线路板设计注意事项,让你少走弯路

PCB设计的ESD抑止准则PCB布线是ESD防护的一个关键要素，合理的PCB设计可以减少故障检查及返工所带来的不必要成本。在PCB设计中，由于采用了瞬态电压抑止器(TVS)二极管来抑止因ESD放电产生的直接电荷注入，因此PCB设计中更重要的是克服放电电流产生的电磁干扰(EMI)电磁场效应。本文将提供可以优化ESD防护的PCB设计准则。电路环路电流通过感应进入到电路环路，这些环路是封闭的，并具有变化的磁通量。电流的幅度与环的面积成正比。较大的环路包含有较多的磁通量，因而在电路中感应出较强的电流。因此，必须减少环路面积。最常见的环路如图1所示，由电源和地线所形成。在可能的条件下，可以采用具有电源及接地层的多层PCB设计。多层电路板不仅将电源和接地间的回路面积减到最小，而且也减小了ESD脉冲产生的高频EMI电磁场。如果不能采用多层电路板，那么用于电源线和接地的线必须连接成如图2所示的网格状。网格连接可以起到电源和接地层的作用，用过孔连接各层的印制线，在每个方向上过孔连接间隔应该在6厘米内。另外，在布线时，将电源和接地印制线尽可能靠近也可以降低环路面积，如图3所示。减少环路面积及感应电流的另一个方法是减小互连器件间的平行通路，见图4。当必须采用长于30厘米的信号连接线时，可以采用保护线，如图5所示。一个更好的办法是在信号线附近放置地层。信号线应该距保护线或接地线层13毫米以内。如图6所示，将每个敏感元件的长信号线(30厘米)或电源线与其接地线进行交叉布置。交叉的连线必须从上到下或从左到右的规则间隔布置。电路连线长度长的信号线也可成为接收ESD脉冲能量的天线，尽量使用较短信号线可以降低信号线作为接收ESD电磁场天线的效率。尽量将互连的器件放在相邻位置，以减少互连的印制线长度。地电荷注入ESD对地线层的直接放电可能损坏敏感电路。在使用TVS二极管的同时还要使用一个或多个高频旁路电容器，这些电容器放置在易损元件的电源和地之间。旁路电容减少了电荷注入，保持了电源与接地端口的电压差。TVS使感应电流分流，保持TVS钳位电压的电位差。TVS及电容器应放在距被保护的IC尽可能近的位置(见图7)，要确保TVS到地通路以及电容器管脚长度为最短，以减少寄生电感效应。连接器必须安装到PCB上的铜箔层。理想情况下，铜箔层必须与PCB的接地层隔离，通过短线与焊盘连接。PCB设计的其它准则1.避免在PCB边缘安排重要的信号线，如时钟和复位信号等；2.将PCB上未使用的部分设置为接地面；3.机壳地线与信号线间隔至少为4毫米；4.保持机壳地线的长宽比小于5:1，以减少电感效应；5.用TVS二极管来保护所有的外部连接；保护电路中的寄生电感TVS二极管通路中的寄生电感在发生ESD事件时会产生严重的电压过冲。尽管使用了TVS二极管，由于在电感负载两端的感应电压VL=L×di/dt，过高的过冲电压仍然可能超过被保护IC的损坏电压阈值。保护电路承受的总电压是TVS二极管钳位电压与寄生电感产生的电压之和，VT=VC+VL。一个ESD瞬态感应电流在小于1ns的时间内就能达到峰值(依据IEC61000-4-2标准)，假定引线电感为每英寸20nH，线长为四分之一英寸，过冲电压将是50V/10A的脉冲。经验设计准则是将分流通路设计得尽可能短，以此减少寄生电感效应。所有的电感性通路必须考虑采用接地回路，TVS与被保护信号线之间的通路，以及连接器到TVS器件的通路。被保护的信号线应该直接连接到接地面，若无接地面，则接地回路的连线应尽可能短。TVS二极管的接地和被保护电路的接地点之间的距离应尽可能短，以减少接地平面的寄生电感。最后，TVS器件应该尽可能靠近连接器以减少进入附近线路的瞬态耦合。虽然没有到达连接器的直接通路，但这种二次辐射效应也会导致电路板其它部分的工作紊乱。2PCB布线是ESD防护的一个关键要素，合理的PCB设计可以减少故障检查及返工所带来的不必要成本。在PCB设计中，由于采用了瞬态电压抑止器(TVS)二极管来抑止因ESD放电产生的直接电荷注入，因此PCB设计中更重要的是克服放电电流产生的电磁干扰(EMI)电磁场效应。