印制电路板设计(一)
印制电路板(PCB)设计是有效解决电磁兼容性问题的途径，它不仅可以减小各种寄生耦合，同时能做到简化结构、调试方便、美观大方和降低成本。
印制电路板电磁兼容性设计的目的是提高线路本身的抗干扰能力，减小电路板本身的电磁辐射，提高电路板上电路工作的稳定性，进而提高设备的电磁兼容稳定性。在印制板上采取措施，比在其它方面采取措施更具有可靠性、稳定性和经济性。印制电路板由绝缘底板、连接导线以及装配焊接电子元器件的焊盘组成，具有导电线路和绝缘底板的双重作用。它可以实现电路中各个元器件的电气连接，代替复杂的布线，减小了传统方式下的接线工作量，简化了电子产品的装配、焊接、调试工作，缩小了整体体积，降低了产品成本，提高了电子设备的质量和可靠性。印制电路板具有良好的产品一致性，它可以采用标准化设计，有利于在生产过程中实现机械化和自动化，使整块经过装配和调试的印制电路板作为一个备件，也便于整机产品的互换与维修。由于以上优点，印制电路板已广泛地应用在电子产品的生产制造中。
1.1印制电路板种类的选择
印制电路板按结构形式来看，通常分为以下几种：
(1)单面印制电路板。这种印制电路板只在绝缘基板的一面有印制导线，适用于一般要求的电子设备，如收音机、电视机等。
(2)双面印制电路板。这种印制电路板在绝缘基板两面都有印制导线，它适用于要求较高的电子设备，如电子仪器、仪表等。双面印制电路板的布线密度相对于单面印制电路板比较高，能减小设备的体积，且布线相对较容易。
(3)多层印制电路板。这种印制电路板含有多于两层的印制导线。它具有以下几方面优点：①与集成电路配合使用，能减小产品体积与重量；②有可能增设屏蔽层，以提高电路的电气性能。多层印制电路板适用于高密度布线、高集成度芯片的高速数字电路，多用于计算机等电子设备中。
(4)挠性印制电路板。这种电路板具有高挠性，有单层、双层、多层之分，其自身在空间可以端接、排接到任意规定的位置，因此广泛应用于计算机、通信、仪表等电子设备中：挠性印制电路板所用的绝缘材料有聚酯、聚酰亚铵、聚四氟乙烯等，厚度大约在0.25mm~lmm之间：
(5)平面印制电路板。这种印制电路板的印制导线嵌入绝缘基板，与基板表面子齐，一般情况下在印制导线上都电镀一层耐磨金属。常用于转换开关、计算机键盘。
根据覆铜箔板材料的不同，印制电路板可以分为多种，其中常用的印制电路板有以下四种。
(1)酚醛纸基覆铜箔板(纸铜箔板)。这种印制电路板由纸浸以酚醛树脂，两面衬以无碱玻璃布，在一面或两面覆以电解紫铜箔经热压而成。其缺点是机械强度低，易吸水且耐高温性能差，但价格便宜。一般用于民用电子产品。
(2)环氧酚醛玻璃布覆铜箔板(布铜箔板)。这种印制电路板由无碱玻璃布浸以酚醛树脂，并覆以电解紫铜箔经热压而成。由于采用了环氧树脂而粘结力强，电气及机械性能较好，既耐化学溶剂，也能耐高温、耐潮湿，但是价格较贵。多用于军用或高级电子设备。
(3)环氧玻璃布覆铜箔板。这种印制电路板由玻璃布浸以双氰胺固化剂的环氧树指，覆以电解紫铜箔板经热压而成。它的电气性能、机械性能较好，耐高温、耐潮湿，基板透明，适用于军用及仪器仪表等高级电子设备。
(4)聚四氟乙烯玻璃布覆铜板。这种印制电路板由无碱玻璃布浸以聚四氟乙烯分散乳液，覆以经氧化处理的电解紫铜箔，经过热压而成，具有优良的介电性能及化学稳定性，是一种耐高温、高绝缘的材料，适用于尖端产品及微波设备中。这种覆铜箔板也称为F4。
