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  • layout注意事项
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    2019-05-19 10:21:48

    PCB Layout多年经验

    1、静电防护器件请靠近端子处摆放,也就是PCB板的输入输出端口。
    (1)因为这些地方是人体最容易接触到的地方,比如我们笔记本电脑的HDMI、USB、VGA、电源、雷电等接口处经常会添加一些静电防护器件的,
    (2)靠近端口是将静电释放的能量直接在端口处泄放到地上去,因为如果在芯片端则可能导致板内的一些器件受到影响,简单理解就是“将静电扼杀在摇篮里”。

    2、晶体与器件之间的距离需要稍微大一些。
    (1)首先需要注意晶体在温度下会导致频偏变大,所以在晶体Layout时需要注意器件的相关说明,如果没有说明则默认靠近主芯片放置的,但是如果有说明(一般是发热器件),则会告诉你距离器件间距是多远。如果是这样的话可以单点接地,将晶振的地和其他的地区分开,最后小面积接地。
    (2)晶体输出的信号频率很高,所以如果耦合到某一信号中传导出去则可能导致出现电磁兼容性问题,所以晶振附近不要走线,如果要走,则需要将走线与晶体用地线包起来。

    3、电源芯片DCDC和LDO芯片。DCDC下方无过孔,对于DCDC的散热有一定影响,因为PCB板子的纵向散热能力来讲比较差,所以需要打孔塞绿油来增强散热,过孔对于地的回流来讲微乎其微,不用纠结;再就是有些设计主张把DCDC芯片输出电感的下方铜皮挖掉,但是有些都是保持不动的。以下是一些原因,但是看如何取舍?
    (1)挖掉电感下方的铜皮,首先将会导致下面的地不连续,此时导致的问题就是散热有问题,因为铜皮散热是要好于RF4基板的;
    (2)温升低,因为电感下方的地拿掉的话,就没有因此导致的涡流发热;
    (3)去掉电感下方的地,就相当于减小电感线圈与地之间的寄生电容,此举在高频下会减小损耗。
    LDO芯片一般是发热比较严重的,因为其工作原理所决定的。所以在LDO处理时,我们需要在LDO芯片下方多打过孔,过孔可以减小PCB板的纵向散热热阻,增强散热效果;但是因为有些设计是把LDO焊盘做开窗处理的(开窗:就是铜皮上不覆盖绿油),这种效果其实特别差,原因在于铜的导热系数是高于绿油的,但是绿油的辐射系数是高于铜的,并且实测已经验证过了。

    4、时钟线CLK走线的包地和包地过孔问题。实际上包地是一个辅助性的锦上添花的做法,最为本质的还是需要完整的地平面。
    (1)包地过少过细不利于信号回流,明确一点就是信号回流需满足最低阻抗要求,如果包地存在难以打过孔的问题,此时将会导致地阻抗变大(高频下要考虑寄生参数)则不如不包地,保持一个完整的地平面层就可以。
    (2)时钟走线最好不要跨层走线,如果跨层但同时参考一层可是可行的(如在1、3层走线,参考2层地;或者在1、4层走线,但是2层和3层最好参考地,不要出现3层为地和电源的分割情况)。

    5、敏感信号干扰问题,例如时钟、重要信号线走线靠近晶体、电感,则有可能导致串扰干扰问题。
    (1)这问题的解决,如果板子空间足够,则能拉多远就多远。
    (2)如果板子空间不够,则考虑多层板设计,或者尽可能地增加包地线的宽度。

    6、电源走线太细,且电源走线过孔太密,导致地连接不好;
    (1)电源走线太细的问题在于,当后面负载需要极高电流时,在瞬间来讲是交流变化,所以在细走线寄生电感上产生压降,造成需求端电压变为电源减去寄生电感上的压降,此时可能导致问题出现。
    (2)过孔太密的原因是每个过孔所承载的电流大小是一定的,但是需要大电流时需要多个过孔并行打,此时如果过孔连接起来就有可能导致分割(具体看多少孔)。

    7、器件底部的过孔数量,过孔太少既会影响芯片的信号回流,也不利于芯片的散热。
    (1)因为器件的尺寸现在体积很小,造成和PCB板的接触面积减小,进而导致热阻变大,所以我们使用过孔来增加散热能力,但是对于功耗比较大的芯片来讲还是需要散热片的。
    (2)地回流是对于高速信号提出来的,讲的是接地环路要保持面积最小,同时尽可能保持地走线面积大一些,但是PCB板上面积最大的就是地参考层,所以我们打过孔,有利于地回流。

