印制电路板的设计

6.2　印制电路板的设计

印制电路板的设计是根据设计人员的意图，将电原理图转化成印制板图，确定加工技术要求的过程。印制电路板设计通常有两种方法：一种是人工设计；另一种是计算机辅助设计。无论采取哪种方式，都必须符合电原理图的电气连接和电气、机械性能要求。

6.2.1　印制电路板的排版布局

印制电路板设计的主要内容是排版设计。把电子元器件在一定的制板面积上合理地布局排版，是设计印制板的第一步。排版设计，不单纯是按照电路原理把元器件通过印制线条简单地连接起来。为使整机能够稳定可靠地工作，要对元器件及其连接在印制板上进行合理的排版布局。如果排版布局不合理，就有可能出现各种干扰，以致合理的原理方案不能实现，或使整机技术指标下降。这里介绍印制板整体布局的几个一般原则。

1.印制板的抗干扰设计原则

干扰现象在整机调试和工作中经常出现，产生的原因是多方面的，除外界因素造成干扰外，印制板布局布线不合理，元器件安装位置不当，屏蔽设计不完备等都可能造成干扰。

（1）地线布置与干扰

原理图中的地线表示零电位。在整个印制板电路中的各接地点相对电位差也应是零。印制板电路上各接地点，并不能保证电位差绝对是零。在较大的印制板上，地线处理不好，不同的地点有百分之几伏的电位差是完全可能的，这极小的电位差信号，经放大电路放大，可能形成影响整机电路正常工作的干扰信号。我们身边的许多电子产品都是由多种多级放大器，振荡器等单元电路构成的。如图6.5所示是一般收音机的框图，图中的O点是真正的地点，A、B、C、D各点是各级电路的接地点。假设设计它的印制板地线时，OA、AB、BC、CD各段均采用长10mm、宽1.5mm、铜箔厚度0.05mm的印制导线，则各段导线电阻R＝0.026Ω，这是一个极小的电阻。但地线如按照框图类似设置，后果是干扰严重，甚至不能工作。假定该收音机的高端高频信号为30MHz，AO间的感抗高达16Ω，如此大的电感将大大减少AO间的电流，造成高频干扰。还有465kHz的中频干扰依次叠加在CB、BA、AO等段的地线上，致使低放、功放都不能正常工作。这是地线不合理设计的例子。

图6.5　收音机框图

为克服地线干扰，应尽量避免不同回路电流同时流经某一段共用地线，特别是高频和大电流回路中。印制板上的各单元电路的地点应集中一点，称之为一点接地。这样可避免交流信号的乱窜。解决的方法是并联分路接地和大面积覆盖式接地。

①并联分路式接地

在印制板设计时，各单元电路分别通过各自的地线与总地点相连。总地点是O电位处，形成汇流之势。这样可减少分支电流的交叉乱流，避免了不应有的电信号在地线上的叠加形成的地线干扰。

②大面积覆盖接地

在高频电路印制板的设计中，尽量扩大印制板上地线的面积，可以有效地减少地线产生的感抗，有效地削弱地线产生的高频信号的感应干扰信号。地线面积越大，对电磁场的屏蔽功能越好。

（2）电磁场干扰与抑制

印制板的采用使元器件的安装变得紧凑有序，连线密集是其优点之一。布局不规范，走线不合理也会造成元器件之间、线条之间的寄生电容和寄生电感。同时也很容易接收和产生电磁波的干扰。如何克服和避免这些问题，在印制板设计时应予以考虑。

①元器件间的电磁干扰

电子器件中的扬声器、电磁铁、继电器线包、永磁式仪表等含有永磁场和恒定磁场或脉动磁场。变压器、继电器会产生交变磁场。这些器件工作时不仅对周围器件产生电磁干扰，对印制板的导线也会产生影响。在印制板设计时可视不同情况区别对待。有的可加大空间距离，远离强磁场减少干扰；有的可调整器件间的相互位置改变磁力线的方向；有的可对干扰源进行磁屏蔽；增加地线、加装屏蔽罩等措施都是行之有效的。