实际中，基板的选材应当合适，否则可能会影响电路正常稳定工作或者造成浪费。确定PCB板材应根据整机的性能指标，使用条件（如气候、电气环境、化学条件酸碱度等）以及经济性。例如对于高压电路，应选用具有良好高压绝缘性能的板材。如果选用绝缘性能差的酚醛纸基覆铜箔板，则可能会造成基板击穿打火而产生火花放电干扰，严重时可能碳化短路；高频电路要选择高频损耗小的基板，如聚四氟乙烯板。如果选用高频特性差的酚醛板，将会由于高频损耗过大而影响电路高频性能；一般的低频低压及民用电路，则要求基板经济性好，价格低廉，如果选用成本较高的玻璃布板，则会造成不必要的浪费。再如以袖珍晶体管收音机为例，由于机内线路板本身尺寸小，印制板线条宽度较大，使用环境良好，整机售价较低，因此在选材上应十分注意考虑价格因素，故选用酚醛纸质基板即可，而没必要选用高性能的环氧玻璃布基板。而在微型计算机等高档电子产品中，由于元器件密度高，印制导线窄，板面尺寸大，线路板制造费用只占整机成本的一个很小的比例，所以在设计选材时，应以覆铜板的各项技术性能作为考虑因素，不能片面追求成本低廉。
1.2印制电路板尺寸的选择
印制电路板尺寸应当综合以下几个因素来权衡。
(1)成本。印制电路板的面积越大，造价越高。
(2)机箱外壳尺寸。在设计有机壳的印制电路板时，印制电路板尺寸受到机箱外壳尺寸的限制，一定要在确定印制电路板尺寸之前确定机壳大小，否则无法确定印制电路板的尺寸。
(3)抗噪能力。印制电路板尺寸过小，则散热不好，并且相邻印制导线之间易引起干扰；如电路板过长，印制导线也较长时同样易引起高速信号的波形畸变。
(4)机械强度，当印制电路板尺寸大于200mm×l50mm时，应考虑印制电路板的机械强度。特别是当印制电路板上有较大或较重元件时要相应适当增大印制板的厚度，或将大而重的元件移出印制板放在机箱底座或固定在牢固的位置上。
一般情况下，印制电路板的最佳形状是矩形，长宽比为3:2或4:3。
1.3单、双层印制电路板的设计
1、元器件的选择和布局
1）元器件的选择
第一，选择合适的器件。根据电路中不同的要求，最好尽可能选择符合要求的表面贴装器件，这样既可以最大限度地减少管脚及器件分布参数，又能使体积更紧凑，更小型化，而且提高了可靠性，即使有些地方不能采用表面贴装器件，也要使分立元器件管脚尽可能短；
第二，必要时对元器件进行老化筛选，以便择优录用；
第三，限额使用，使元器件的参数在电路中有足够的余量，应避免满荷；
第四，尽可能采用大规模集成器件，这对减小体积，稳定可靠地工作十分有利。
2）元器件的布局
设计印制电路板不仅仅是简单地将各个元器件之间用印制导线连接起来就可以了，更重要的是应当考虑电路的特点和要求。如高频电路对于低频电路的影响，各元器件之间是否会产生有害的干扰，以及热传递等方面的影响等。由于布线不正确带来的分布参数的影响也不可以忽略，所以在设计印制电路板时应当充分考虑元器件的摆放位置。
(1)元器件的分组。分组目的是按组对PCB空间进行分割，将同组元器件摆放在一起，以便于在空间上保证各组的元器件不至于产生组件的相互干扰。分组种类包括按高速、低速分类，按大电流、小电流分类，按模拟电路、数字电路分类，也可以按照使用电源电压分类。一般比较好的方法是按所用的电流电源电压的不同来分组。如果使用同种电压的元器件仍有数字、模拟器件之分，则可再进行分组。按电压、数字及模拟电路分组后可进一步按照速度快慢、电流大小进行分组。
如图1所示为按电源电压进行分组的示意图。图2为按电路的速度分组的示意图。我们知道单元电路工作频率越高，速度越快，信号的频谱分量也就越丰富；高频分量比例越大，对外干扰也就越强。可根据单元电路的工作频率分为高速电路(如微处理器)，中速电路(如显示处理电路)，低速电路(如接口电路)和模拟电路(如模拟信号放大器)。
图1 按电源电压等级布局
在元器件布局过程中，应注意不能将电源电压等级不同的元器件交叉重叠，因为这样会造成重叠部分的相互串扰。如图3所示。
图2 按电路的速度布局
图3 不同电源电压区重叠与不重叠a不合理b合理
(2)有连接器时的布局。连接器最好放在PCB板的一侧，这样做的目的是减小干扰。图4和图5给出了两种布局方法。
图4 此布局可减少插件的串扰公共阻抗和辐射干扰
图5 有模拟电路时的建议布局
