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交換機PCB板布局布線注意事項

 由于板卡在工作中會受到各種各樣的干擾,這些干擾不僅影響系統運行的穩定性,同時也有可能帶來誤差,因此考慮如何抑制干擾,提高電磁兼容性是PCB布局布線時的一項重要任務。海翎光電的小編現將PCB布局布線中需要主要考慮的因素列在下面:

一、 布局
1、遵照“先大后小,先難后易”的布置原則,即重要的單元電路、核心元器件應當優先布局
2、布局中應參考原理框圖,根據主信號流向規律安排主要元器件;
3、元器件的排列要便于調試和維修,小元件周圍不能放置大元件、需調試的元器件周圍要有足夠的空間;
4、相同結構電路部分,盡可能采用“對稱式”標準布局;
5、按照均勻分布、重心平衡、版面美觀的標準優化布局;
6、同類型插裝元器件在X或Y方向上應朝一個方向放置。同一種類型的有極性分立元件也盡量在X或Y方向上保持一致,便于生產和檢驗。
7、發熱元件應均勻分布利于單板和整機的散熱,除溫度檢測元件以外的溫度敏感器件應遠離發熱量的元器件。
8、布局應盡量滿足以下要求:總的連線盡可能短,關鍵信號線最短;高電壓、大電流信號與小電流,低電壓的弱信號完全分開;模擬信號與數字信號分開;高頻信號與低頻信號分開;高頻元器件的間隔要充分。
9、去偶電容的布局要盡量靠近IC的電源管腳,并使之與電源和地之間形成的回路最短。
10、元件布局時,應適當考慮使用同一種電源的器件盡量放在一起, 以便于將來的電源分隔。

二、布線
(一)布線優先次序
關鍵信號線優先:摸擬小信號、高速信號、時鐘信號和同步信號等關鍵信號優先布線
密度優先原則:從單板上連接關系最復雜的器件著手布線。從單板上連線最密集的區域開始布線
注:盡量為時鐘信號、高頻信號、敏感信號等關鍵信號提供專門的布線層,并保證其最小的回路面積。必要時應采取手工優先布線、屏蔽和加大安全間距等方法。保證信號質量。
    電源層和地層之間的EMC環境較差,應避免布置對干擾敏感的信號。
    有阻抗控制要求的網絡應盡量按線長線寬要求布線。
(二)四種具體走線方式
1、時鐘的布線:
    時鐘線是對EMC 影響最大的因素之一。在時鐘線上應少打過孔,盡量避免和其它信號線并行走線,且應遠離一般信號線,避免對信號線的干擾。同時應避開板上的電源部分,以防止電源和時鐘互相干擾。
如果板上有專門的時鐘發生芯片,其下方不可走線,應在其下方鋪銅,必要時還可以對其專門割地。對于很多芯片都有參考的晶體振蕩器,這些晶振下方也不應走線,要鋪銅隔離。

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2、直角走線:
    直角走線一般是PCB布線中要求盡量避免的情況,也幾乎成為衡量布線好壞的標準之一,從原理上說,直角走線會使傳輸線的線寬發生變化,造成阻抗的不連續。其實不光是直角走線,頓角,銳角走線都可能會造成阻抗變化的情況。
直角走線對信號的影響就是主要體現在三個方面:

  • 拐角可以等效為傳輸線上的容性負載,減緩上升時間;

  • 阻抗不連續會造成信號的反射;

  • 直角尖端產生的EMI。

     

3、差分走線:
    差分信號(Differential Signal)在高速電路設計中的應用越來越廣泛,電路中最關鍵的信號往往都要采用差分結構設計。通俗地說,其就是驅動端發送兩個等值、反相的信號,接收端通過比較這兩個電壓的差值來判斷邏輯狀態是“0”還是“1”。而承載差分信號的那一對走線就稱為差分走線。
差分信號和普通的單端信號走線相比,最明顯的優勢體現在以下三個方面:
①、抗干擾能力強,因為兩根差分走線之間的耦合很好,當外界存在噪聲干擾時,幾乎是同時被耦合到兩條線上,而接收端關心的只是兩信號的差值,所以外界的共模噪聲可以被完全抵消。
②、能有效抑制EMI,同樣的道理,由于兩根信號的極性相反,他們對外輻射的電磁場可以相互抵消,耦合的越緊密,泄放到外界的電磁能量越少。
③、時序定位精確,由于差分信號的開關變化是位于兩個信號的交點,而不像普通單端信號依靠高低兩個閾值電壓判斷,因而受工藝,溫度的影響小,能降低時序上的誤差,同時也更適合于低幅度信號的電路。目前流行的LVDS(low voltage differential signaling)就是指這種小振幅差分信號技術。