本文将提供可以优化ESD防护的PCB设计准则。电路环路电流通过感应进入到电路环路，这些环路是封闭的，并具有变化的磁通量。电流的幅度与环的面积成正比。较大的环路包含有较多的磁通量，因而在电路中感应出较强的电流。因此，必须减少环路面积。最常见的环路如图1所示，由电源和地线所形成。在可能的条件下，可以采用具有电源及接地层的多层PCB设计。多层电路板不仅将电源和接地间的回路面积减到最小，而且也减小了ESD脉冲产生的高频EMI电磁场。如果不能采用多层电路板，那么用于电源线和接地的线必须连接成如图2所示的网格状。网格连接可以起到电源和接地层的作用，用过孔连接各层的印制线，在每个方向上过孔连接间隔应该在6厘米内。另外，在布线时，将电源和接地印制线尽可能靠近也可以降低环路面积，如图3所示。减少环路面积及感应电流的另一个方法是减小互连器件间的平行通路，见图4。当必须采用长于30厘米的信号连接线时，可以采用保护线，如图5所示。一个更好的办法是在信号线附近放置地层。信号线应该距保护线或接地线层13毫米以内。如图6所示，将每个敏感元件的长信号线(30厘米)或电源线与其接地线进行交叉布置。交叉的连线必须从上到下或从左到右的规则间隔布置。电路连线长度长的信号线也可成为接收ESD脉冲能量的天线，尽量使用较短信号线可以降低信号线作为接收ESD电磁场天线的效率。尽量将互连的器件放在相邻位置，以减少互连的印制线长度。地电荷注入ESD对地线层的直接放电可能损坏敏感电路。在使用TVS二极管的同时还要使用一个或多个高频旁路电容器，这些电容器放置在易损元件的电源和地之间。旁路电容减少了电荷注入，保持了电源与接地端口的电压差。TVS使感应电流分流，保持TVS钳位电压的电位差。TVS及电容器应放在距被保护的IC尽可能近的位置(见图7)，要确保TVS到地通路以及电容器管脚长度为最短，以减少寄生电感效应。连接器必须安装到PCB上的铜箔层。理想情况下，铜铂层必须与PCB的接地层隔离，通过短线与焊盘连接。PCB设计的其它准则1.避免在PCB边缘安排重要的信号线，如时钟和复位信号等；2.将PCB上未使用的部分设置为接地面；3.机壳地线与信号线间隔至少为4毫米；4.保持机壳地线的长宽比小于5:1，以减少电感效应；5.用TVS二极管来保护所有的外部连接；保护电路中的寄生电感TVS二极管通路中的寄生电感在发生ESD事件时会产生严重的电压过冲。尽管使用了TVS二极管，由于在电感负载两端的感应电压VL=L×di/dt，过高的过冲电压仍然可能超过被保护IC的损坏电压阈值。保护电路承受的总电压是TVS二极管钳位电压与寄生电感产生的电压之和，VT=VC+VL。一个ESD瞬态感应电流在小于1ns的时间内就能达到峰值(依据IEC61000-4-2标准)，假定引线电感为每英寸20nH，线长为四分之一英寸，过冲电压将是50V/10A的脉冲。经验设计准则是将分流通路设计得尽可能短，以此减少寄生电感效应。所有的电感性通路必须考虑采用接地回路，TVS与被保护信号线之间的通路，以及连接器到TVS器件的通路。被保护的信号线应该直接连接到接地面，若无接地面，则接地回路的连线应尽可能短。TVS二极管的接地和被保护电路的接地点之间的距离应尽可能短，以减少接地平面的寄生电感。最后，TVS器件应该尽可能靠近连接器以减少进入附近线路的瞬态耦合。虽然没有到达连接器的直接通路，但这种二次辐射效应也会导致电路板其它部分的工作紊乱。印制线路板设计经验转发本文摘自俞站长的《电子设计工作室》印制线路板设计经验点滴对于电子产品来说，印制线路板设计是其从电原理图变成一个具体产品必经的一道设计工序，其设计的合理性与产品生产及产品质量紧密相关，而对于许多刚从事电子设计的人员来说，在这方面经验较少，虽然已学会了印制线路板设计软件，但设计出的印制线路板常有这样那样的问题，而许多电子刊物上少有这方面文章介绍，笔者曾多年从事印制线路板设计的工作，在此将印制线路板设计的点滴经验与大家分享，希望能起到抛砖引玉的作用。