高品质的电路板是如何设计的？ 你知道吗？

高品质的电路板是如何设计的？ 你知道吗？

事实上，每一种电子产品都是由一块或多块印刷电路板（PCB）组成。 PCB固定IC和其他元件并实现它们之间的互连。 已经为便携式电子设备、计算机和娱乐设备制造了大量的印刷电路板。 它们还用于测试设备、制造和航天器。 最后，几乎每个EE都必须设计PCB，这不是学校教的东西。 然而，工程师、技术人员甚至新手 PCB 设计人员都可以为任何目的创建高质量的 PCB 设计，并确信结果将达到或超过目标。 同样，这些设计可以在满足设计要求的同时按计划、在预算范围内完成。 设计人员需要考虑必要的文档、PCB 设计步骤和策略以及最终检查。

基本设计流程

理想的PCB设计从需求分析开始，一直持续到最终交付。 拿到项目后，需要确定PCB需求分析，其中包括设计的功能、PCB必须具有和执行的功能、与其他电路的互连、布局和大致的最终尺寸。 应解决环境温度范围和与工作环境相关的问题，并用于指定为 PCB 选择的材料。 在选择元件和PCB材料时，应注意所有可预见的和潜在的威胁，以确保PCB在其使用寿命期间能够正常工作。 根据原理图绘制电路原理图。 该详细图显示了 PCB 各功能的电气实现。 原理图绘制完成后，应完成最终的PCB布局，并为每个电路的原理图块指定区域。

PCB设计流程

材料清单

创建原理图时应同时生成物料清单 (BOM)。 在考虑容差标准的同时，应通过分析电路各节点的极限工作电压和电流水平来选择电路中的元件。 选择电气性能令人满意的组件后，应根据可用性、预算和尺寸重新考虑每个组件。 BOM 必须始终与原理图同步。 BOM 需要每个组件的数量、参考代码、值（欧姆、法拉等）、制造商零件号和 PCB 占地面积。 这五个要求至关重要，因为它们定义了每个部件需要多少，解释了标识和电路位置，同时准确描述了用于购买和更换的每个电路元件，并解释了用于面积估计的每个部件的尺寸。 它应该是描述每个电路元件的简洁列表，太多的信息可能会使库的开发和管理过于复杂。

印刷电路板文件

PCB文件应包括硬件尺寸图、原理图、BOM、布局文件、元件布局文件、装配图和描述以及Gerber文件集。 Gerber 文件集是 PCB 制造商用来创建 PCB 布局输出文件的 PCB 术语。 完整的Gerber文件包括从电路板布局文件生成的输出文件：丝印上下、阻焊层顶部和底部、所有金属层、焊膏顶部和底部、元件图（XY坐标）、顶部和底部 装配图、钻孔文件、车削图、FAB轮廓（尺寸、特殊功能）和网格文件。 FAB轮廓包含的特殊功能包括但不限于：缺口、凹口、斜角、回填焊盘（对于BGA型IC封装，其下方有多个引脚）、盲孔/埋孔通孔、表面光洁度和 整平、孔公差、层数等

原理图细节

原理图控制着项目，因此准确性和完整性对于成功至关重要。 它们包括电路正确运行所需的信息。 原理图应包含足够的设计细节，例如引脚号、名称、元件值和额定值。

每个原理图符号都有一个制造商的零件号，用于确定价格和规格。 封装规格决定了每个元件的封装尺寸。 第一步，根据可用面积和焊接方法，确保每个引脚的裸铜放置在正确的位置并略大于组装引脚（3至20mil）。 设计 PCB 封装时，请考虑组装并遵循制造商推荐的 PCB 封装。 有些元件是微封装的，因此没有多余的铜余量。 即使在这些情况下，也应在板上的每个引脚之间应用 2.5 至 3mil 的电极。 遵循10规则。小通孔的最终孔径为10mil，还有10mil的焊盘环。 布线应距板边缘10mil或以上。 线间距为 10mil（5mil 气隙，5mil 线宽，1oz 铜）。 直径40mil以上的通孔应加垫环，以提高可靠性。 对于外铜平面从平面到引脚，应设置超出设计规则15至25密耳的额外间隙。 这降低了所有焊点上桥接的风险。

元件放置

下一步是放置组件并根据热管理、功能和电气噪声因素来定位它们。 指定元件的轮廓和互连位置后，第一个元件放置步骤开始。 放置每个组件后，应立即进行放置检查并进行调整，以促进布线并优化性能。 此时通常会根据尺寸和成本重新考虑和更改布局和包装尺寸。 吸收超过 10 mW 或传导超过 10 mA 电流的组件应被视为足够强大，以考虑其他热和电因素。 敏感信号应与噪声源通过平面隔离，并控制阻抗。 电源管理组件应利用接地层或电源层进行热流动。 根据可接受的连接电压降进行高电流连接。 对于大电流路径的层转换，每层转换处应使用2至4个过孔，层转换处应放置多个过孔，以提高可靠性，减少电阻和电感损耗，提高导热性能。

散热问题

IC 产生的热量从器件转移到 PCB 的铜层。 理想的散热设计将使整个电路板的温度相同。 铜的厚度、层数、热路径的连续性以及电路板面积将直接影响元件的工作温度。

PCB设计散热

为了轻松降低工作温度，请使用坚固的接地层或多层电源层，通过多个过孔直接连接到热源。 有效的热传导可以使热量从热源均匀分布到整个PCB板，从而显着降低温度。

PCB热传导

（有效的导热可以使热量从热源均匀分布到PCB表面）

在热量分布均匀的情况下，可以使用以下公式估算表面温度：

P=(热对流) x 面积 x（ Δ T）

解释：

P=板上功耗

面积=电路板（X轴xY轴）

ΔT=表面温度-环境温度

热对流=基于环境条件的对流常数

修剪器放置

元件排列顺序为：连接器、电源电路、敏感电路和精密电路、关键电路元件，然后按顺序排列。 原理图是围绕PCB的各个部分构建的，并且完全互连。 电路的布线优先级根据功率水平、噪声敏感度或生成和布线能力来选择。

一般布线宽度为10～20mil，用于承载10～20mA的布线，布线宽度为5～8mil，用于承载10mA以下的电流。 当使用高阻抗节点布线时，应仔细考虑高频（大于 3 MHz）和快速变化的信号。

设计人员应检查布局，并迭代调整物理位置和布线路径，直到电路针对所有设计约束进行优化。 层数取决于功率水平和复杂性。 由于铜包层是通过这种方式制成的，因此添加了成对的层。 电源信号。