当高速数字集成芯片与连接器之间没有直接的信号交换时，高速数字集成芯片应安排在远离连接器处。图6(a)中，驱动器被安排得离连接器过远，而高速数据集成芯片铂安排得离连接器太近，因此高速数字信号有可能通过电场耦合或磁场耦合对输入输出环路产生差模干扰，并通过电缆向外辐射。如果高速数字集成芯片放在两个连接器之间。
图6 高速器件与I/O驱动器的安排
如图6(b)所示，则高速数字信号耦合到电缆上去的可能性更大。
输入输出(I/O)驱动器应该紧靠连接器，I/O信号从连接器引入后应马上进入I/O驱动器，不要在印制板上传输过长的距离，以免耦合上去干扰信号。图6(c)是图6(a)的改进，图中I/O驱动器被移到连接器处，高速数字集成芯片移至远离连接器处。
在元器件安排时应考虑尽可能缩短高速信号线的长度，例如时钟线、数据线和地址线等。如果高速器件的信号线必须与连接器连接，则应考虑把高速器件放在连接器处，尽量缩短走线，然后在稍远处安排中速器件，最远处安排低速器件。否则如果高速元件远离连接器，则高速信号将穿过整块印制板才能到达连接器，这将可能对沿途的中、低速电路产生干扰。这条原则似乎与第(2)条原则相矛盾，但实际上目的只有一个，即避免高速电路对低速电路的影响，只是情况不同，采取的方法不同而已。
(3)电感元件布局。电感元件是滤波电感、振荡线圈的基本组成部分，也是变压器、扼流圈、继电器等器件的重要构成部分。当电感元件上通过电流，就会产生磁通，而磁通变化会在邻近元件之间及回路中感应出电流，造成干扰。因此对电感元件布局应当特别注意。
①滤波器。以一个低通滤波器为例，如图7所示。该滤波器含有3个电感及2个电容，为了减小电感的干扰，L1、L2、L3应当垂直放置。这时可以采取3种布局方式，如图7(b)、(c)、(d)所示。(b)布局是将L1安排在一个平面上，而将L2、L3安排在另一个平面上；(c)布局则将L1、L2安排在一个平面上，而将L2安排在另一个垂直平面上。这两种布局都可以实现3个电感的互相垂直，但是因为不能够分布于1个平面，所以应采取双层印制板或者在印制板两面布局。(d)布局就是将3个电感安排在1个平面上，其中L1与L2，L2与L3均成120度的夹角，是一个折中的方案。该布局可以使电感间的相互作用比轴向平行布局小得多。
图7 低通滤波器及几乎可能的电感元件布局
另外，在高频时元器件的引线电感不容忽视。所以要尽量减小引线长度，管脚应当尽可能短，同时避免长距离走线。当2个耦合线圈必须并行安装时，要尽量拉开距离以减小两线圈之间的互感耦合作用。对于线圈，除了要考虑它们之间的互感作用外，还应当考虑它们之间的电容耦合作用，因此要拉开一定的距离。
②变压器。变压器绕组轴线要避免与底板平行，最好应当垂直放置。这时，变压器与底板之间的寄生耦合最小，如图8所示。
图8 变压器不同放置时产生的寄生耦合比较示意图
对于电源来讲，其变压器应该和电源的其它部分一起单独装在一块底板上，这样有利于减小电源对于其它电路的干扰。
对于输入、输出变压器，电源变压器及扼流圈等应当在位置上垂直，以减弱相互之间的耦合。
(4)强干扰源与敏感电路的布局。布局基本原则是采用空间远离的方法。另外还可以对强干扰源进行屏蔽。例如开关电源中的大功率开关管、高频变压器、可控硅等都属于强干扰源，而电路滤波器、低电平放大器及控制电路都是弱信号部分，故在设计时两者应尽量远离。
当在一块印制板上同时安放有电源电路、振荡电路、放大电路时，不仅要考虑电源等干扰较强电路和放大电路的布局，还要仔细考虑各个放大电路级与级之间的干扰影响，以及振荡电路对放大器的影响问题。由图9所示的电路布局可以看出，该布局存在以下几个问题：①电源电路的交流干扰将直接影响放大电路第1级和第2级(即小信号放大级)；②振荡电路的输出很可能经由放大器的第1、2、3级而叠加到放大电路输出端；③放大电路输入输出相互影响，相互干扰；
