印制电路板的设计原则

2．2　印制电路板的设计原则

印制电路板设计的主要内容是把电子元器件在一定的制板面积上合理地布局，设计出最合理的电气连接线路，绘制一张不交叉的图样。

印制电路板在设计时，布局尤为重要。如果印制电路板的布局不合理，就可能产生各种干扰。因此，在设计印制电路板时要满足基本的布局要求：保证电路的电气性能；有利于产品的生产、使用和维护；印制导线尽可能短。同时，设计印制电路板的布局应按照信号流的走向进行设计。

2．2．1　元器件的布局规则

1．元器件的安装方式

元器件在印制电路板上的安装方式有立式安装和卧式安装两种，如图2－1所示。立式安装时元器件与印制电路板呈垂直状态，因此要求元器件体积小、重量轻，立式安装时元器件占用面积小，适合元器件排列密集紧凑的设计；卧式安装时元器件与印制电路板呈平行状态，元器件稳定性强，板面排列整齐，元器件跨距增大，对于印制导线的绘制有很大帮助。应根据实际情况选择合适的安装方式。

图2－1　元器件的安装方式

2．元器件的排列方式

元器件在印制电路板上的排列与产品种类和性能有关，常用的方式有不规则排列和规则排列两种。

不规则排列又称为随机排列，元器件的轴线方向任意，如图2－2所示。不规则排列看似杂乱无章，但元器件不受位置与方向的限制，使得印制导线布置时很方便，同时可以缩短元器件布线长度，使板面印制导线减少，对高频电路和低频电路的设计很有好处。

规则排列元器件的轴线方向与板子的四边垂直或平行，如图2－3所示。这种方式下元器件排列很规范，板面美观、整齐，安装、调试及维修较为方便，但是由于元器件排列受到方向或位置的限制，因此导线布置要复杂一些，导线会相应增加。这种排列常用于板面宽、元器件种类少、数量多的低频电路。

图2－2　不规则排列

图2－3　规则排列

3．元器件的一般布局规则

元器件应当均匀、整齐、紧凑地排列在印制电路板上，尽量减少和缩短各个单元电路之间以及每个元器件之间的引线连接。元器件在布局时应遵循以下原则。

（1）在保证电气性能优良的情况下，元器件在印制电路板上应分布均匀、疏密一致。

（2）相邻元器件之间要保持一定的散热距离，以免元器件之间相互干扰。

（3）发热元器件应安放在有利于散热的位置，必要时单独放置或安装散热器，以降低对邻近元器件的影响。热敏感元器件要远离高温区域，或采用热屏蔽结构。

（4）大而重的元器件应尽可能安置在印制电路板靠近固定端的位置，并降低其重心，以提高力学强度和耐振、耐冲击的能力，减少印制电路板的负荷和变形。

（5）布置元器件时不能上下交叉，图2－4所示的为不正确的布设方法。

（6）元器件两端焊盘的跨距应稍大于元器件的轴向尺寸，引线不要齐根弯折，应该留出一定的距离，以免损坏元器件引线。如图2－5所示，图2－5（a）所示的为正确的引脚弯折方式，图2－5（b）所示的为错误的引脚弯折方式。

图2－4　不正确的布设方法

图2－5　元器件引脚弯折示意图

（7）元器件的安装高度要尽量低，一般元器件和引线离开板面不要超过5mm，过高则在承受振动和冲击时，其稳定性较差。

2．2．2　印制电路板的焊盘及导线设计

1．焊盘

1）焊盘的形状

焊盘的形状有很多种，应根据不同的设计选用不同形状的焊盘。

岛形焊盘如图2－6所示，常用于元器件的不规则排列，特别是在元器件采用立式不规则安装时更为常用。电视机、收音机等家用电器产品几乎都采用这种焊盘。

圆形焊盘如图2－7所示，焊盘与引线孔为一个同心圆，焊盘的外径一般为引线孔径的2～3倍，多在元器件规则排列中使用，双面板也多采用这种类型的焊盘。

方形焊盘如图2－8所示，元器件体积大、数量少并且导线简单的印制电路板多采用方形焊盘。在一些手工制作的印制电路板中，也常用这种类型的焊盘。

椭圆焊盘如图2－9所示，这种焊盘有足够的面积增强抗剥能力，利于中间走线，常用于双列直插式元器件或插座类元器件。

图2－6　岛形焊盘

图2－7　圆形焊盘

图2－8　方形焊盘

图2－9　椭圆焊盘

2）引线孔

引线孔具有电气连接和机械固定的双重作用，孔太小不利于安装，同时焊锡也不能润湿金属孔；孔太大又容易形成气孔等焊接缺陷。由于引线孔是钻在焊盘中心的，因此孔径应该比所焊接的元器件引脚直径大0．2～0．4mm。