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設計差分對走線時,要遵循以下原則。

a. 保持差分對的兩信號走線之間的距離S在整個走線上為常數。

b. 確保D>2S,以最小化兩個差分對信號之間的串擾。

c. 使差分對的兩信號走線之間的距離S滿足S=3H,以便使元件的反射阻抗最小化。

d. 將兩差分信號線的長度保持相等,以消除信號的相位差。

e. 避免在差分對上使用多個過孔,因為過孔會產生阻抗不匹配和電感。


4、蛇形線:
蛇形線主要目的就是為了調節延時,滿足系統時序設計要求。蛇形線會破壞信號質量,改變傳輸延時,布線時要盡量避免使用。但實際設計中,為了保證信號有足夠的保持時間,或者減小同組信號之間的時間偏移,往往不得不故意進行繞線。
注:成對出現的差分信號線,一般平行走線,盡量少打過孔,必須打孔時,應兩線一同打孔,以做到阻抗匹配。
相同屬性的一組總線,應盡量并排走線,做到盡量等長。

(三)布線常用規則
1、走線的方向控制規則:
即相鄰層的走線方向成正交結構。避免將不同的信號線在相鄰層走線同一方向,以減少不必要的層間串擾;由于板結構限制難免出現該情況,特別是信號速率較高時,應考慮用地信號線隔離各信號線,用地平面隔離各信號層。

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2、走線的開環檢查規則:
一般不允許出現一端浮空的布線, 主要是為了避免產生"天線效應",減少不必要的干擾輻射和接收,否則可能帶來不可預知的結果。

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3、阻抗匹配檢查規則:
同一網絡的線寬應保持一致,線寬的變化會造成線路特性阻抗的不均勻,當傳輸的速度較高時會產生反射,應盡量避免這種情況。在某些條件下,如接插件引出線,BGA封裝的引出線類似的結構時,可能無法避免線寬的變化,應該盡量減少中間不一致部分的有效長度。

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4、走線長度控制規則:
短線規則,布線長度盡量短,以減少由于走線過長帶來的干擾問題,特別是一些重要信號線,如時鐘線,務必將其振蕩器放在離器件很近的地方。對驅動多個器件的情況,應根據具體情況決定采用何種網絡拓撲結構。

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5、倒角規則:
PCB設計中應避免產生銳角和直角, 產生不必要的輻射,同時工藝性能也不好。

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6、焊盤與過孔:
焊盤內不允許有過孔,以避免因焊料流失所引起的焊接不良,如過孔需要與焊盤相連,應盡可能用細線延長加以連接,連線需阻焊油覆蓋,切過孔與焊盤邊沿之間的距離大于0.5MM

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7、焊盤引出線布線規則
連接線路與SOIC、PLCC、SOT等器件的焊盤時,一般建議將導線從焊盤兩端引出。

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8、導線與片式元器件焊盤的連接
連接導線與片式元器件時,原則上可以在任意點連接。但對采用再流焊進行焊接的片式元器件,最好按以下原則設計。
a. 對于采用兩個焊盤安裝的元器件,如電阻、電容,與其焊盤連接的印制導線最好從焊盤中心位置對稱引出,且與焊盤連接的印制導線必須具有一樣寬度。對線寬小于0.3mm(12mil)的引出線可以不考慮此條規定.
b. 與較寬印制線連接的焊盤,中間最好通過一段窄的印制導線過渡,這一段窄的印制導線通常被稱為“隔熱路徑”,否則,對于封裝0805及其以下片式類SMD,焊接時極易出現“立片”。

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9、器件去耦規則:
在印制版上增加必要的去耦電容,濾除電源上的干擾信號,使電源信號穩定。在多層板中,對去耦電容的位置一般要求不太高,但對雙層板,去藕電容的布局及電源的布線方式將直接影響到整個系統的穩定性,有時甚至關系到設計的成敗。
在雙層板設計中,一般應該使電流先經過濾波電容濾波再供器件使用。
在高速電路設計中,能否正確地使用去耦電容,關系到整個板的穩定性。

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10、器件布局分區/分層規則:
主要是為了防止不同工作頻率的模塊之間的互相干擾,同時盡量縮短高頻部分的布線長度。
對混合電路,也有將模擬與數字電路分別布置在印制板的兩面,分別使用不同的層布線,中間用地層隔離的方式。