笔者的印制线路板设计软件早几年是TANGO，现在则使用PROTEL2.7FORWINDOWS。板的布局：印制线路板上的元器件放置的通常顺序：放置与结构有紧密配合的固定位置的元器件，如电源插座、指示灯、开关、连接件之类，这些器件放置好后用软件的LOCK功能将其锁定，使之以后不会被误移动；放置线路上的特殊元件和大的元器件，如发热元件、变压器、IC等；放置小器件。元器件离板边缘的距离：可能的话所有的元器件均放置在离板的边缘3mm以内或至少大于板厚，这是由于在大批量生产的流水线插件和进行波峰焊时，要提供给导轨槽使用，同时也为了防止由于外形加工引起边缘部分的缺损，如果印制线路板上元器件过多，不得已要超出3mm范围时，可以在板的边缘加上3mm的辅边，辅边开V形槽，在生产时用手掰断即可。高低压之间的隔离：在许多印制线路板上同时有高压电路和低压电路，高压电路部分的元器件与低压部分要分隔开放置，隔离距离与要承受的耐压有关，通常情况下在2000kV时板上要距离2mm，在此之上以比例算还要加大，例如若要承受3000V的耐压测试，则高低压线路之间的距离应在3.5mm以上，许多情况下为避免爬电，还在印制线路板上的高低压之间开槽。印制线路板的走线：印制导线的布设应尽可能的短，在高频回路中更应如此；印制导线的拐弯应成圆角，而直角或尖角在高频电路和布线密度高的情况下会影响电气性能；当两面板布线时，两面的导线宜相互垂直、斜交、或弯曲走线，避免相互平行，以减小寄生耦合；作为电路的输入及输出用的印制导线应尽量避免相邻平行，以免发生回授，在这些导线之间最好加接地线。印制导线的宽度：导线宽度应以能满足电气性能要求而又便于生产为宜，它的最小值以承受的电流大小而定，但最小不宜小于0.2mm，在高密度、高精度的印制线路中，导线宽度和间距一般可取0.3mm；导线宽度在大电流情况下还要考虑其温升，单面板实验表明，当铜箔厚度为50μm、导线宽度1～1.5mm、通过电流2A时，温升很小，因此，一般选用1～1.5mm宽度导线就可能满足设计要求而不致引起温升；印制导线的公共地线应尽可能地粗，可能的话，使用大于2～3mm的线条，这点在带有微处理器的电路中尤为重要，因为当地线过细时，由于流过的电流的变化，地电位变动，微处理器定时信号的电平不稳，会使噪声容限劣化；在DIP封装的IC脚间走线，可应用10－10与12－12原则，即当两脚间通过2根线时，焊盘直径可设为50mil、线宽与线距都为10mil，当两脚间只通过1根线时，焊盘直径可设为64mil、线宽与线距都为12mil。印制导线的间距：相邻导线间距必须能满足电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距也应尽量宽些。最小间距至少要能适合承受的电压。这个电压一般包括工作电压、附加波动电压以及其它原因引起的峰值电压。如果有关技术条件允许导线之间存在某种程度的金属残粒，则其间距就会减小。因此设计者在考虑电压时应把这种因素考虑进去。在布线密度较低时，信号线的间距可适当地加大，对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距。印制导线的屏蔽与接地：印制导线的公共地线，应尽量布置在印制线路板的边缘部分。在印制线路板上应尽可能多地保留铜箔做地线，这样得到的屏蔽效果，比一长条地线要好，传输线特性和屏蔽作用将得到改善，另外起到了减小分布电容的作用。印制导线的公共地线最好形成环路或网状，这是因为当在同一块板上有许多集成电路，特别是有耗电多的元件时，由于图形上的限制产生了接地电位差，从而引起噪声容限的降低，当做成回路时，接地电位差减小。另外，接地和电源的图形尽可能要与数据的流动方向平行，这是抑制噪声能力增强的秘诀；多层印制线路板可采取其中若干层作屏蔽层，电源层、地线层均可视为屏蔽层，一般地线层和电源层设计在多层印制线路板的内层，信号线设计在内层和外层。焊盘：焊盘的直径和内孔尺寸：焊盘的内孔尺寸必须从元件