“噪声问题!”——这是每位电路板设计师都会听到的四个字。为了解决噪声问题,往往要花费数小时的时间进行实验室测试,以便揪出元凶,但最终却发现,噪声是由开关电源的布局不当而引起的。解决此类问题可能需要设计新的布局,导致产品延期和开发成本增加。

本文将提供有关印刷电路板(PCB)布局布线的指南,以帮助设计师避免此类噪声问题。作为例子的开关调节器布局采用双通道同步开关控制器 ADP1850,第一步是确定调节器的电流路径。然后,电流路径决定了器件在该低噪声布局布线设计中的位置。

PCB布局布线指南

第一步:确定电流路径

在开关转换器设计中,高电流路径和低电流路径彼此非常靠近。交流(AC)路径携带有尖峰和噪声,高直流(DC)路径会产生相当大的压降,低电流路径往往对噪声很敏感。适当PCB布局布线的关键在于确定关键路径,然后安排器件,并提供足够的铜面积以免高电流破坏低电流。性能不佳的表现是接地反弹和噪声注入IC及系统的其余部分。

图1所示为一个同步降压调节器设计,它包括一个开关控制器和以下外部电源器件:高端开关、低端开关、电感、输入电容、输出电容和旁路电容。图1中的箭头表示高开关电流流向。必须小心放置这些电源器件,避免产生不良的寄生电容和电感,导致过大噪声、过冲、响铃振荡和接地反弹。

“图1.
图1. 典型开关调节器(显示交流和直流电流路径)

诸如DH、DL、BST和SW之类的开关电流路径离开控制器后需妥善安排,避免产生过大寄生电感。这些线路承载的高δI/δt交流开关脉冲电流可能达到3 A以上并持续数纳秒。高电流环路必须很小,以尽可能降低输出响铃振荡,并且避免拾取额外的噪声。

低值、低幅度信号路径,如补偿和反馈器件等,对噪声很敏感。应让这些路径远离开关节点和电源器件,以免注入干扰噪声。

第二步:布局物理规划

PCB物理规划(floor plan)非常重要,必须使电流环路面积最小,并且合理安排电源器件,使得电流顺畅流动,避免尖角和窄小的路径。这将有助于减小寄生电容和电感,从而消除接地反弹。

图2所示为采用开关控制器ADP1850的双路输出降压转换器的PCB布局。请注意,电源器件的布局将电流环路面积和寄生电感降至最小。虚线表示高电流路径。同步和异步控制器均可以使用这一物理规划技术。在异步控制器设计中,肖特基二极管取代低端开关。

“图2.
图2. 采用ADP1850控制器的双路输出降压转换器的PCB布局

第三步:电源器件——MOSFET和电容(输入、旁路和输出)

顶部和底部电源开关处的电流波形是一个具有非常高δI/δt的脉冲。因此,连接各开关的路径应尽可能短,以尽量降低控制器拾取的噪声和电感环路传输的噪声。在PCB一侧上使用一对DPAK或SO-8封装的FET时,最好沿相反方向旋转这两个FET,使得开关节点位于该对FET的一侧,并利用合适的陶瓷旁路电容将高端漏电流旁路到低端源。务必将旁路电容尽可能靠近MOSFET放置(参见图2),以尽量减小穿过FET和电容的环路周围的电感。

输入旁路电容和输入大电容的放置对于控制接地反弹至关重要。输出滤波器电容的负端连接应尽可能靠近低端 MOSFET的源,这有助于减小引起接地反弹的环路电感。图2中的Cb1和Cb2是陶瓷旁路电容,这些电容的推荐值范围是1 μF至22 μF。对于高电流应用,应额外并联一个较大值的滤波器电容,如图2的CIN所示。

散热考虑和接地层

在重载条件下,功率MOSFET、电感和大电容的等效串联电阻(ESR)会产生大量的热。为了有效散热,图2的示例在这些电源器件下面放置了大面积的铜。

多层PCB的散热效果好于2层PCB。为了提高散热和导电性能,应在标准1盎司铜层上使用2盎司厚度的铜。多个 PGND层通过过孔连在一起也会有帮助。图3显示一个4层 PCB设计的顶层、第三层和第四层上均分布有PGND层。

“图3.
图3. 截面图:连接PGND层以改善散热

这种多接地层方法能够隔离对噪声敏感的信号。如图2所 示,补偿器件、软启动电容、偏置输入旁路电容和输出反馈分压器电阻的负端全都连接到AGND层。请勿直接将任何高电流或高δI/δt路径连接到隔离AGND层。AGND是一个安静的接地层,其中没有大电流流过。

所有电源器件(如低端开关、旁路电容、输入和输出电容等)的负端连接到PGND层,该层承载高电流。

GND层内的压降可能相当大,以至于影响输出精度。通过一条宽走线将AGND层连接到输出电容的负端(参见图4),可以显著改善输出精度和负载调节。

“图4.
图4. AGND层到PGND层的连接

AGND层一路扩展到输出电容,AGND层和PGND层在输出电容的负端连接到过孔。

图2显示了另一种连接AGND和PGND层的技术,AGND层通过输出大电容负端附近的过孔连接到PGND层。图3显示了PCB上某个位置的截面,AGND层和PGND层通过输出大电容负端附近的过孔相连。