②印制板导线间的电磁辐射干扰

平行印制导线与空间平行导线一样，它们之间可以等视为相互耦合的电容和电感器件。其中一根导线有电流通过时，其他导线也会产生感应信号，感应信号的大小与原信号的大小及频率有关，与线间距离有关。原信号为干扰源，干扰对弱信号的影响极大，在印制板布线时，弱信号的导线应尽可能的短，避免与其他强信号线的平行走向和靠近。不同回路的信号线避免平行走向。双面板正反两面的线条应垂直。有时信号线密集，很难避免与强信号线平行走向，为抑制干扰，弱信号线采用屏蔽线，屏蔽层要良好接地。

（3）热干扰及其抑制

电子产品，特别是长期连续工作的产品，热干扰是不可避免的问题。电子设备如示波器、大功率电源、发射机、计算机、交换机等都配有排风降温设备，对其环境温度要求较严格，要求温度和湿度有一定的范围。这是为了保护机器中的温度敏感器件能正常工作。

在印制板的设计中，印制板上的温度敏感性器件如锗材料的半导体器件要给以特殊考虑，避免温升造成工作点的漂移影响机器的正常工作。对热源器件如大功率管，大功率电阻，设置在通风好易散热的位置。散热器的选用留有余地，热敏感器件远离发热器件等。印制板设计师应对整机结构中的热传导、热辐射及散热设施的布局及走向都要加以考虑，使印制板设计与整机构思相吻合。

2.按照信号流走向的布局原则

对整机电路的布局原则是：把整个电路按照功能划分成若干个电路单元，按照电信号的流向，逐个依次安排各个功能电路单元在板上的位置，使布局便于信号流通，并使信号流尽可能保持一致的方向。在多数情况下，信号流向安排成从左到右（左输入、右输出）或从上到下（上输入、下输出）。与输入、输出端直接相连的元器件应当放在靠近输入、输出接插件或连接器的地方。以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。例如：一般是以三极管或集成电路等半导体器件作为核心元件，根据它们各电极的位置，布设其他元器件。

3.操作性能对元件位置的要求

（1）对于电位器、可变电容器或可调电感线圈等调节元件的布局，要考虑整机结构的安排。如果是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应，如果是机内调节，则应放在印制板上能够方便地调节的地方。

（2）为了保证调试、维修的安全，特别要注意带高电压的元器件尽量布置在操作时人手不易触及的地方。

4.增加机械强度的考虑

（1）要注意整个电路板的重心平衡与稳定。对于那些又大又重、发热量较多的元器件（如电源变压器、大电解电容器和带散热片的大功率晶体管等），一般不要直接安装固定在印制电路板上。应当把它们固定在机箱底板上，使整机的重心靠下，容易稳定。否则，这些大型元器件不仅要大量占据印制板上的有效面积和空间，而且在固定它们时，往往可能使印制板弯曲变形，导致其他元器件受到机械损伤，还会引起对外连接的接插件接触不良。重量在15g以上的大型元器件，如果必须安装在电路板上，不能只靠焊盘焊接固定，应当采用支架或卡子等辅助固定措施。

（2）当印制电路板的板面尺寸大于200mm×150mm时，考虑到电路板所承受重力和振动产生的机械应力，应该采用机械边框对它加固以免变形。在板上留出固定支架、定位螺钉和连接插座所用的位置。

6.2.2　一般元器件的布局

1.元器件的排列格式

元器件的排列格式分为不规则和规则两种，如图6.6所示。这两种方式在印制板上可单独使用，也可同时使用。

图6.6　元器件的排列格式

（1）不规则排列

特别适合于高频电路。元器件的轴线方向彼此不一致，排列顺序也没有规律。这使得印制导线的布设十分方便，可以缩短、减少元器件的连线，大大降低版面印制导线的总长度。对改善电路板的分布参数、抑制干扰很有好处。