图9 一种不合理的放大电路示意图
(5)元器件的排列方式。元器件在印制板上排列方式分为3种：立式、卧式和混合式。如图10所示。
图10 元件的排列方式
立式排列也称作不规则排列。这种排列方式适用于30MHz以上的高频电路。其优点是：元器件所占面积较小，可进行高密度组装，并且由于减小了印制导线和元器件的连接长度，从而减小了电路的分布参数。缺点是元件密度大，散热条件差，抗振性差，由于元件排列比较密，因此带来了一定的走线困难，并且从外观上看有些杂乱，也不便于机械化、自动化装配。
卧式排列也称作坐标排列。这种排列适用于30MHz以下的低频电路。其优点是：元件跨度大，易于设计走线，抗振性能好，散热性好，元件排列整齐美观，便于机械化打孔和装配。其缺点是：设计同样电路，所需基板面积较大，并且走线较长，对电路分布参数影响较大。
混合式排列由于有不规则凌乱感，专业上较少使用，多用于业余制作的场合。
一般来说，无论是立式、卧式还是混合式，各级电路的安放顺序最好是按照电路原理图的前后连接顺序排成近直线走向，因为这样一来输入输出端就可以远离，可以避免输出放大了的信号反馈到输入端而形成再次放大，造成自激。而且各级按顺序排列便于维修时能方便、快速地找出相应级的元器件，从而给维修带来方便。
(6)元器件布局举例。如图11所示为放大器布局设计举例。其中(a)为电路图，(b)为印制板图，(c)为元件布置图。
图11 455kHz放大器电路及布局
2、焊盘的选择
1)焊盘的种类
(1)圆形焊盘。圆形焊盘是最常见、最普通的形状，如图12所示。该类焊盘多用于低频电路中，在焊接时即使不使用助焊剂，仍使焊点焊得很圆。导线走线美观、明确。在设计时，在板面密度允许的情况下，焊盘不宜过小，因为太小的焊盘在焊接时容易脱落。
图12 圆形焊盘
(2)岛形焊盘。岛形焊盘常用在元器件不规则排列的高频电路中。例如电视机、收录机等家用电气产品中几乎都采用这种焊盘形式。如图5—13所示，这种焊盘能减小接点与印制导线的电感，增大地线屏蔽面积，以减小接点之间的寄生耦合。另外，当这类焊盘与印制导线合为一体后，铜箔的面积加大，这使焊盘和印制导线的抗剥程度增加，故能降低所选用的覆铜板档次，降低产品成本。
(3)方形焊盘。方形焊盘常用于低频电路。另外当板上元器件较大、数量少且线路比较简单时，也多采用这种焊盘形式。一些大电流的印制板上多采用这种形式来获得大的载流量。方形焊盘设计和制作比较简单，适用于手工描板或刀刻，加工精度要求低。由于铜箔面积大，故不易脱落。方形焊盘如图14所示。
图13 岛形焊盘
图14 方形焊盘
(4)根据实际灵活设计焊盘。在设计印制电路板过程中，常常根据实际情况选择一些其它形式的焊盘。如图15所示，由于线条过于密集，为防止焊盘有邻近的导线短路，就可以将圆形焊盘沿中间穿过的导线两边切去一部分，以保证相邻导线和焊盘之间有较大的间隔；又如，一般封装的集成电路两个引脚之间的距离只有2.5mm，为了能在这样小的间距里边走线，可以将圆形焊盘拉长，改为近似椭圆的长焊盘。如图16所示。
图15、16 灵活设计的焊盘和椭圆焊盘
2)焊盘的尺寸
焊盘引线孔(安装孔)应与插入元器件引出线的直径相适应。引线孔孔径要比元器件引线直径略大些，一般不大于引线直径的0.3mm。孔径过大，往往容易使元器件松动而造成虚焊。元器件引线孔直径优先采用0.5mm、0.8mm和1.2mm等尺寸。
焊盘的外径一般应比引线孔大1.3mm以上，设焊盘外径为D，引线孔孔径为d，则应有
D≥(d+1.3)mm
对于高密集度的印制电路板，焊盘的最小直径可以是
Dmin=(d+1)mm
如果外径太小，焊盘就容易在焊接时粘断或者脱落；但是也不能太大，否则不易焊接并且影响印制电路板的布线密度。
3．过孔的选择