电流检测路径

为了避免干扰噪声引起精度下降,电流模式开关调节器的电流检测路径布局必须妥当。双通道应用尤其要更加重视,消除任何通道间串扰。

双通道降压控制器ADP1850将低端MOSFET的导通电阻RDS(ON)用作控制环路架构的一部分。此架构在SWx与 PGNDx引脚之间检测流经低端MOSFET的电流。一个通道中的地电流噪声可能会耦合到相邻通道中。因此,务必使 SWx和PGNDx走线尽可能短,并将其放在靠近MOSFET的地方,以便精确检测电流。到SWx和PGNDx节点的连接务必采用开尔文检测技术,如图2和图5所示。注意,相应的 PGNDx走线连接到低端MOSFET的源。不要随意将PGND 层连接到PGNDx引脚。

“图5.
图5. 两个通道的接地技术

相比之下,对于ADP1829等双通道电压模式控制器,PGND1和PGND2引脚则是直接通过过孔连接到PGND层。

反馈和限流检测路径

反馈(FB)和限流(ILIM)引脚是低信号电平输入,因此,它们对容性和感性噪声干扰敏感。FB和ILIM走线应避免靠近高δI/δt走线。注意不要让走线形成环路,导致不良电感增加。在ILIM和PGND引脚之间增加一个小MLCC去耦电容 (如22 pF),有助于对噪声进行进一步滤波。

开关节点

在开关调节器电路中,开关(SW)节点是噪声最高的地方,因为它承载着很大的交流和直流电压/电流。此SW节点需要较大面积的铜来尽可能降低阻性压降。将MOSFET和电感彼此靠近放在铜层上,可以使串联电阻和电感最小。

对电磁干扰、开关节点噪声和响铃振荡更敏感的应用可以使用一个小缓冲器。缓冲器由电阻和电容串联而成(参见图 6中的RSNUB和CSNUB),放在SW节点与PGND层之间,可以降 低SW节点上的响铃振荡和电磁干扰。注意,增加缓冲器可能会使整体效率略微下降0.2%到0.4%。

“图6.
图6. 缓冲器和栅极电阻电阻

栅极驱动器路径

栅极驱动走线(DH和DL)也要处理高δI/δt,往往会产生响铃振荡和过冲。这些走线应尽可能短。最好直接布线,避免使用馈通过孔。如果必须使用过孔,则每条走线应使用两个过孔,以降低峰值电流密度和寄生电感。

在DH或DL引脚上串联一个小电阻(约2 Ω至4 Ω)可以减慢栅极驱动,从而也能降低栅极噪声和过冲。另外,BST与SW 引脚之间也可以连接一个电阻(参见图6)。在布局期间用0 Ω栅极电阻保留空间,可以提高日后进行评估的灵活性。增加的栅极电阻会延长栅极电荷上升和下降时间,导致 MOSFET的开关功率损耗提高。

总结

了解电流路径、其敏感性以及适当的器件放置,是消除 PCB布局设计噪声问题的关键。ADI公司的所有电源器件评估板都采用上述布局布线指导原则来实现最佳性能。评估板文件UG-204和UG-205详细说明了ADP1850相关的布局布线情况。

注意,所有开关电源都具有相同的元件和相似的电流路径敏感性。因此,以针对电流模式降压调节器的 ADP1850为 例说明的指导原则同样适用于电压模式和/或升压开关调节器的布局布线。

本文转载自:亚德诺半导体
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围观 17

作者:Ian Williams 德州仪器

在为非功能性或不良性能电路排除故障时,工程师通常可运行仿真或其它分析工具从原理图层面考量电路。如果这些方法不能解决问题,就算是最优秀的工程师可能也会被难住,感到挫败或困惑。我也曾经经历过这种痛苦。为避免钻进类似的死胡同,我向大家介绍一个简单而又非常重要的小技巧:为其保持清洁!

我这么说是什么意思呢?就是说如果PCB 没有保持适当的清洁,在 PCB 装配或修改过程中使用的某些材料可导致严重的电路功能性问题。此类现象中最为常见的问题之一就是焊剂。

图 1 即为残留过多数量焊剂的 PCB。

“图
图 1

焊剂是一种化学制剂,用于协助将组件焊接至 PCB。但令人遗憾的是如果在焊接后不加以清除,焊剂会劣化 PCB 的表面绝缘电阻,在该过程中会给电路性能造成严重退化!

“图
图 2

图 2 是我用来展示焊剂污染所造成结果的测试电路。由 2.5V 参考电压激活的平衡惠斯顿接桥网络可仿真高阻抗桥接传感器。差分桥接传感器输出 VIN+ - VIN- 可连接至增益为 101V/V 的 INA333。在理想状态下,由于桥接处于平衡状态,因而 VIN+ - VIN- = 0V。但焊剂污染会造成实际桥接传感器电压随时间慢慢漂移。

在本次测试中,装配后我同时记录了不同程度清洁之后 VIN- 和 VOUT 一小时的变动情况:

未清洁;
手工清洗,风干;
超声波清洗,风干,烘烤。

“图
图 3

从图 3 中可以看出,焊剂污染对桥接传感器输出性能有严重的影响。在未清洁或手工清洗的情况下,桥接传感器电压从未达到约 VREF/2 的预期电压,即便在一小时趋稳时间之后。此外,未清洁电路板还表现出大量外部噪声收集。在使用超声波浴清洗并完全干燥后,桥接传感器电压稳如磐石。

“图
图 4

观察 INA333 的输出电压,我们会连续看到不当清洁造成的性能退化。

未清洁的电路板出现了 DC 错误、超长趋稳时间以及严重的外部噪声收集;

手工清洁的电路板出现了奇怪的极低频率噪声。我最终找到了根源 — 是因为测试设施内部的空调循环!