（2）规则排列

元器件的轴线方向排列一致，版面美观整齐，装配、焊接、调试、维修方便，被多数非高频电路所采用。

2.一般元器件的布局原则

在印制板的排版设计中，元器件布设是至关重要的，它决定了板面的整齐美观程度和印制导线的长短与数量，对整机的可靠性也有一定的影响。布设元器件应该遵循如下几条原则。

（1）元器件在整个版面布局排列应均匀、整齐、美观。

（2）板面布局要合理，周边应留有空间，以方便安装。位于印制电路板边上的元器件，距离印制板的边缘应该至少大于2mm。

（3）一般元器件应该布设在印制板的一面，并且每个元器件的引出脚要单独占用一个焊盘。

（4）元器件的布设不能上下交叉。相邻的两个元器件之间，要保持一定间距。间距不得过小，避免相互碰接。如果相邻元器件的电位差较高，则应当保持安全距离。

（5）元器件的安装高度要尽量低，以提高其稳定性和抗振性。

（6）根据印制板在整机中的安装位置及状态确定元器件的轴线方向，以提高元件在电路板上的稳定性。

（7）元件两端焊盘的跨距应稍大于元件体的轴向尺寸，管脚引线不要从根部弯折，应留有一定距离（至少2mm），以免损坏元件。

（8）对称电路应注意元件的对称性，尽可能使其分布参数一致。

3.布线设计

印制导线的宽度主要由铜箔与绝缘基板之间的黏附强度和流过导体的电流强度来决定。

（1）印制导线的宽度

一般情况下，印制导线应尽可能宽一些，这有利于承受电流和方便制造。表6.1所示为0.05mm厚的导线宽度与允许的载流量、电阻的关系。

表6.1　印制导线设计参考数据

在决定印制导线宽度时，除需要考虑载流量外，还应注意它在电路板上的剥离强度以及与连接焊盘的协调性，线宽b＝（1/3～2/3）D，D为焊盘的直径。一般的导线宽度可在0.3mm～2.0mm之间，建议优先采用0.5mm、1.0mm、1.5mm和2.0mm，其中0.5 mm主要用于小型设备。

印制导线具有电阻，通过电流时将产生热量和电压降。印制导线的电阻在一般情况下不予考虑，但当作为公共地线时，为避免地线电位差而引起寄生要适当考虑。

印制电路的电源线和接地线的载流量较大，因此，设计时要适当加宽，一般取1.5mm～2.0mm。当要求印制导线的电阻和电感小时，可采用较宽的信号线；当要求分布电容小时，可采用较窄的信号线。

（2）印制导线的间距

一般情况下，建议导线间距等于导线宽度，但不小于1mm，否则浸焊就有困难。对小型设备，最小导线间距不小于0.4mm。导线间距与焊接工艺有关，采用浸焊或波峰焊时，间距要大一些，手工焊间距可小一些。

在高压电路中，相邻导线间存在着高电位梯度，必须考虑其影响。印制导线间的击穿将导致基板表面炭化、腐蚀或破裂。在高频电路中，导线间距离将影响分布电容的大小，从而影响着电路的损耗和稳定性。因此导线间距的选择要根据基板材料、工作环境、分布电容大小等因素来确定。最小导线间距还同印制板的加工方法有关，选择时要综合考虑。

（3）布线原则

印制导线的形状除要考虑机械因素、电气因素外，还要考虑美观大方，所以在设计印制导线的图形时，应遵循以下原则。

①同一印制板的导线宽度（除电源线和地线外）最好一致。

②印制导线应走向平直，不应有急剧的弯曲和出现尖角，所有弯曲与过渡部分均用圆弧连接。

③印制导线应尽可能避免有分支，如必须有分支，分支处应圆滑。

④印制导线应避免长距离平行，对双面布设的印制线不能平行，应交叉布设。

⑤如果印制板面需要有大面积的铜箔，例如电路中的接地部分，则整个区域应镂空成栅状，这样在浸焊时能迅速加热，并保证涂锡均匀。此外还能防止板受热变形，防止铜箔翘起和剥落。

