一致
20、，线宽的变化会造成线路特性阻抗的不均匀，当传输的速度较高时会产生反射，在设计中应该尽量避免这种情况。在某些条件下，如接插件引出线、BGA封装的引出线等类似的结构时，可能无法避免线宽的变化，应该尽量减少中间不一致部分的有效长度。8走线闭环检查规则走线闭环检查规则防止信号线在不同层之间形成自环。在多层电路板设计中容易发生此类问题，自环将引起辐射干扰，如图7-2-4所示。图7-2-4 避免信号环路9走线最短规则走线最短规则在设计时应该让布线长度尽量短，以减少走线长度带来的干扰问题，特别是一些重要信号线，如时钟线，务必将其振荡器放在离器件很近的地方，如图7-2-5所示。对驱动多个器件的情况，应根据具体
21、情况决定采用何种网络拓扑结构。图7-2-5 走线长度控制10倒角规则倒角规则在PCB设计中应避免产生锐角和直角，防止产生不必要的辐射。所有线与线的夹角应不小于135，如图7-2-6所示。图7-2-6 走线倒角11器件去耦规则器件去耦规则(1)在电路板上增加必要的去耦电容，滤除电源上的干扰信号，使电源信号稳定，在多层电路板中，对去耦电容的位置一般要求不太高，但对于双层电路板，去耦电容的布局及电源的布线方式将直接影响到整个系统的稳定性，有时甚至关系到设计的成败，如图7-2-7所示。图7-2-7 去耦电容布置(2)在双层电路板设计中，一般应该使电流先经过滤波电容滤波再供器件使用，同时还要充分考虑到由
22、于器件产生的电源噪声对下游器件的影响。一般来说，采用总线结构设计比较好，在设计时还要考虑到由于传输距离过长而带来的电压跌落给器件造成的影响，必要时增加一些电源滤波环路，避免产生电位差。(3)在高速电路设计中，能否正确地使用去耦电容，关系到整个电路的稳定性。12滤波电容的配置规则滤波电容的配置规则(高速电路设计参考高速电路设计参考)(1)高频滤波电容的配置：小于10个输出的小规模集成电路，当工作频率不大于50MHz时，至少配接一个0.1mF的滤波电容；当工作频率不小于50MHz时，每个电源引脚配接一个0.1mF的滤波电容。对于中大规模集成电路，每个电源引脚应配接一个0.1mF的滤波电容。对电源引
23、脚冗余量较大的电路也可按输出引脚的个数计算配接电容的个数，每5个输出配接一个0.1mF的滤波电容。对没有有源器件的区域，每6mm2至少配接一个0.1mF的滤波电容。对于超高频电路，每个电源引脚配接一个1000pF的滤波电容。对电源引脚冗余量较大的电路也可按输出引脚的个数计算配接电容的个数，每5个输出配接一个1000pF的滤波电容。专用电路可参照数据手册推荐的滤波电容配置。对于有多种电源存在的电路或区域，应对每种电源分别按、和条配接滤波电容。高频滤波电容应尽可能靠近IC电路的电源引脚处。滤波电容引脚至需滤波IC芯片电源引脚的连线应采用不小于0.3mm的粗线连接，互连长度应不大于1.27mm。(2
24、)低频滤波电容的配置：每5个高频滤波电容至少配接一个10mF的低频滤波电容。每5个10mF的电容至少配接两个47mF的低频滤波电容。每100 mm2范围内，至少配接一个220mF或470mF的低频滤波电容。每个模块电源出口周围应至少配置两个220mF或470mF的电容，如果空间允许，应适当增加电容的配置数量。低频滤波电容应围绕被滤波的电路均匀放置。13器件布局分区器件布局分区/分层规则分层规则(1)主要是为了防止不同工作频率的模块之间的互相干扰，同时尽量缩短高频部分的布线长度，高速电路在最内部，用于处理高速信号，尽量减小对外干扰。(2)对混合电路，也有将模拟电路与数字电路分别布置在印制板的两面
25、，分别使用不同的层布线，中间用地层隔离的方式。14孤立铜区控制规则孤立铜区控制规则孤立铜区也称为铜岛，它的出现将带来一些不可预知的问题，因此将孤立铜区与别的信号相连(通常为地)，如图7-2-8所示，有助于改善信号质量。通常是将孤立铜区接地或删除。在实际的制作中，PCB厂家将一些板的空置部分增加了一些铜箔，这主要是为了方便电路板的加工，同时对防止电路板翘曲也有一定的作用。图7-2-8 孤立铜区接地15电源与地线层的完整性规则电源与地线层的完整性规则对于导通孔密集的区域，要注意避免孔在电源和地层的挖空区域相互连接，形成对平面层的分割，从而破坏平面层的完整性，导致信号线在地层的回路面积增大。16重叠
26、电源与地线层规则重叠电源与地线层规则不同电源层在空间上要避免重叠，主要是为了减少不同电源之间的干扰，特别是一些电压相差很大的电源之间，电源平面的重叠问题一定要设法避免，难以避免时可考虑在中间增加隔地层。1720H规则规则由于电源层与地层之间的电场是变化的，在印制板的边缘会向外辐射电磁干扰，称为边缘效应。可以将电源层内缩，使得电场只在地层的范围内传导。以一个H(电源层和地层之间的介质厚度)为单位，如果内缩20H则可以将70%的电场限制在接地边沿内；内缩100H则可以将98%的电场限制在内。20H规则如图7-2-9所示。图7-2-9 20H规则1855规则规则55规则是电路板层数选择规则，即时钟频
27、率到5MHz或脉冲上升时间小于5ns，则PCB必须采用多层电路板，这是一般的规则。有时候出于成本考虑，在采用双层电路板结构时，最好将电路板的一面作为一个完整的地平面。7.2.8 设计检查设计检查在电路板设计完成后，需做以下一些检查：(1)检查高频、高速、时钟及其他微弱信号线，是否回路面积最小、是否远离干扰源、是否有多余的过孔和绕线、是否有跨地层分割区。(2)检查是否有平行线过长，平行线是否尽量分开。(3)检查晶体、变压器、光耦、电源模块下是否有信号线穿过，应尽量避免在其下穿线，特别是在晶体下应尽量铺设接地的铜皮。(4)检查定位孔、定位件是否与结构图一致，SMT定位光标(元件定位Mark点)是否加上并符合工艺要求，具体工艺要求可与电路板焊接厂家联系。(5)检查器件的序号是否按从左到右、从下到上的顺序准确无误地摆放，并且无丝印覆盖焊盘；检查所标注的板号、版本号是否符合用户要求。(6)报告布线完成情况是否百分之百、是否有线头、是否有孤立的铜皮。(7)检查电源、地的分割是否正确，单点共地已进行正确处理。(8)规则检查，确认连接关系的正确，安全间距、元件间距是否达到要求。(9)以1 1比例打印PCB图，与实际元件比较，查看是否存在封装设计错误，元件摆放是否正确，高度与产品外壳是否相符等。(10)工艺审查中发现的问题，积极改进，并做好记录，避免同样的问题再次发生。