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11、地線回路規則:
環路最小規則,即信號線與其回路構成的環面積要盡可能小,環面積越小,對外的輻射越少,接收外界的干擾也越小。

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12、設計接地保護走線
在一個沒有完整的地平面的兩層板中,如果在一個敏感的音頻輸入電路的走線兩邊并行走一對接地的走線,串擾可以減少一個數量級。
在數字電路中,可以采用一個完整的接地平面取代接地保護走線,接地保護走線在很多地方比完整的接地平面更有優勢。

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13、電源與地線層的完整性規則:

對于導通孔密集的區域,要注意避免孔在電源和地層的挖空區域相互連接,形成對平面層的分割,從而破壞平面層的完整性,進而導致信號線在地層的回路面積增大。

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14、3W規則:

為了減少線間串擾,應保證線間距足夠大,當線中心間距不少于3倍線寬時,則可保持70%的電場不互相干擾,稱為3W規則。如要達到98%的電場不互相干擾,可使用10W的間距。

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15、屏蔽保護
對應地線回路規則,實際上也是為了盡量減小信號的回路面積,一些比較重要的信號,如時鐘信號,同步信號;對一些特別重要,頻率特別高的信號,應該考慮采用同軸電纜屏蔽結構設計,即將所布的線上下左右用地線隔離,而且還要考慮好如何有效的讓屏蔽地與實際地平面有效結合。

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16、走線終結網絡規則:
在高速數字電路中, 當PCB布線的延遲時間大于信號上升時間(或下降時間) 的1/4時,該布線即可以看成傳輸線,為了保證信號的輸入和輸出阻抗與傳輸線的阻抗正確匹配,可以采用多種形式的匹配方法, 所選擇的匹配方法與網絡的連接方式和布線的拓樸結構有關。
對于點對點(一個輸出對應一個輸入) 連接, 可以選擇始端串聯匹配或終端并聯匹配。前者結構簡單,成本低,但延遲較大。后者匹配效果好,但結構復雜,成本較高。
對于點對多點(一個輸出對應多個輸出) 連接, 當網絡的拓樸結構為菊花鏈時,應選擇終端并聯匹配。當網絡為星型結構時,可以參考點對點結構。星形和菊花鏈為兩種基本的拓撲結構, 其他結構可看成基本結構的變形, 可采取一些靈活措施進行匹配。
在實際操作中要兼顧成本、 功耗和性能等因素, 一般不追求完全匹配,只要將失配引起的反射等干擾限制在可接受的范圍即可。

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17、走線閉環檢查規則:
防止信號線在不同層間形成自環。在多層板設計中容易發生此類問題, 自環將引起輻射干擾。

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18、走線的分枝長度控制規則:
盡量控制分枝的長度,一般的要求是Tdelay<=Trise/20。
Tdelay就是信號傳輸時延,信號從發送端到接收端的時間,和布線長度和走線層有關。
Trise是信號上升時延,就是信號由低到高的那個斜坡的時間。

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19、走線的諧振規則:
主要針對高頻信號設計而言, 即布線長度不得與其波長成整數倍關系, 以免產生諧振現象。

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20、孤立銅區控制規則:
孤立銅區的出現, 將帶來一些不可預知的問題, 因此將孤立銅區與別的信號相接, 有助于改善信號質量,通常是將孤立銅區接地或刪除。在實際的制作中, PCB廠家將一些板的空置部分增加了一些銅箔,這主要是為了方便印制板加工,同時對防止印制板翹曲。

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21、重疊電源與地線層規則:
不同電源層在空間上要避免重疊。主要是為了減少不同電源之間的干擾, 特別是一些電壓相差很大的電源之間, 電源平面的重疊問題一定要設法避免, 難以避免時可考慮中間隔地層。

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22、20H規則:
由于電源層與地層之間的電場是變化的, 在板的邊緣會向外輻射電磁干擾,為邊沿效應。
解決的辦法是將電源層內縮, 使得電場只在接地層的范圍內傳導。
H為電源和地之間的介質厚度
電源層內縮20H則可以將70%的電場限制在接地層邊沿內;內縮100H則可以將98%的電場限制在內。

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23、對于單雙層板電源線應盡量粗而短。電源線和地線的寬度要求可以根據1mm的線寬最大對應1A 的電流來計算,電源和地構成的環路盡量小。

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24、為了防止電源線較長時,電源線上的耦合雜訊直接進入負載器件,應在進入每個器件之前,先對電源去藕。且為了防止它們彼此間的相互干擾,對每個負載的電源獨立去藕,并做到先濾波再進入負載。

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