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PCB设计网://www.51pcb.net/PCB导线设计技术（上）本文汇集国外厂商的设计数据，分成（上）、（中）、（下）三集、六个单元，详细介绍电路基板导线Layout技巧，包括：微电脑周边电基板路导线设计、模拟电路基板导线设计、宽带与高频电路基板导线设计、电源与功率电路基板导线设计、数字电路基板导线设计，以及Video应用电路基板导线设计。本篇先将介绍计算机周边、模拟电路基板，及宽带与高频电路基板的导线设计技巧。微电脑周边电基板路导线设计a.LED电流导线的设计LED组件广泛应用在微电脑接口设备，不过大部份的LED封装位置，距离计算机本身相当远。LED只要维持适当亮度即可的同时，某些情况要求在明亮环境下能够轻易判别LED的辉度，然而即使相同的驱动电流IF，LED的辉度随着发光色出现差异(表1)。如图1所示LED的电流高达数十mA，随着LED电流导线长度与路径的延伸，LED的ON/OFF经常成为周边电路发生切换噪讯(switchingnoise)的诱因。表1LED的发光色与辉度关系图1典型LED驱动电路因此封装时驱动晶体管必需尽量靠近LED，藉此缩减LED电流IC的流动路径。LED的辉度与驱动电流呈比例，一般设计上是以绿色LED作基准，依照表1的设定值改变各色的电流值。LED电路基板图案可依照图2的矩阵(matrix)方式排PCB设计网://www.51pcb.net/列，如此一来外观上显得非常简洁，驱动晶体管则当作数字晶体管(digitaltransistor)，串联电阻一般是设在电路基板背面。图2典型LED驱动电路板的图案(双面电路板)b.7时段LED的common端子设计图3是利用微处理器控制的opendrain端子动态驱动阳极(anode)commontype7时段(segment)LED电路图，从电源到7时段LEDcommon端子的导线，基于全时段点灯时电流高达40～100mA的考虑，因此设计上尽量加粗电路基板的图案(pattern)导线宽度。使用双面电路基板与disclead的场合，组件必需设在显示器的外侧，如此才能避免影响7时段LED的封装作业。芯片(chip)组件若设在基板背面时，如图4所示可以消除显示器周围的组件，如果加上连接器(connector)cn1，封装后的LED模块可以直接固定在微电脑内。图4是利用电路板图案设计CADEAGLE软件自动布线，该软件具备全自动自动Layout功能，而且可以不限次数变更设计，此外自动routing可透过试算错误寻求各种路径(route)，不过笔者建议初期设定时，基板背面的布线采直交方式，事后比较容易修改，尤其是类似这种电路，若未特定布线方向成功机率非常低。PCB设计网://www.51pcb.net/图37时段LED的动态驱动电路图图4chip组件构成的7时段LED电路板图案(双面电路板)c.高湿度环境用的基板布线照片1是内建周边电路的湿度传感器CHS-GSS实际外观，如图5所示相对湿度100%时CHS-GSS湿度传感器只有1V，所以可以当作数字电压计直接读取湿度。PCB设计网://www.51pcb.net/如果与微处理器的A-Dconverter连接时，必需转换成5v等级(range)。照片1湿度传感器CHS-GSS外观图5湿度传感器的相对-输出电压特性图6的电路使用单电源，它是由railtorailOP增幅器构成，可以将湿度传感器的1V转换成5V，此外利用图中的gain微调器VR1，可以使gain成为(1+480/120)=5。布线设计上为了降低高湿度环境时的漏电(leak)现象，必需避免在OP增幅器接地(ground)之间设置图案，同时尽量加大图案之间的间隔缩减图案导线的宽度。图中R1，R2使用1/4W±1%金属皮膜电阻；图7是autorouter绘制的双面电路基板图案，焊接面为全接地(fullground)，本电路基板封装测试试后再用树脂包覆防湿。PCB设计网://www.51pcb.net/图6扩大湿度传感器输出范围的电路图7湿度传感器周边电路的pattern(双面电路板，未标示背面接地)d.微处理器内建A-Dconverter时，前置增幅器周边的模拟/数字分离技巧最近几年单片微机大多内嵌A-DConverter(以下简称为ADC)，封装这类微处理器时，必需防止模拟ADC受到数字电路噪讯的影响。图8是小型单片微机与ADC用置增幅器(pre-amplifier)的电路图，图中的IC1为输出入railtorail的OP增幅器，它是ADC前置增幅器的10倍电压gain非反相增幅电路；IC2是dropout定电压电源，它可以产生3.3V数字与模拟电路的电源；IC2使用Renasas公司开发的R8C/Tiny系列小型微处理器，该芯片内建10位循序比较型ADC，第14号脚架(pin)除了可以输入模拟信号之外，同时也是ADC用模拟输入埠(port)。接着介绍除外的表面封装组件，封装在双面印刷电路基板的技巧。PCB设计网://www.51pcb.net/图8内嵌A-Dconverter的微处理器与前置增幅周边电路图9是接地与电源电路的基板图案。接地图案设计上的重点，必需明确分离模拟接地(以下简称为AGND)与数字接地(以下简称为DGND)，此处为配合电位因此采取单接点设计，如此设计可以防止数字电路的噪讯，造成ADC的转换精度降低等问题，因此图9的AGND与DGND连接点设在IC3的Vss端子(5号脚架)附近。