3）焊盘外径

在选择焊盘时应考虑焊盘的抗剥能力。单面板焊盘外径应大于引线孔1．5mm，即焊盘外径为D，引线孔为d，则一般焊盘外径D≥（d＋1．5）（单位：mm）。

对于双面板而言，其焊盘外径D≥（d＋1．0）（单位：mm），同时，参考表2－1所示数据进行选择。

表2－1　引线孔与焊盘外径对照表

2．导线

1）导线的宽度

印制导线的宽度是由该导线的工作电流决定的，表2－2所示的为印制导线宽度与最大工作电流的关系。从表2－2可以看出，导线宽度不同，允许通过的电流也不同，因此不同的电流要选择不同的导线宽度。一般的经验是：电源线和地线在板面允许的条件下尽量宽一些，一般要大于1mm；对于长度超过100mm的导线，即使工作电流不大，也应适当加宽导线宽度以减少导线压降对电路的影响；一般在信号获取和处理电路中，可以不考虑导线宽度；一般安装密度不大的印制电路板，印制导线宽度以不小于0．5mm为宜，对于手工制作的印制电路板，应不小于0．8mm。

表2－2　导线宽度与最大工作电流的关系

2）导线间距

导线的最小间距主要是由最恶劣情况下导线之间的绝缘电阻和击穿电压决定的。一般导线间距都等于导线宽度，但不小于1mm。导线间距越小，分布电容就越大，电路稳定性就越差。印制电路板基板的种类、制造质量及表面涂敷都会影响导电体间安全工作电压。表2－3所示的为安全工作电压、击穿电压和导线间距的关系。

表2－3　安全工作电压、击穿电压和导线间距之间的关系

3）导线走向

印制电路板的布线是根据原理图的设计要求来进行的，导线的走向要在设计过程中考虑。常见导线的走向如图2－10所示。

在设计导线的过程中，要注意：导线以短为佳；走线平滑自然，最好是圆弧，避免急拐弯和尖角，拐角不得小于90°，因为内角太小在制板时难以腐蚀，而且过尖的外角铜箔处容易剥离或翘起；当导线通过两个焊盘或两条导线中间时，要保持安全距离。

图2－10　导线的走向

图2－11　跨接线的绘制方法

4）导线布局的一般原则

（1）电源线和地线走线最长，在设计时要先考虑。一般将公共地线布置在印制电路板的最边缘，便于印制电路板在机架上的固定和连接。导线和印制电路板的边缘要有一定的距离，一般不小于板厚。

（2）按照信号流向进行布线，同时要确保走线简捷。

（3）单面印制电路板的有些导线有时要绕着走或平行走，这样导线就会比较长，不仅使得引线电感增大，而且导线之间、电路之间的寄生耦合也增加了。若有个别导线不能绕着走或平行走，则可以利用跨接线来避免导线交叉，其跨接线的绘制方法如图2－11所示。

2．2．3　印制电路板的抗干扰设计

电子设备工作时，常会受到各种因素的干扰。电子设备的小型化使得干扰源与敏感单元靠得很近，干扰传播路径缩短，干扰机会增大。

1．电磁干扰及抑制

电磁干扰是指在电子设备或系统工作过程中出现的一些与有用信号无关的，并且对电子设备或系统性能或信号传输有害的电气变化现象。电磁干扰主要是由三个因素，即电磁干扰源、干扰传播途径、敏感设备构成的。干扰传播途径包括辐射耦合、干扰耦合和传导耦合三种。电磁干扰因素如图2－12所示。