    8、高压低压隔离相关问题。
    (1)网口电路。高压电容电容附近的过孔数量尽量多一些,有利于浪涌路径阻抗最小。且需要注意高压区域低压区间距大小问题,尽量加大空间。特别是网口带灯时控制器引脚(指示灯控制脚)与高压间距。中心抽头出线要尽量短一些,有利于浪涌泄放。
    (2)电源产品的高压和低压之间隔离。如果直接是PCB板的话,则同层之间间距最少保持3mm间距;如果是不同层则中间介质大约为1mm就行(注意材质);如果不够,则需要添加隔离槽,然后增加隔离物质填充,增加爬电距离。

    9、天线周围建议增加禁空区域范围,正常规范最小是3mm,增大间距有利于发挥天线性能。

    10、所有时钟信号预留的RC网络是靠近源端放置还是靠近终端放置,需要看谁是时钟信号的输出端,谁是输入端,按照原理来讲是靠近输出端,就是源端;但是实际上我们需要考虑时钟信号与周围强干扰信号的距离。
    (1)时钟线的频率在现在变得已经很高了,而周期性方波信号经过傅里叶变换后在频域中包含的谐波很丰富,而这会导致EMC辐射超标问题。信号上升沿越陡峭,问题越严重,所以加上RC电路来降低上升沿陡峭程度,进而减小辐射。
    (2)辐射问题,我们一般讲干扰源、传播途径、敏感源。所以RC加在那端是关键。正常来讲,放在源端最好,因为源端产生的在源端处理;但是当板子上有其他干扰时,有可能又加在RC之后(空间、串扰等方式),所以此时是不是要考虑放在终端设备;所以实际上放在哪需要自己考量。是在不明白的,那就两边都放,然后实际测试下。

    11、注意分割线的位置,过孔请靠近分割线放置;
    (1)分割线会导致PCB板上的回流路径变长,对于高速信号来讲是不可取的,所以需要在跨分割区域增加过孔,使得信号通过过孔回流。

    12、连接端子走线出线请增加泪滴,否则阻抗不连续情况会变得更差。
    (1)增加泪滴的目的在于使得走线逐渐的右粗变细或者游戏变粗,增加连续性,而不是直接变化。
    13、静电防护器件引脚周围增加过孔,使得浪涌等泄放时有最小泄放路径;

    14、器件、模组使用兼容问题,需要考虑实际的器件与兼容设计时器件物理尺寸的具体差异,是否会影响到实际的焊接;且要考虑当前物料在未来的采购量以及物料能否替代问题。
    (1)这个问题实际上是原理图设计师需要注意的。

    15、关键信号不要打过孔,可以牺牲掉一些不重要的信号的走线,使得关键信号走线完整。

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    Administrator PCB Layout 注意事项——布线 目录  一、EMC优化 2 ●调整过孔位置,使覆铜连成整块 2 ●易受干扰的关键信号线作包地处理 3 ●特殊封装——导线直连焊盘的“0欧电阻” 4 ●关键信号或元件的背面...

    Administrator

    PCB Layout 注意事项——布线


    目录


     一、EMC优化

    ●调整过孔位置,使覆铜连成整块

    ●易受干扰的关键信号线作包地处理

    ●特殊封装——导线直连焊盘的“0欧电阻”

    ●关键信号或元件的背面铺地,不要走线,避免干扰

    ●蛇形线绕等长

    ●电源线按“主线——支线”走成分支形,避免环形

    ●电源先经过滤波电容,再进元件,先大电容后小电容

    ●延伸出去的铜皮要打地孔接地,避免悬空形成“天线”

    补充:加地孔让元件接地良好


    二、批量生产相关问题

    ●导线远离螺丝孔

    附:PCB Layout 一般安全距离

    ●IC或贴片插座中,同一网络的相邻引脚,先引出导线再相连


    三、其他布线规则

    ●进出线同宽

    ●对称出线

    ●走线方向统一

    ●焊盘出线位置优化

    ●兼顾多条规则,如EMC最佳、线路最短,布局整齐,方便检修等……

    ●布线次序、线宽




    说明:本文所有文字及截图,均整理自本人日常工作总结,用于个人学习及同行交流,不足之处,欢迎交流指正!

