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高多层PCB,电路板工作原理及图解

发布时间:2024-12-17 点击数:3669

PCB板是印刷的电路板板,其上放置电子元件并具有布线。通过印刷在镀铜基板上印制防腐线,线蚀刻、冲洗掉。电路板的工作原理:利用基板的绝缘材料隔离表面铜箔的导电层,使电流可以沿着设计好的路线在各个元器件中传播进,从而实现工作、放大、衰减、调制、解调、编码等功能。


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一、电容相关知识:
铝电解电容器容量大,额定电压高,但对工作温度环境适应性差,适用于低频滤波场合;

钽电容温度特性好,ESR和ESL小,高频滤波特性好,但抗浪涌电流能力不好,设计时一般降额50%以上使用;


陶瓷电容具有体积小、价格低、稳定性好等优点。广泛用于电源的高频滤波,电容较小。当需要大容量电容器时,需要考虑其他类型的电容器。


电容的去耦存在去耦半径的问题:电容和封装越小,去耦半径越小。PCB布局中,为保证小封装和小电容对电源的有效去耦,电容应尽可能靠近去耦电源管脚放置;电容值和封装越大,去耦半径越大,可以在更大的面积上对电源进行有效去耦。在布局大封装、大值的去耦电容时,可以同时控制多个电源管脚的去耦。


2、电感相关知识:

电感在电路设计中的特性主要有:滤除高频谐波,通直流阻交流;阻碍电流的变化,保持器件工作电流的稳定性。


选择电感时需要检查的电感参数包括电感值、直流电阻、额定电流和自谐振频率(Q值最大的频率)

一般电感值越大,对应的直流电阻也越大;电感值越大,对应的谐振频率越小;电感值越大,对应的额定电流越小。


3、磁珠知识:
磁珠专门用于抑制信号线和电源线上的高频噪声和尖峰干扰,同时还具有吸收静电脉冲的能力。

在转折点频率以下,磁珠呈感性,反射噪声;在转折点频率以上,磁珠呈阻性,磁珠吸收噪声并将其转化为热能。


电感和磁珠的区别:
(1)处理噪声的方式不同。电感和电容组成LC低通滤波电路。电容器在电感器和地之间建立一条低阻抗路径,允许高频噪声通过低阻抗路径将噪声引导至地平面。在LC低通滤波电路中,电感在处理噪声时,并没有从根本上去除噪声;磁珠对噪声的处理方式是,在低频时,磁珠是感性的,反射噪声,而在高频时,电阻特性是主要特性,磁珠中的电阻吸收高频噪声并将其转换转化为热能,可从根本上消除噪音。
(2)是否自行产生有害影响。电感和电容组成LC滤波电路时,由于LC是储能元件,两者可能产生自激,对电路造成影响;而磁珠是耗能元件,不会自激,不会影响电路。带来噪音的效果。
(3)滤波的频率范围不同。当电感在低频段不超过50MHz时,具有较好的滤波特性。频率较高时,滤波效果不好;而磁珠利用其电阻特性吸收高频噪声,滤除频率范围远大于磁珠。

(4)装置的直流压降不同。电感和磁珠都有直流电阻。同级别的滤波器,磁珠的直流电阻比电感小,磁珠的压降也比同级别的电感小。


4.静电放电

设计PCB时,应考虑ESD防护,走线应遵循水平和垂直走线方向,在空间允许的情况下走线尽量粗;不要在PCB的边缘布置对噪声敏感的信号,如时钟信号、复位信号等;当PCB由多层组成时,敏感走线应尽可能有良好的参考地平面;对于滤波器、光耦合器、弱信号走线等,应尽可能增加走线间距;远距离迹线需要过滤;根据对ESD的防护,应适当增加屏蔽罩。


