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                    PCB設計

                    PCB布局規則及需考慮因素

                    發布時間:2017-02-16 15:03:21

                    PCB布局規則

                    PCB元器件的布局

                    在PCB的排版設計中,元器件布設是至關重要的,它決定了板面的整齊美觀程度和印制導線的長短與數量,對整機的可靠性也有一定的影響。PCB元器件布局應該遵循的幾條原則是:

                    1. 元器件在整個板面上分布均勻、疏密一致。
                    2. 元器件不要占滿板面,注意板邊四周要留有一定空間。留空的大小要根據PCB的面積和固定方式來確定,位于印制電路板邊上的元器件,距離PCB的邊緣至少應該大于3mm。電子儀器內的PCB四周,一般每邊都留有5耀10mm空間。
                    3. 一般,元器件應該布設在PCB的一面,并且每個元器件的引出腳要單獨占用一個焊盤。
                    4. PCB元器件布局

                    5. 元器件的布設不能上下交叉。相鄰的兩個元器件之間,要保持一定的間距。間距不得過小,避免相互碰接。如果相鄰元器件的電位差較高,則應當保持安全距離。一般環境中的間隙安全電壓是200V/mm。
                    6. PCB元件布局方向

                    7. 元器件的安裝高度要盡量低,一般元器件的引線離開板面不要超過5mm,過高則承受振動和沖擊的穩定性變差,容易倒伏或與相鄰元器件碰接。
                    8. 根據PCB在整機中的安裝位置及狀態,確定元件的軸線方向。規則排列的元器件,應該使體積較大的元件的軸線方向在整機中處于豎立狀態,可以提高元器件在板上固定的穩定性。
                    9. 元器件兩端焊盤的跨距應該稍大于元件體的軸向尺寸。引線不要齊根彎折,彎腳時應該留出一定距離(至少2mm),以免損壞元器件。

                    PCB元器件裝配

                    PCB元器件的安裝固定方式

                    在PCB上,元器件有立式與臥式兩種安裝固定的方式。臥式是指元器件的軸線方向與PCB面平行,立式則是垂直的,圖3-10所示。這兩種方式各有特點,在設計PCB時應該靈活掌握原則,可以采用其中一式,也可以同時使用兩種方式。但要確保電路的抗振性能好,安裝維修方便,元器件排列均勻,有利于印制導線的布設。

                    PCB元器件安裝方式

                    立式安裝

                    立式固定的元器件占用面積小,單位板面上容納元器件的數量多。這種安裝方式適合于元器件排列密集緊湊的產品,例如半導體收音機、助聽器等,許多小型的便攜式儀表中的元器件也常采用立式安裝法。立式固定的元器件要求體積小、重量輕,過大、過重的元器件不宜立式安裝。否則,整機的機械強度變差,抗振能力減弱,元器件容易倒伏造成相互碰接,降低了電路的可靠性。

                    臥式安裝

                    和立式固定相比,元器件臥式安裝具有機械穩定性好、板面排列整齊等優點。臥式固定使元器件的跨距加大,容易從兩個焊點之間走線,這對于布設印制導線十分有利。

                    PCB元器件的排列格式

                    元器件應當均勻、整齊、緊湊地排列在印制電路板上,盡量減少和縮短各個單元電路之間和每個元器件之間的引線和連接。元器件在PCB上的排列格式,有不規則與規則的兩種方式。這兩種方式在PCB上可以單獨采用,也可能同時出現。

                    不規則排列

                    元器件的軸線方向彼此不一致,在板上的排列順序也沒有一定規則。用這種方式排列元器件,看起來顯得雜亂無章,但由于元器件不受位置與方向的限制,使印制導線布設方便,并且可以縮短、減少元器件的連線,大大降低了板面印制導線的總長度。這對于減少線路板的分布參數、抑制干擾很有好處,特別對于高頻電路極更為有利。這種排列方式一般還在立式安裝固定元器件時被采納。