和预想的一样,正确清洁并烘干的电路板表现优异,测试中的任何点都没有发生漂移。

总之,焊剂清洁不当会造成严重的性能降低,特别是在高精度 DC 电路中。对所有手工装配或修改过的 PCB,请务必使用超声波浴(或类似方式)完成最终清洁。在使用空气压缩机风干后,采用稍高温度烘烤装配并清洗后的PCB,可清除任何残留湿气。我们一般在 70°C 下烘烤 10 分钟。

这个简单的“保持清洁”技巧应该能够帮助您大幅减少花在排除故障上的时间,帮助您将更多时间用于设计出色的高精度电路!

本文转载自:德州仪器
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围观 23

PCB制作设计和制作过程中,出现了这些问题该如何解决?

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在PCB板的设计和制作过程中,工程师不仅需要防止PCB板在制造加工时出现意外,还需要避免设计失误的问题出现。本文就三种常见的PCB问题进行汇总和分析,希望能够对大家的设计和制作工作带来一定的帮助。

问题一:PCB板短路。

这一问题是会直接造成PCB板无法工作的常见故障之一,而造成这种问题的原因有很多,下面我们逐一进行分析。造成PCB短路的最大原因,是焊垫设计不当,此时可以将圆形焊垫改为椭圆形,加大点与点之间的距离,防止短路。 PCB零件方向的设计不适当,也同样会造成板子短路,无法工作。如SOIC的脚如果与锡波平行,便容易引起短路事故,此时可以适当修改零件方向,使其与锡波垂直。 还有一种可能性也会造成PCB的短路故障,那就是自动插件弯脚。由于IPC规定线脚的长度在2mm以下及担心弯脚角度太大时零件会掉,故易因此而造成短路,需将焊点离开线路2mm以上。 除了上面提及的三种原因之外,还有一些原因也会导致PCB板的短路故障,例如基板孔太大、锡炉温度太低、板面可焊性不佳、阻焊膜失效、板面污染等,都是比较常见的故障原因,工程师可以对比以上原因和发生故障的情况逐一进行排除和检查。

问题二:PCB板上出现暗色及粒状的接点。

爬电距离:沿绝缘表面测得的两个导电零部件之间或导电零部件与设备防护界面之间的最短路径。

电气间隙:在两个导电零部件之间或导电零部件与设备防护界面之间测得的最短空间距离。即在保证电气性能稳定和安全的情况下,通过空气能实现绝缘的最短距离。

一般来说,爬电距离要求的数值比电气间隙要求的数值要大,布线时须同时满足这两者的要求(即要考虑表面的距离,还要考虑空间的距离),开槽(槽宽应大于1mm)只能增加表面距离即爬电距离而不能增加电气间隙,所以当电气间隙不够时,开槽是不能解决这个问题的,开槽时要注意槽的位置、长短是否合适,以满足爬电距离的要求。

元件及PCB 的电气隔离距离:(电气隔离距离指电气间隙和爬电距离的综合考虑)对于Ⅰ类设备的开关电源,在元件及PCB 板上的隔离距离如下:(下列数值未包括裕量)。

a、对于AC—DC 电源(以不含有PFC 电路及输入额定电压范围为100-240V~为例)

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b、对于AC—DC 电源(以含有PFC 电路及输入额定电压范围为100-240V~为例)

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c、对于DC—DC 电源(以输入额定电压范围为36-76V 为例)

“”

一、变压器内部的电气隔离距离:

变压器内部的电气隔离距离是指变压器两边的挡墙宽度的总和,如果变压器挡墙的宽度为3mm,那么变压器的电气隔离距离值为6mm(两边的挡墙宽度相同)。如果变压器没有挡墙,那么变压器的隔离距离就等于所用胶纸的厚度。另外,对于AC-DC 电源,变压器初、次间绕组应用三层胶纸隔离,DC-DC 电源,可只用二层胶纸隔离。下列数值未包括裕量:

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注:变压器的引脚如果没有套上绝缘套管,那么在引脚处的隔离距离可能也仅为胶纸加挡墙的厚度,所以变压器的引脚需要套上绝缘套管且套管要穿过挡墙。

空间距离(Creepage distance):在两个导电组件之间或是导电组件与物体界面之间经由空气分离测得最短直线距离;

沿面距离(clearance):沿绝缘表面测得两个导电组件之间或是导电组件与物体界面之间的最短距离.