ESD接口和保护可以遵循以下设计规则:
(1)一般电源防雷元器件的排列顺序为压敏电阻、保险丝、抑制二极管、EMI滤波器、电感或共模电感。原理图中缺少上述任何一个元件的,将顺延布局。
(2)一般接口信号保护器件的排列顺序为ESD(TVS管)、隔离变压器、共模电感、电容、电阻。原理图中缺少上述任何一种器件的,将顺延布局。
(3)严格按照示意图顺序“一线”布置
(4) 电平转换芯片应靠近连接器放置。
(5) 易受ESD干扰的器件,如NMOS、CMOS器件,判断是否尽可能远离易受ESD干扰的区域(如单板边缘)。
(6) 浪涌抑制器件(TVS管、压敏电阻)对应的信号线应短而表面粗(一般距离10mil以上)
(7) 不同接口之间的布线要清晰,不能相互交叉。接口线与连接的保护滤波装置之间的距离应尽可能短。接口线必须经过保护或滤波装置,然后到信号接收芯片。
(8) 接口装置的固定孔应接保护地,与外壳连接的定位孔和扳手应直接接信号地。
(9)变压器、光耦合器等器件的输入、输出信号地应分开。
5.PCB散热处理
一些发热量大的器件一般都有专用的散热垫,散热垫上要适当加过孔。
6. PCB板框

无论是布局、布线还是在内平面上镀铜,都必须相对于板框退缩一定的距离。缩孔的大小可根据设计要求选择。如无特殊说明,贴铜时,相应的板框应缩回0.5。mm会做的。


对于四层板设计,如果中间两层是电源层和地层,设置压痕以减少电磁辐射。

在实际的PCB设计中,主要有两种走线模型:微带线和带状线。微带线是走在电路板顶层或底层的信号线,带状线是走在电路板内层的信号线。


蛇形线会破坏信号质量和改变传输延迟,所以布线时尽量避免使用。但是在实际设计中,为了保证信号有足够的保持时间,或者为了减少同一组信号之间的时间偏移,往往需要刻意进行绕线。信号在蛇形线上传输时,平行线段之间会发生耦合,耦合形式为差模。S 越小,Lp 越大,耦合度越大,这可能会导致传输延迟的降低,并且由于 会大大降低信号质量。


处理蛇形线时的几点建议:
(1)尽量增大平行线段的距离(S),至少要大于3H,其中H是指信号走线到参考平面的距离。通俗地说,就是绕一个大弯走。只要S足够大,几乎可以完全避免互耦合效应。
(2) 减小耦合长度Lp。当双Lp延迟接近或超过信号上升时间时,产生的串扰将达到饱和。
(3) 带状线或埋地微带线的蛇形线造成的信号传输延迟比微带线小。理论上,带状线不会因差模串扰而影响传输速率。
(4)对于速度高、时序要求严格的信号线,尽量不要走蛇形线,尤其是在小范围内。
(5) 在空间允许的情况下,可采用任意角度的蛇形布线,可有效降低相互耦合。
(6) 在高速PCB设计中,蛇形线没有所谓的滤波或抗干扰能力,可能只会降低信号质量,所以只用于时序匹配,没有其他作用目的
(7) 有时可以考虑螺旋走线进行绕线,仿真表明其效果优于普通蛇形走线。

(8)蛇形线转角采用45°转角或圆角。


在最基本的 PCB电路板 上,零件基本上分组在一侧,电线分组在另一侧。此 PCB 被称为单面板,因为电线仅存在于一侧。多层板,其中多层有导线,两层之间必须有正确的电路连接。电路之间的桥称为过孔。电路板 的基本设计过程可以分为以下四个步骤:
(1)电路原理图设计---电路原理图设计主要是利用原理图编辑器绘制原理图。
(2) 生成网络报告——网络报告:显示电路原理和电路中各元件的连接关系。它是原理图设计和电路板设计之间的桥梁和纽带。通过电路原理图的网络报告,可以快速找到元件之间的连接,为以后的PCB设计提供方便。
(3)印刷电路板设计---印刷电路板设计就是我们通常所说的PCB设计,是电路原理图转化的最终形式。该设计比电路原理图的设计难度更大。我们可以借助强大的设计功能来完成这部分的设计。
(4)生成打印的电路板报告——打印电路板设计完成后,还有最后一个过程要完成,就是生成报告:电路板信息报告,生成管脚报告、网络状态报告等,最后印刷电路图。


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