过孔是印制电路板，特别是高速印制电路板设计中的一个重要因素，一个过孔由三个部分组成，一是孔，二是孔周围的焊盘区，三是电源层隔离区。过孔的工艺过程是在过孔孔壁圆柱面上用化学沉积的方法镀上一层金属，用以连通中间各层需要连通的铜箔，而过孔的上下两面作成普通的焊盘形状。过孔可以起到电气连接、固定或定位器件的作用。过孔示意图如图17所示。
1)过孔的种类
过孔一般分为三类：盲孔、埋孔和通孔，如图18所示。
图17、18 过孔示意图和过孔的分类
(1)盲孔。盲孔指位于抑制电路板的顶层或底层表面，具有一定深度，用于表层线路和下面的内层线路的连接，孔的深度与孔径通常不超过一定的比率。
(2)埋孔。埋孔是指位于印制电路板内层的连接孔，它不会延伸到印制电路板的表面。
盲孔与埋孔两类孔都位于印制电路板的内层，层压前利用通孔成型工艺完成，在过孔形成过程中可能还会重叠做好几个内层。
(3)通孔。通孔穿过整个印制电路板，可用于实现内部互连或作为元件的安装定位孔。由于通孔在工艺上更易于实现，成本较低，所以一般印制电路板均用通孔。
2)过孔的寄生参数
(1)过孔的寄生电容。过孔本身存在着对地的寄生电容，若过孔在铺地层上的隔离孔直径为D2，过孔焊盘的直径为D1，PCB板厚度为T，板基材介电常数为ε，则过孔的寄生电容为：
C≈1.41εTD1/(D2-D1)
过孔的寄生电容给电路造成的主要影响是延长了信号的上升时间，降低了电路的速度，电容值越小则影响越小。
(2)过孔的寄生电感。
过孔本身就存在寄生电感，在高速数字电路的设计中，过孔的寄生电感带来的危害往往大于寄生电容的影响。过孔的寄生串联电感会削弱旁路电容的作用，减弱整个电源系统的滤波作用。若L指过孔的电感，h是过孔的长度，d是中心钻孔的直径，过孔的寄生电感为
L≈5.08h[1n(4h/d)+1]
从上式中可以看出，过孔的直径对电感的影响较小，而对电感影响最大的是过孔的长度。
3)实际过孔的确定
(1)普通印制电路板的过孔选择。在普通的印制电路板设计中，过孔的寄生电容和寄生电感对印制电路板设计的影响较小，对1层-4层印制电路板的设计，一般选用0.36mm/0.61mm/1.02mm(钻孔/焊盘/Power隔离区)的过孔较好，一些特殊要求的信号线(如电源线、地线、时钟线等)可选用0．41mm/0.81mm/1.32mm的过孔，也可根据实际选用其余尺寸的过孔。
(2)高速印制电路板的过孔选择。通过上面对过孔寄生特性的分析，我们可以看到，在高速印制电路板设计中，设计看似简单的过孔往往也会给电路的设计带来很大的负面效应。为了减小过孔的寄生效应带来的不利影响，在设计中可以尽量做到：①选择合理的过孔尺寸。对于多层一般密度的印制电路板设计来说，选用0.25mm/0.51mm/0.91mm(钻孔/焊盘/Power隔离区)的过孔较好；对于一些高密度的印制电路板也可以使用0．20mm/0.42mm/0.82mm的过孔，也可以尝试非穿导孔；对于电源或地线的过孔则可以考虑使用较大尺寸，以减小阻抗。②Power隔离区越大越好，印制电路板上过孔密度一般为D1=D2+0.41mm。③印制电路板上的信号走线尽量不换层，也就是说尽量减少过孔。④使用较薄的印制电路板有利于减小过孔的两种寄生参数。⑤电源和地的管脚过孔要靠近，过孔和管脚之间的引线越短越好，因为引线增长会导致电感的增加。同时电源和地的引线要尽可能粗，以减小阻抗。⑥在信号换层的过孔附近放置一些接地过孔，以便为信号提供短距离回路。
当然，在设计时还需具体问题具体分析。从成本和信号质量两方面综合考虑，在高速印制电路板设计时，设计者总是希望过孔越小越好，这样板上可以留有很多的布线空间，此外，过孔越小，其自身的寄生电容也越小，更适合用于高速电路。在高密度印制电路板设计中，采用非穿导孔以及过孔尺寸的减小同时带来成本的增加，而且过孔的尺寸不可能无限制地减小，它受到印制电路板厂家钻孔和电镀等工艺技术的限制，因此，在高速印制电路板的过孔设计中应均衡考虑以上因素。