图2－12　电磁干扰三个因素

电磁干扰根据干扰的耦合模式划分为静电干扰、磁场耦合干扰、漏电耦合干扰、共阻抗干扰、电磁辐射干扰等。为了避免电磁干扰，使电子产品能够正常、可靠地工作，并达到预期的功能，电子设备必须具有较高的抗干扰能力。常用的抑制电磁干扰的方法有以下几种。

1）避免印制导线之间的寄生耦合

两条相距很近的近似平行导线，它们之间的分布参数可以等效为相互耦合的电感和电容，如图2－13所示，当信号从一条线中通过时，另一条线内也会产生感应信号。感应信号的大小与原始信号的频率及功率有关，感应信号便是分布参数产生的干扰源。

图2－13　平行线效应

为了抑制这种干扰，制板前要分析原理图，区别强弱信号线，使弱信号线尽量短，同时避免与其他信号线平行靠近；布线越短越好，同时按照信号流向布线，避免迂回穿插，要远离干扰源，尽量远离电源线、高电平导线；不同回路的信号线要尽量避免相互平行布设，双面板两面的印制导线走向要尽量互相垂直，尽量避免平行布设。这些措施有利于减少分布参数造成的干扰。

2）减小磁性元器件对印制导线的干扰

扬声器、电磁铁、永磁式仪表等产生的恒定磁场和高频变压器、继电器等产生的交变磁场，对周围的印制导线均会产生干扰。注意分析磁性元器件的磁场方向，减少印制导线对磁力线的切割，这样可以排除这类干扰。

3）导线屏蔽

高频导线的屏蔽，通常是在其外表面套上一层金属丝的编织网。中心导线称为芯线，套在外表面的金属网称为屏蔽层，芯线与屏蔽层之间衬有绝缘材料，屏蔽层外面还有一层绝缘套管，用于保护屏蔽线。

2．地线干扰及抑制

为了构成电信号的通路，防止设备外壳带电而造成人身危害，一般电子设备的外壳、插件、插箱、底板等都与地相连。连接地的导线称为地线，地线设置不合理，各电路之间就会造成地线干扰，其干扰分为两种，即地阻抗干扰和地环路干扰。因此在印制电路板的设计过程中，地线的设计十分重要。基本的接地方法如下。

1）一点接地

一点接地是将电子设备中各个单元的信号地线接到一个点上，这是消除地线干扰的基本原则。串联式一点接地因各个单元共用一条地线，故容易引起共地阻抗干扰。图2－14所示的为并联式一点接地方式，将每个单元电路的单独地线连接到同一个接地点上，低频时可以有效地避免各个单元之间的共阻抗耦合和低频接地环路的干扰。在实际设计印制电路板时，应将这些接地元器件尽可能地就近接到公共地线的一段或一个区域内，也可以接到一个分支地线上。

图2－14　并联式一点接地

2）多点接地

多点接地是指设备或系统中设计多个接地平面，使接地引线的长度最短的接地方式。其优点是，电路构成比单点接地的简单，接地线上出现高频驻波现象的可能性显著减少。

3）大面积接地

在高频电路中将所有能用面积均布设为地线，可以有效地减小地线中的感抗，从而削弱在地线上产生的高频信号。这种布线方式中，元器件一般都采用不规则排列，并按照信号流向依次布设，以求最短的传输线和最大面积接地，同时，大面积接地还可以对电场干扰起到屏蔽的作用。

2．2．4　印制电路板的散热设计

电子设备在工作时，输入功率只有一部分作为有用功输出，还有很多电能将转化成热能，使得电子设备的元器件温度升高。但是元器件允许的工作温度都是有限的，如果实际温度超过了元器件的允许温度，则元器件的性能就会出现问题，甚至烧毁。因此，在设计印制电路板时，应该考虑发热元器件、怕热元器件及热敏元器件的分布和布线方式。印制电路板散热设计的基本原则是：有利于散热、远离热源。

（1）尽量不要把几个发热元器件放在一起。装在印制电路板上的发热元器件应该布置在通风较好的位置，以便有利于元器件通过机壳上的通风孔散热，同时还要考虑使用散热器或小风扇进行散热处理。

（2）怕热元器件及热敏元器件应该尽量远离热源或设备上部。电路长期工作引起温度升高，会影响这些元器件的工作状态和性能。

（3）发热元器件不宜贴着印制电路板安装，应该留有一定的散热空间，避免印制电路板受热过度而损坏。