沿面距离(clearance)不满足标准要求距离时:PCB 板上可采取两个导电组件之间开槽的方法,导电组件与外壳、可触及部分之间距离不够,则可将导电组件用绝缘材料包住。

将导电组件用绝缘材料包住既解决了空间距离(Creepage distance)也解决了沿面距离(clearance)问题,此方法一般用在电源板上变压器和周边组件之间距离不够时,将变压器包住。

另外可在不影响产品功能的情况下适当降低两导体之间的电压差。

二、电气间隙的决定:

根据测量的工作电压及绝缘等级,即可决定距离

一次侧线路之电气间隙尺寸要求,见表3 及表4

二次侧线路之电气间隙尺寸要求通常:一次侧交流部分:保险丝前L—N≥2.5mm,L.N PE(大地)≥2.5mm,保险丝装置之后可不做要求,但尽可能保持一定距离以避免发生短路损坏电源。

一次侧交流对直流部分≥2.0mm

一次侧直流地对大地≥2.5mm (一次侧浮接地对大地)

一次侧部分对二次侧部分≥4.0mm,跨接于一二次侧之间之元器件

二次侧部分之电隙间隙≥0.5mm 即可

二次侧地对大地≥1.0mm 即可

附注:决定是否符合要求前,内部零件应先施于10N 力,外壳施以30N 力,以减少其距离,使确认为最糟情况下,空间距离仍符合规定。

三、爬电距离的决定:

通常:

(1)、一次侧交流部分:保险丝前L—N≥2.5mm,L.N 大地≥2.5mm,保险丝之后可不做要求,但尽量保持一定距离以避免短路损坏电源。

(2)、一次侧交流对直流部分≥2.0mm

(3)、一次侧直流地对地≥4.0mm 如一次侧地对大地

(4)、一次侧对二次侧≥6.4mm,如光耦、Y 电容等元器零件脚间距≤6.4mm 要开槽。

(5)、二次侧部分之间≥0.5mm 即可

(6)、二次侧地对大地≥2.0mm 以上

(7)、变压器两级间≥8.0mm 以上

四、绝缘穿透距离:

应根据工作电压和绝缘应用场合符合下列规定:

——对工作电压不超过50V(71V 交流峰值或直流值),无厚度要求;

——附加绝缘最小厚度应为0.4mm;

——当加强绝缘不承受在正常温度下可能会导致该绝缘材料变形或性能降低的任何机械应力时的,则该加强绝缘的最小厚度应为0.4mm。

如果所提供的绝缘是用在设备保护外壳内,而且在操作人员维护时不会受到磕碰或擦伤,并且属于如下任一种情况,则上述要求不适用于不论其厚度如何的薄层绝缘材料;

——对附加绝缘,至少使用两层材料,其中的每一层材料能通过对附加绝缘的抗电强度试验;

——由三层材料构成的附加绝缘,其中任意两层材料的组合都能通过附加绝缘的抗电强度试验;

——对加强绝缘,至少使用两层材料,其中的每一层材料能通过对加强绝缘的抗电强度试验;

——由三层绝缘材料构成的加强绝缘,其中任意两层材料的组合都能通过加强绝缘的抗电强度试验。

五、有关于布线工艺注意点:

如电容等平贴元件,必须平贴,不用点胶

如两导体在施以10N 力可使距离缩短,小于安规距离要求时,可点胶固定此零件,保证其电气间隙。

有的外壳设备内铺PVC 胶片时,应注意保证安规距离(注意加工工艺)零件点胶固定注意不可使PCB 板上有胶丝等异物。

在加工零件时,应不引起绝缘破坏。

六、有关于防燃材料要求:

热缩套管V—1 或VTM—2 以上;PVC 套管V—1 或VTM—2 以上

铁氟龙套管V—1 或VTM—2 以上;塑胶材质如硅胶片,绝缘胶带V—1 或VTM—2 以上

PCB 板94V—1 以上

七、有关于绝缘等级

(1)、工作绝缘:设备正常工作所需的绝缘

(2)、基本绝缘:对防电击提供基本保护的绝缘

(3)、附加绝缘:除基本绝缘以外另施加的独*立绝缘,用以保护在基本绝缘一旦失效时仍能防止电击

(4)、双重绝缘:由基本绝缘加上附加绝缘构成的绝缘

(5)、加强绝缘:一种单一的绝缘结构,在本标准规定的条件下,其所提供的防电击的保护等级相当于双重绝缘

八、爬电距离的确定:

首先需要确定绝缘的种类:

基本绝缘:一次电路与保护地

工作绝缘① :一次电路内部;二次电路内部

工作绝缘② :输入部分(输入继电器之前)内部,二次电路与保护地

加强绝缘:一次电路与二次电路;输入部分与一次电路;充电板输出与内部线路再查看线路,确定线路之间的电压差

表一:爬电距离

最后,从下表中查出对应的爬电距离

表二爬电距离(适用于基本绝缘、工作绝缘② 、加强绝缘)

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九、电气间隙的确定:

首先需要确定绝缘的种类:

基本绝缘:一次电路与保护地

工作绝缘① :一次电路内部;二次电路内部

工作绝缘② :输入部分(输入继电器之前)内部,二次电路与保护地

加强绝缘:一次电路与二次电路;输入部分对一次电路;充电板输出与内部电路再查看线路,确定线路之间的电压差

最后,从下表中查出对应的电气间隙

表三电气间隙(适用于一次电路与二次电路间、一次电路内、输入电路、输入电路与其他电路)

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表四电气间隙(适用于二次电路内)