                    元器件不規則排列

                    規則排列

                    元器件的軸線方向排列一致,并與板的四邊垂直、平行。

                    除了高頻電路之外,一般電子產品中的元器件都應當盡可能平行或垂直地排列,臥式安裝固定元器件的時候,更要以規則排列為主。這不僅是為了板面美觀整齊,還可以方便裝配、焊接、調試,易于生產和維護。規則排列的方式特別適用于板面相對寬松、元器件種類相對較少而數量較多的低頻電路。電子儀器中的元器件常采用這種排列方式。但由于元器件的規則排列要受到方向或位置的一定限制,所以PCB上導線的布設可能復雜一些,導線的總長度也會相應增加。

                    PCB元器件焊盤的定位

                    元器件的每個引出線都要在PCB上占據一個焊盤,焊盤的位置隨元器件的尺寸及其固定方式而改變。對于立式固定和不規則排列的板面,焊盤的位置可以不受元器件尺寸與間距的限制;對于規則排列的板面,要求每個焊盤的位置及彼此間的距離應該遵守一定標準。無論采用哪種固定方式或排列規則,焊盤的中心(即引線孔的中心)距離PCB的邊緣不能太近,一般距離應在2.5mm以上,至少應該大于板的厚度。

                    焊盤的位置一般要求落在標準坐標網格的交點上。

                    PCB布局焊盤規則網格

                    在國際電工委員會(IEC)標準中,標準坐標網格的基本格距為2.54mm(國內的標準是2.5mm),輔助格距為1.27mm或0.635mil(1.25mm或0.625mil)。這一格距標準只在計算機自動設計、自動化打孔、元器件自動化裝焊中才有實際意義。對于一般人工鉆孔,除了雙列直插式集成電路的管腳以外,其他元器件焊盤的位置則可以不受此格距的嚴格約束。但在布局設計中,焊盤位置應該盡量使元器件排列整齊一致,尺寸相近的元件,其焊盤間距應該力求統一(焊盤中心距不得小于板的厚度)。這樣,不僅整齊、美觀,而且便于元器件裝配及引線彎腳。當然,所謂整齊一致也是相對而言的,特殊情況要因地制宜。

                    PCB焊盤布局

                    PCB布局因素

                    信號流走向因素

                    對整機電路的布局原則是:把整個電路按照功能劃分成若干個電路單元,按照電信號的流向,逐個依次安排各個功能電路單元在板上的位置,使布局便于信號流通,并使信號流盡可能保持一致的方向。在多數情況下,信號流向安排成從左到右(左輸入、右輸出)或從上到下(上輸入、下輸出)。與輸入、輸出端直接相連的元器件應當放在靠近輸入、輸出接插件或連接器的地方。以每個功能電路的核心元件為中心,圍繞它來進行布局。例如:一般是以三極管或集成電路等半導體器件作為核心元件,根據它們各電極的位置,排布其他元器件。要考慮每個元器件的形狀、尺寸、極性和引腳數目,以縮短連線為目的,調整它們的方向及位置。

                    特殊元器件位置因素

                    電子整機產品的干擾問題比較復雜,它可能由電、磁、熱、機械等多種因素引起。所以在著手設計PCB的版面、決定整機電路布局的時候,應該分析電路原理,首先確定特殊元器件的位置,然后再安排其他元器件,盡量避免可能產生干擾的因素,并采取措施,使PCB上可能產生的干擾得到最大限度的抑制。

                    所謂特殊元器件,是指那些從電、磁、熱、機械強度等幾方面對整機性能產生影響或根據操作要求而固定位置的元器件。

                    電磁干擾預防因素

                    電磁干擾是在整機工作中經常發生的現象,其原因也是多方面的,除了外界因素(如空間電磁波)造成干擾以外,PCB布線不合理,元器件安裝位置不恰當等,都可以引起干擾。這些干擾因素,如果在布局設計中事先予以重視,則完全可以避免。相反,如果在設計中考慮不周,便會出現干擾,使設計失敗。這里,就PCB設計方案可能造成的幾種電磁干擾及其抑制方法進行討論。

                    相互可能產生影響或干擾的元器件,應當盡量分開或采取屏蔽措施。要設法縮短高頻部分元器件之間的連線,減小它們的分布參數和相互間的電磁干擾(如果需要對高頻部分使用金屬屏蔽罩時,還應該在板上留出屏蔽罩占用的面積)。易受干擾的元器件不能離得太近。強電部分(220V)和弱電部分(直流電源供電)、輸入級和輸出級的元件應當盡量分割開。直流電源引線較長時,要增加濾波元件,防止50Hz干擾。