⑥当导线宽度超过3mm时，最好在导线中间开槽成两根并联线。

⑦印制导线由于自身可能承受附加的机械应力，以及局部高电压引起的放电现象，因此，尽可能避免出现尖角或锐角拐弯，一般优先选用和避免采用印制导线形状，如图6.7所示。

图6.7　印制导线的形状

4.焊盘与过孔设计

元器件在印制板上的固定，是靠引线焊接在焊盘上实现的。过孔的作用是连接不同层面的电气连线。

（1）焊盘的尺寸

焊盘的尺寸与引线孔、最小孔环宽度等因素有关。为保证焊盘与基板连接的可靠性，应尽量增大焊盘的尺寸，但同时还要考虑布线密度。

引线孔钻在焊盘的中心，孔径应比所焊接元件引线的直径略大一些。元器件引线孔的直径优先采用0.5mm、0.8mm和1.2mm等尺寸。焊盘圆环宽度在0.5mm～1.0mm的范围内选用。一般对于双列直插式集成电路的焊盘直径尺寸为1.5mm～1.6mm，相邻的焊盘之间可穿过0.3mm～0.4mm宽的印制导线。一般焊盘的环宽不小于0.3mm，焊盘直径不小于1.3mm。实际焊盘的大小选用表6.2推荐的参数。

表6.2　引线孔径与相应焊盘

（2）焊盘的形状

根据不同的要求选择不同形状的焊盘。常见的焊盘形状有圆形、方形、椭圆形、岛形和异形等，如图6.8所示。

图6.8　常见焊盘形状

圆形焊盘：外径一般为2～3倍孔径，孔径大于引线0.2mm～0.3mm。

岛型焊盘：焊盘与焊盘间的连线合为一体，犹如水上小岛，故称岛型焊盘。常用于元器件的不规则排列中，其有利于元器件密集固定，并可大量减少印制导线的长度和数量。所以，多用在高频电路中。

其他形式的焊盘都是为了使印制导线从相邻焊盘间经过而将圆形焊盘变形所制，使用时要根据实际情况灵活运用。

（3）过孔的选择

孔径尽量小到0.2mm以下为好，这样可以提高金属化过孔两面焊盘的连接质量。

6.2.3　印制板草图设计

印制板草图就是绘制在坐标图纸上的印制板图，一般用铅笔绘制，便于绘制过程中随时调整和涂改。它是黑白图的依据，是产品设计中的正规资料。草图要求将印制板的外形尺寸、安装结构、焊盘焊孔位置、导线走向均按一定比例绘制出来。黑白图是将设计好的草图过渡到铜板纸上绘制而成。

1.草图的具体绘制步骤

（1）按设计尺寸取方格纸或坐标纸。

（2）画出板面轮廓尺寸，留出板面各工艺孔空间，而且还留出图纸技术要求说明空间。

（3）用铅笔画出元器件外形轮廓，小型元件可不画轮廓，但要做到心中有数。

（4）标出焊盘位置，勾勒印制导线。

（5）复核无误后，擦掉外形轮廓，用绘图笔重描焊点和印制导线。（6）标明焊盘尺寸、线宽，注明印制版技术要求。

如图6.9所示是设计草图绘制过程。

图6.9　草图绘制过程

2.双面板草图的设计与绘制

双面板图的绘制与单面板图差异不大，绘制时一定要标注清楚元器件面，以便印制图形符号及产品标记。导线焊盘分布在正反两面。在绘制时应注意以下几点。

（1）元器件布在一面，主要印制导线布在另一面，两面印制导线尽量避免平行布设，力求相互垂直，以减少干扰。

（2）两面印制导线最好分布在两面，如在一面绘制，则用双色区别，并注明对应层的颜色。

（3）两面焊盘严格对应，可通过针扎孔来将一面焊盘中心引到另一面。

（4）在绘制元件面导线时，注意避让元件外壳、屏蔽罩等。