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十、设定爬电距离及电气间隙的基本步骤

1、确定电气间隙步骤

确定工作电压峰值和有效值;

确定设备的供电电压和供电设施类别;

根据过电压类别来确定进入设备的瞬态过电压大小;'

确定设备的污染等级(一般设备为污染等级2);

确定电气间隙跨接的绝缘类型(功能绝缘、基本绝缘、附加绝缘、加强绝缘)。

2、确定爬电距离步骤

确定工作电压的有效值或直流值;

确定材料组别(根据相比漏电起痕指数,其划分为:Ⅰ组材料,Ⅱ组材料,Ⅲa组材料, Ⅲb 组材料。注:如不知道材料组别,假定材料为Ⅲb 组);

确定污染等级;

确定绝缘类型(功能绝缘、基本绝缘、附加绝缘、加强绝缘)。

3、确定电气间隙要求值

根据测量的工作电压及绝缘等级,查表( 4943:2H 和2J 和2K,60065-2001表:表8 和表9 和表10) 检索所需的电气间隙即可决定距离;作为电气间隙替代的方法,4943 使用附录G 替换,60065-2001 使用附录J 替换。

GB 8898-2001:电器间隙考虑的主要因素是工作电压,查图9 来确定。(对和电压有效值在220-250V 范围内的电网电源导电连接的零部件,这些数值等于354V峰值电压所对应的那些数值:基本绝缘3.0mm ,加强绝缘6.0mm)

4、确定爬电距离要求值

根据工作电压、绝缘等级及材料组别,查表(GB 4943 为表2L,65-2001 中为表11)确定爬电距离数值,如工作电压数值在表两个电压范围之间时,需要使用内差法计算其爬电距离。

GB 8898-2001 其判定数值等于电气间隙,如满足下列三个条件,电气间隙和爬电距离加强绝缘可减少2mm,基本绝缘可减少1mm:

1)这些爬电距离和电气间隙会受外力而减小,但它们不处在外壳的可触及导电零部件与危险带电零部件之间;

2)它们靠刚性结构保持不变;

3)它们的绝缘特性不会因设备内部产生的灰尘而受到严重影响。

*注意:但直接与电网电源连接的不同极性的零部件间的绝缘,爬电距离和电气间隙不允许减小。基本绝缘和附加绝缘即使不满足爬电距离和电气间隙的要求,只要短路该绝缘,设备仍满足标准要求,则是可以接受的( 8898 中4.3.1 条)。

*GB 4943 中只有功能绝缘的电气间隙和爬电距离可以减小,但必须满足标准5.3.4 规定的高压或短路试验。

5、确定爬电距离和电气间隙注意

可动零部件应使其处在最不利的位置;

爬电距离值不能小于电气间隙值;

承受了机械应力试验。

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围观 27

有人说过,世界上只有两种电子工程师:经历过电磁干扰的和没有经历过电磁干扰的。伴随着PCB走线速递的增加,电磁兼容设计是我们电子工程师不得不考虑的问题。面对一个设计,当进行一个产品和设计的EMC分析时,有以下5个重要属性需考虑:

(1)关键器件尺寸:产生辐射的发射器件的物理尺寸。射频(RF)电流将会产生电磁场,该电磁场会通过机壳泄漏而脱离机壳。PCB上的走线长度作为传输路径对射频电流具有直接的影响。

(2)阻抗匹配:源和接收器的阻抗,以及两者之间的传输阻抗。

(3)干扰信号的时间特性:这个问题是连续(周期信号)事件,还是仅仅存在于特定操作周期(例如,单次的可能是某次按键操作或者上电干扰,周期性的磁盘驱动操作或网络突发传输)。

(4)干扰信号的强度:源能量级别有多强,并且它产生有害干扰的潜力有多大。

(5)干扰信号的频率特性:使用频谱仪进行波形观察,观察到的问题在频谱的哪个位置,便于找到问题的所在。

另外,一些低频电路的设计习惯需要注意。例如我惯用的单点接地对于低频应用是非常适合的,但是后来发现不适合于射频信号场合,因为射频信号场合存在更多的EMI问题。相信有些工程师将单点接地应用到所有产品设计中,而没有认识到使用这种接地方法可能会产生更多或更复杂的电磁兼容问题。

我们还应该注意电路组件内的电流流向。有电路知识我们知道,电流从电压高的地方流向低的地方,并且电流总是通过一条或更多条路径在一个闭环电路中流动,因此一个最小回路和一个很重要的定律。针对那些测量到干扰电流的方向,通过修改PCB走线,使其不影响负载或敏感电路。那些要求从电源到负载的高阻抗路径的应用,必须考虑返回电流可以流过的所有可能的路径。

还有一个PCB走线的问题。导线或走线的阻抗包含电阻R和感抗,在高频时阻抗,没有容抗存在。当走线频率高于100kHz以上时,导线或走线变成了电感。在音频以上工作的导线或走线可能成为射频天线。在EMC的规范中,不容许导线或走线在某一特定频率的λ/20以下工作(天线的设计长度等于某一特定频率的λ/4或λ/2),当不小心那么设计时,走线变成了一根高效能的天线,这让后期的调试变得更加棘手。