                    由于某些元器件或導線之間可能有較高電位差,應該加大它們的距離,以免因放電、擊穿引起意外短路。金屬殼的元器件要避免相互觸碰。例如:NPN型三極管的外殼或大功率管的散熱片一般接管芯的集電極C,在電路中接電源正極或高電位;電解電容器的外殼為負極,在電路中接地或接低電位。如果二者的外殼都不帶絕緣,設計電路板時就必須考慮它們的距離,否則在電路工作時,二者相碰就會造成電源短路事故。

                    熱干擾抑制因素

                    溫度升高造成的干擾,在PCB設計中也應該引起注意。例如,晶體管是一種溫度敏感器件,特別是鍺材料的半導體器件,更容易受環境溫度的影響而使其工作點漂移,造成整個電路的電氣性能發生變化。在布局設計PCB的時候,應該首先分析、區別哪些是發熱元件,哪些是溫度敏感元件。

                    裝在板上的發熱元器件(如功耗大的電阻)應當布置在靠近外殼或通風較好的地方,以便利用機殼上開鑿的通風孔散熱。盡量不要把幾個發熱元器件放在一起,并且要考慮使用散熱器或小風扇等裝置,使元器件的溫升不超過允許值。大功率器件可以直接固定在機殼上,利用金屬外殼傳導散熱;如果必須安裝在印制電路板上,則要特別注意不能將它們緊貼在板上安裝,而要配置足夠大的散熱片,還應該同其他元器件保持一定距離,避免發熱元器件對周圍元器件產生熱傳導或熱輻射。

                    對于溫度敏感的元器件,如晶體管、集成電路和其他熱敏元件、大容量的電解電容器等,不宜放在熱源附近或設備內的上部。電路長期工作引起溫度升高,會影響這些元器件的工作狀態及性能。

                    機械強度因素

                    要注意整個電路板的重心平衡與穩定。對于那些又大又重、發熱量較多的元器件(如電源變壓器、大電解電容器和帶散熱片的大功率晶體管等),一般不要直接安裝固定在印制電路板上。應當把它們固定在機箱底板上,使整機的重心靠下,容易穩定。否則,這些大型元器件不僅要大量占據PCB上的有效面積和空間,而且在固定它們時,往往可能使PCB彎曲變形,導致其他元器件受到機械損傷,還會引起對外連接的接插件接觸不良。重量在15g以上的大型元器件,如果必須安裝在電路板上,不能只靠焊盤焊接固定,應當采用支架或卡子等輔助固定措施。

                    當印制電路板的板面尺寸大于200mm×150mm時,考慮到電路板所承受重力和振動產生的機械應力,應該采用機械邊框對它加固,以免變形。在板上留出固定支架、定位螺釘和連接插座所用的位置。

                    可操作性考慮因素

                    對于電位器、可變電容器或可調電感線圈等調節元件的布局,要考慮整機結構的安排。如果是機外調節,其位置要與調節旋鈕在機箱面板上的位置相適應,如果是機內調節,則應放在PCB上能夠方便地調節的地方。

                    為了保證調試、維修的安全,特別要注意帶高電壓的元器件(例如顯示器的陽極高壓電路元件),盡量布置在操作時人手不易觸及的地方。

                    PCB布局總結

                    印制電路設計的主要內容是布局設計。把電子元器件在一定的制板面積上合理地布局排版,是設計印制電路的第一步。布局設計,不單純是按照電路原理把元器件通過印制線條簡單地連接起來。為使整機能夠穩定可靠地工作,要對元器件及其連接在PCB上進行合理的排版布局。如果排版布局不合理,就有可能出現各種干擾,以致合理的原理方案不能實現,或使整機技術指標下降。有些布局設計雖然能夠達到原理的技術參數,但元器件的排列疏密不勻、雜亂無章,不僅影響美觀,也會給裝配和維修帶來不便。這樣的設計當然也不能算是合理的。這里將介紹布局的一般原則,力求使設計者掌握普通印制電路的設計知識,使布局設計盡量合理。

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