图9IC3周边电路的pattern说明本电路使用的微处理器接地端Vss子只有一条，不过其它型号的IC则将AGND与DGND端子分离，因此必需将AGND与DGND的pattern作明确的分离与单点连接(图11)。电源电路需注意的是与IC2输出入连接的C3，C5两电容的设置，因为未降低输出入端子的高频阻抗时，低dropout电压的电源IC会有波动之虞，所以C3，C5尽量靠近IC2设置，同时还需要缩减导线长度加粗导线宽度。图10AGND与DGND明确分离作单点连接图11是前置增幅周边电路的电路基板pattern，如图所示C2设置在IC1附近，PCB设计网://www.51pcb.net/由于电压复归型OP增幅器反相输入端子的输入阻抗很高，极易受到外部噪讯的影响，所以图11的电路基板图案，刻意缩短至反相输入端子(IC1的3号脚架)的导线长度，图中R3是分割容量性负载与OP增幅器输出端子的电阻，OP增幅器与微处理器之间的导线很长时，该电阻必需尽量设置在OP增幅器附近。图11前置增幅器周边电路的pattern描绘AGND时必需尽量降低AGND本身的阻抗，实际布线图案除了采用fullpattern之外，前置增幅器的输出入导线应用贯穿孔(throughhole)设计，使导线绕到AGND背面藉此降低AGND的阻抗。此外包含前置增幅器在内封装模拟电路的基板背面，不可有任何数字信号(包含DGND)流通，主要目的是要防止容量结合，造成数字电路的信号变成噪讯影响模拟电路的动作。模拟电路基板导线设计a.OP增幅器构成的全波形整流电路patterning图12的全波形整流电路，经常因正端(plusside)与负端(minus)gain的未整合，导致波形不均衡，所以决定gain值的电阻使用误差为±1%的金属皮膜电阻。本电路可以使IC1b作差动动作，因此能够减缓高频时波形不均衡现象。虽然OP增幅器采用LF412，不过可以根据设计需求，改用与OP增幅器脚架相容的LM358。PCB设计网://www.51pcb.net/图12利用OP差动增幅器作全波整流的电路IC1的1、2号脚架至5、6号脚架路径(route)是本电路基板主要设计重点，如图13所示如果导线绕过IC的外侧，路径会变长所以采取IC下方布线设计，正、负电源的图案导线宽度完全相同，信号则沿着箭头方向流动，二极管(diode)等整流电路则整合在基板左侧，电源导线加粗的同时接地采取fullground设计，如此一来双面电路基板就可以满足以上所有的要求。图13利用OP差动增幅器作全波整流的电路基板图案b.光学耦合器的基本周边导线接着介绍封装光学耦合器(photocoupler)的电路基板分离图案设计技巧。光学耦合器主要功能是将board或是设备之间绝缘，主要原因是为了保障各组件保证的绝缘耐压特性，因此电路基板出现所谓的分离图案设计。图14的电路12V的输入单元与5V的输出单元就是采用分离图案设计，它使用四个编号为的PCB设计网://www.51pcb.net/PS2801-4光学耦合器。图14使用photocoupler的电压转换电路如图15所示为确保1次端(发光侧)与2次端(收光侧)的沿面距离，所以设计上分成表层图案与内层图案，内层图案若是fullpattern时，与一般fullpattern一样需作除料设计。所谓沿面距离是线导体之间的指导，沿着绝缘物通行时最短距离而言，有关耐压与沿面距离，UL、VDE等各国的安全规范都有严谨的规定与说明。(a)pattern的间隔过窄设计例(b)pattern的间隔适当设计例图15photocoupler正下方的1次端与2次端图案必需确实分离I/O点数很多而且使用复数个光学耦合器的场合，必需将散热问题一并列入考虑。图16是根据以上需求，兼具散热效果的pattern设计范例，由图可知1次端与2次端的接地共通时，利用fullpattern连接可以提高散热效果；内层有接地时可以在fullpattern设置数个via与内层接地连接。PCB设计网://www.51pcb.net/如上所述根据1次端与2次端的电流值与散热要求，最后才能决定电阻的定额与pattern宽度。图16兼具散热效果的pattern设计c.100V以上商用电源线的图案图17是已经绝缘可输出脉冲的商用交流zerocrosspoint电路。TLP626LED两者未点灯时，光学耦合器的光学晶体管(phototransistor)成为OFF，输出正极性的脉冲。图17商用交流zerocrosspoint检测电路由于商用交流的输入线相当危险，因此设计电路基板图案时必需充分考虑绝缘与安全性。图18所示虽然R1单独一个电阻电气上动作完全相同，不过与商用交流PCB设计网://www.51pcb.net/的输入直接连接的图案变长，或是流入电阻的电压变高时，电阻的耐电压特性会出现问题，因此建议读者最好分成数个电阻。图19的输入电压变高时，R1电力损失会以电压的二次方增加，此时必需改佣可以封装更大阻抗的电路基板图案。图18以R1取代图17的R1-1R1-2图18以R1取代图17的R1-1R1-2图19加大图17的R1-1R1-2容许电力可支持大电压范围设计图20的电路基板图案，必需考虑下列事项:①采用fullpattern设计，组件尽量紧凑封装。②R1等发热组件附近设置低高度R1，同时尽量远离C1。③R1设置复数个可以封装1W，2W，3W电力阻抗的land。图20电路基板图案最大缺点是封装2W，3W电阻时，会因为实际电阻封装情况，造成未使用的land太接近胴体部位；图21是设计变更后的电路基板图案，如此一来R1封装在任何位置，组件下方不会出现land。PCB设计网