最后说说PCB的布局问题。第一,要考虑PCB的尺寸大小。PCB的尺寸过大时,随着走线的增长使系统抗干扰能力下降,成本增加,而尺寸过小容易引起散热和互扰的问题。第二,再确定特殊元件(如时钟元件)的位置(时钟走线最好周围不铺地和不走在关键信号线的上下,避免干扰)。第三,依据电路功能,对PCB整体进行布局。在元器件布局上,相关的元器件尽量靠近,这样可以获得较好的抗干扰效果。

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围观 17

辨别一块PCB板的优劣,就看这几点!

cathy的头像

随着手机、电子、通讯行业等高速的发展,同时也促使PCB线路板产业量的不断壮大和迅速增长,人们对于元器件的层数、重量、精密度、材料、颜色、可靠性等要求越来越高。

但是由于市场价格竞争激烈,PCB板材料成本也处于不断上升的趋势,越来越多厂家为了提升核心竞争力,以低价来垄断市场。然而这些超低价的背后,是降低材料成本和工艺制作成本来获得,但器件通常容易出现裂痕(裂缝)、易划伤、(或擦伤),其精密度、性能等综合因素并未达标,严重影响到使用在产品上的可焊性和可靠性等等。

面对市面上五花八门的PCB线路板,辨别PCB线路板好坏可以从两个方面入手;第一种方法就是从外观来分判断,另一方面就是从PCB板本身质量规范要求来判断。

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判断PCB电路板的好坏的方法:

第一:从外观上分辨出电路板的好坏

一般情况下,PCB线路板外观可通过三个方面来分析判断;

本文讨论了电源电路的PCB布局,该电路从小型太阳能电池产生3.3 V稳压轨。

我在这个项目中的目标是创建一个非常简单,非常紧凑的电路,可以为基于微控制器的嵌入式系统供电。该电路仅在充足照明的时间内有效,因为该设计不包括用于存储剩余能量的电容器或电池。

在本文中,我将从电源原理图中了解电路的PCB布局。

光伏电源的PCB布局

下图显示了PCB顶部和底部的布局。所有组件和大部分痕迹和铜浇注都在顶部; 底部主要是地平面。

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PCB尺寸

微控制器是Silicon Labs的EFM8 Sleepy Bee,左侧的(相对)大型连接器提供与SiLabs USB调试适配器的直接连接。这种连接器消耗了相当多的PCB空间,使整体设计看起来比实际更大。

下图显示了PCB的尺寸(以英寸为单位)。较短的水平尺寸是我试图估计如果调试连接器被移除(以及其他组件重新排列),电路板可以有多小。

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所以我的猜测是,一侧的所有组件的双层板可能小于1.5平方英寸。我会说这很不错,特别是考虑到我们正在讨论的是双层PCB。

此外,我不认为我使用两层而不是四层而失去任何性能,因为底部几乎是一个坚固的地平面,顶部有足够的空间用于宽电源线和宽大的接地连接(还因为微控制器将以非常低的频率运行)。

小巧紧凑,但它可能更小

以下是其他一些可以减少该板尺寸的方法:

● 我选择了更大的无源元件IC(0805和1206),因为它们更容易组装。如果您计划专业组装电路板,您可以考虑使用0603甚至0402(您可能在0402封装中找到可接受的2.2μF电容,但对于0.1μF电容和电阻,您绝对可以使用0402) 。

● 我为微控制器选择了更大的封装; 这是一个9毫米×9毫米的QFP32。32引脚无引脚封装尺寸明显更小(5 mm×5 mm),还有一个24引脚无引脚封装,尺寸更小(4 mm×4 mm)。在我看来,围绕此电源构建的大多数应用程序不需要超过少数I / O引脚,因此24引脚封装可能是最佳选择。我之所以使用32引脚器件,是因为该微控制器没有任何其他引线(即非引线)封装。

● 我为实时时钟应用提供了高精度32.768 kHz晶振; 它大约是0805组件的大小。微控制器有一个内部低功耗振荡器,精度很低(±10%),所以如果你不需要精确定时,你可以省略晶体。

● 电荷泵开关稳压器目前有四个2.2μF输出电容,但只需要一个。

● LED及其附带的电阻仅用于调试; 它们可以在最终设计中省略。

● 您可能认为可以消除与调试电源相关的所有电路(开关,LDO和两个电容)。我不建议这样做,因为太阳能供电不是固件开发和测试的便利电源。

双面选择

该如何制作更小的列表的最后一项是在板的顶部和底部有组件。当我写这篇文章的时候,我开始怀疑整个电路是否适合与太阳能电池尺寸相对应的区域,这样你就可以设计出一块只有顶部太阳能电池和底部其他东西的电路板。我决定从原理图中删除一些不必要的组件然后尝试这个想法,这是我发现的(尺寸以英寸为单位):

“”

“”

这是一个粗略的近似,但是,你可以看到,我们非常接近将所有电路塞入太阳能电池占用的PCB空间的目标。

为了创建这个元件放置,我消除了四个输出电容中的三个,晶体,LED和LED的电阻。我还将微控制器包切换到QFN24。无源元件仍然是1206和0805,但这些较大的封装可以弥补您需要某种方法将微控制器连接到调试适配器。当然没有太多的路由空间,但如果你可以使用四层板(并且太阳能电池下方的顶部还有足够的空间),我认为这不是一个严重的障碍。

结论

我们已经讨论了我最近设计的太阳能微控制器板的PCB布局,我们还研究了一个更加空间优化的实现示例,其中PCB的尺寸接近太阳能电池的尺寸。如果您对低功耗嵌入式设备的空间受限设计有任何经验,请随时在评论中分享您的想法。

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PCB技术中的一些好的PCB布线技巧和要领

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布线是PCB设计过程中技巧最细、限定最高的,即使布了十几年布线的工程师也往往觉得自己不会布线,因为看到了形形色色的问题,知道了这根线布了出去就会导致什么恶果,所以,就变的不知道怎么布了。但是高手还是有的,他们有着很理性的知识,同时又带着一些自我创作的情感去布线,布出来的线就颇为美观有艺术感。

下面是一些好的布线技巧和要领:

首先,先对做个基础介绍,PCB的层数可以分为单层,双层和多层的,单层现在基本淘汰了。双层板现在音响系统中用的挺多,一般是作为功放粗狂型的板子,多层板就是指4层及4层以上的板,对于元器件的密度要求不高的一般来讲4层就足够了。从过孔的角度可以分成通孔,盲孔,和埋孔。通孔就是一个孔是从顶层直接通到底层的;盲孔是从顶层或底层的孔穿到中间层,然后就不继续穿了,这个好处就是这个过孔的位置不是从头堵到尾的,其他层在这个过孔的位置上还是可以走线的;埋孔就是这个过孔是中间层到中间层的,被埋起来的,表面是完全看不到。具体情况如下图所示。

对于PCB板翘曲所造成的影响,行业中的人都比较清楚。如它使SMT电子元件安装无法进行、或电子元件(包含集成块 )与印制电路板焊点接触不良、或电子元件安装后切脚时有些脚切不到或会切到基板;波峰焊时基板有些部位焊盘接触不到焊锡面而焊不上锡等 ;

印制电路板翘曲的成因,一个方面是所采用的基板(覆铜板)可能翘曲,但在印制电路板加工过程中,因为热应力,化学因素影响,及生产工艺不当也会造成印制电路板产生翘曲。

所以,对于印制电路板厂来说,首先是要预防印制电路板在加工过程中产生翘曲;再就是对于已经出现翘曲的PCB 板要有一个合适、有效的处理方法。

PCB

一、 预防印制电路板在加工过程中产生翘曲

1、防止由于库存方式不当造成或加大基板翘曲

(1)由于覆铜板在存放过程中,因为吸湿会加大翘曲,单面覆铜板的吸湿面积很大,如果库存环境湿度较高,单面覆铜板将会明显加大翘曲。双面覆铜板潮气只能从产品端面渗入,吸湿面积小,翘曲变化较缓慢。所以对于没有防潮包装的覆铜板要注意库房条件,尽量减少库房湿度和避免覆铜板裸放,以避免存放中的覆铜板加大翘曲。

(2)覆铜板摆放方式不当会加大翘曲。如竖放或覆铜板上压有重物,摆放不良等都会加大覆铜板翘曲变形。

焊接好的PCBA

2、避免由于印制电路板线路设计不当或加工工艺不当造成翘曲。

如PCB板导电线路图形不均衡或PCB板两面线路明显不对称,其中一面存在较大面积铜皮,形成较大的应力,使PCB板翘曲,在PCB制程中加工温度偏高或较大热冲击等都会造成PCB板翘曲。对于覆板板库存方式不当造成的影响,PCB厂比较好解决,改善贮存环境及杜绝竖放、避免重压就可以了。对于线路图形存在大面积的铜皮的PCB板,最好将铜箔网格化以减少应力。

3、消除基板应力,减少加工过程PCB板翘曲

由于在PCB加工过程中,基板要多次受到热的作用及要受到多种化学物质作用。如基板蚀刻后要水洗、要烘干而受热,图形电镀时电镀是热的,印绿油及印标识字符后要用加热烘干或用UV光烤干,热风喷锡时基板受到的热冲击也很大等等。这些过程都可能使PCB板产生翘曲。

4、波峰焊或浸焊时,焊锡温度偏高,操作时间偏长,也会加大基板翘曲。对于波峰焊工艺的改进,需电子组装厂共同配合。

由于应力是基板翘曲的主因,如果在覆铜板投入使用前先烘板(也有称h板),多家PCB厂都认为这种做法有利于减少PCB板的翘曲。烘板的作用是可以使基板的应力充分松弛,因而可以减少基板在PCB制程中的翘曲变形。

h板的方法是:有条件的PCB厂是采用大型烘箱h板。投产前将一大叠覆铜板送入烤箱中,在基板玻璃化温度附近温度下将覆铜板烘烤若干小时到十几小时。用经过h板的覆铜板生产的PCB板,其翘曲变形就比较小,产品的合格率高了许多。对于一些小型PCB厂,如没有那么大型的烘箱可以将基板切小后再烘,但烘板时应有重物压住板,使基板在应力松弛过程能保持平整状态。烘板温度不宜太高,过高温度基板会变色。也不宜太低,温度太低需很长时间才能使基板应力松弛。

二、印制电路板翘曲整平方法

1、在PCB制程中将翘曲的板及时整平

在PCB制程中,将翘曲度比较大的板挑出来用辊压式整平机整平,再投入下一工序。不少PCB厂认为这一做法对于减少PCB成品板翘曲比例是有效的。

2、PCB成品板翘曲整平法

对于已完工,翘曲度明显超差,用辊压式整平机无法整平的PCB板,有些PCB厂将它放入小压机中(或类似夹具中),将翘曲的PCB板压住几个小时到十几小时进行冷压整平,从实际应用中观察,这一作法效果不十分明显。一是整平的效果不大,另就是整平后的板很容易反弹(即恢复翘曲)。

也有的PCB厂将小压机加热到一定温度后,再对翘曲的PCB板进行热压整平,其效果较冷压会好一些,但压力如太大会把导线压变形;如果温度太高会产生松香水变色其至基变色等等缺陷。而且不论是冷压整平还是热压整平都需要较长时间(几个小时到十几个小时)才能见到效果,并且经过整平的PCB板翘曲反弹的比例也较高。有没有更佳的整平方法呢?

3、翘曲PCB板弓形模具热压整平法

根据高分子材料力学性能及多年工作实践,本文推荐弓形模具热压整平法。根据要整平的PCB板的面积作若干付很简单的弓形模具,这里推二种整平操作方法:

(1)将翘曲的PCB板夹入弓形模具中放入烘箱烘烤整平法:

将翘曲PCB板翘曲面对着模具弓曲面,调节夹具螺丝,使PCB板略向其翘曲的相反方向变形,再将夹有PCB板的模具放入已加热到一定温度的烘箱中烘烤一段时间。在受热条件下,基板应力逐渐松弛,使变形的PCB板恢复到平整状态。但烘烤的温度不宜太高,以免松香水变色或基板变黄。但温度也不宜过低,在较低的温度下要使应力完全松弛需要很长时间。

通常可用基板玻璃化温度作为烘烤的参考温度,玻璃化温度为树脂的相转变点,在此温度下高分子链段可以重新排列取向,使基板应力充分松弛。因些整平效果很明显。用弓形模具整平的优点是投资很少,烘箱各PCB厂都有,整平操作很简单,如果翘曲的板数比较多,多做几付弓形模具就可以了,往烘箱里一次可以放几付模具,而且烘的时间比较短(数十分钟左右),所以整平工作效率比较高。

(2)先将PCB板烘软后再夹入弓形模具中压合整平法:

对于翘曲变形比较小的PCB板,可以先将待整平的PCB板放入已加温到一定温度的烘箱中(温度设定可参照基板玻璃化温度及基板在烘箱中烘烤一定时间后,观察其软化情况来确定。通常玻纤布基板的烘烤温度要高一些,纸基板的烘烤温度可以低一些;厚板的烘烤温度可以略高一些,薄板的烘烤温度可以略低一些;对于已喷了松香水的PCB板的烘烤温度不宜过高。)烘烤一定时间,然后取出数张到十几张,夹入到弓形模具中,调节压力螺丝,使PCB板略向其翘曲的反方向变形,待板冷却定型后,即可卸开模具,取出已整平的PCB板。

有些用户不甚了解基板的玻璃化温度。这里推荐烘烤参考温度,纸基板的烘烤温度取110℃~130℃,FR-4取130℃~150℃。整平时,对所选取的烘烤温度及烘烤时间作几次小试验,以确定整平的烘烤温度及烘烤时间。烘烤的时间较长,基板烘得透,整平效果较好,整平后PCB板翘曲回弹也较少。

经过了弓形模具整平的PCB板翘曲回弹率低;即使经过波峰焊仍能基本保持平整状态;对PCB板外观色泽影响也很小。
PCB板翘曲是PCB厂极为头痛的事,它不仅降低了成品率,而且影响了交货期。如果采用弓形模具热整平,并且整平工艺合理、合适,就能将翘曲的PCB板整平,解决交货期的困扰。

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常见的PCB布局困扰分析及精彩案例分享

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在电子设计中,项目原理图设计完成编译通过之后,就需要进行PCB的设计。PCB设计首先在确定了板形尺寸,叠层设计,整体的分区构想之后,就需要进行设计的第一步:元件布局。即将各元件摆放在它合适的位置。而布局是一个至关重要的环节。布局结果的优劣直接影响到布线的效果,从而影响到整个设计功能。因此,合理有效的布局是PCB设计成功的第一步。

PCB布局前按照整个功能按模块对电路进行分区。 区域规划时依照功能对模拟部分和数字部分隔离,高频电路与低频电路隔离。分区完成之后考虑每个区域内的关键元件,将区域内其他元件以关键元件为重点放置到合适的位置。当放置元件时,同时考虑子系统电路之间的内部电路走线,特别是时序及振荡电路。为了去除电磁干扰的潜在问题,应系统地检查元件放置与布局,以方便走线,降低电磁干扰,满足功能的前提下尽量做到美观。

常见的PCB布局方面的问题和困惑

一个产品的成功与否,一方面要求功能质量良好,另一方面要求美观,要像向雕琢一件工艺品一样布局您的电路板。在PCB元件布局方面经常会有这些疑问和困扰。

PCB板形与整机是否匹配?元器件之间是间距是否合理,有无水平上或高度上的冲突?

PCB是否需要拼版,是否要预留工艺边,是否预留安装孔,如何排列定位孔?

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