    --Perry

    2019.12




    一、EMC优化


    调整过孔位置,使覆铜连成整块

    1、下左图,白色箭头处过孔太靠下,覆铜被分成左右两块。

    右图,过孔上移,下方可完整覆铜。绿箭头所指的两边区域能通过大块铜皮良好连接。


    总结:布线阶段要提前考虑,避免零碎覆铜,影响EMC。甚至形成孤岛死铜,使元件接地脚接不到地。

    2、尽量避免割裂铜皮。下图,过孔1跟上下导线2和3保持足够距离,顶层覆铜时绿线标记处的铜皮就能连起来(右图示),不会断开。


    下图,底层同样留有空间,使蓝线标记处的底层铜皮相连。


    总结:布线时要合理安排导线和过孔位置,构造出大块的地,提高板子的EMC性能。

    使顶层(粉色)跟底层(青色)的覆铜相连。


    易受干扰的关键信号线作包地处理

    如时钟信号MCLK、PCLK。低压差分信号LVDSP、LVDSN。MIPI信号、MIC或音频输入信号。

    用GND包差分线LVDSP、LVDSN:



    下图,用模拟地AGND包咪头信号线MIC:



    下图,用模拟地AGND包咪头信号线MIC,AGND通过绿色箭头处的0欧电阻接到大地GND。

    (注:该0欧电阻采用导线直连焊盘的特殊封装,生产时可节省一个电阻)。


    特殊封装——导线直连焊盘的“0欧电

    模拟地和数字地分开,再分别用0欧电阻接到大地




    Sensor接到MCU,用GND包时钟线MCLK、PCLK,行场同步信号线HSYNC、VSYNC:



    Sensor接到MCU,时钟线和行场线包地,高亮的是GND:



    关键信号或元件的背面铺地,不要走线,避免干扰


    下图FPC排线,差分信号LVDS的背面没有走线,而是放置整块网格状的底层铺地,加上顶层的包地,实现EMC优化。

    I2C线也有包地。




    IC下方及背面铺地,没有走线。另:晶振下方不要走线:



    蛇形线绕等长

    差分信号绕等长,LVDSP、LVDSN:





    3组6根MIPI线,绕蛇形线使每组的两根线等长,高亮的导线是GND:


    注:差分布线要求等长等距,但往往不可兼顾。查阅多处资料均认为等长优先,暂定此方案。



    电源线按“主线——支线”走成分支形,避免环形


    下图3.3V电源从白框处起源,呈分支状分配到其他地方。






    电源先经过滤波电容,再进元件,先大电容后小电容


    电容接地脚要就近打地孔连到更大的地上,不要经过一根很长的线才到地。

    下图中不仅靠近接地脚打地孔,而且元件之间留有较大空隙,覆铜时能实现大块铜皮直连,优化EMC性能。


    滤波电容靠近芯片电源脚,电流先过电容再进芯片:



    延伸出去的铜皮要打地孔接地,避免悬空形成“天线”


    例1:白色标记的铜皮向下方延伸,悬空形成天线,要加过孔连到底层更大的铜皮上。


    例2:电容旁的地孔,将向下延伸的铜皮(左图弯曲箭头所示)跟底层连在一起,同时电容接地更加良好。

    另一个重要作用是,右图的两个地孔将底层(蓝色)的两块铜皮以更短路径连起来,给旁边向下的两条信号线(白框标记)提供更短的回流路径。如果没有此地孔,信号回流无法跨过割裂的铜皮,只能绕远路,可能产生信号完整性问题。


    【注】:即使通过了软件DRC检查,也要人工检查,必要处加上地孔。

    上图即使不加这个地孔,DRC也不会报错,但不能更好的发挥板子性能,甚至产生信号完整性问题。






    例3:

    下左图,向下延伸的铜皮悬空形成“天线”。右图加地孔避免悬空,并且将底层绿箭头标记的铜皮连在一起。同时也避免了中间绿箭头处的底层铜皮向左延伸形成“天线”。









    补充:加地孔让元件接地良好

    下图右上角GND引脚,用两个过孔,接地良好




    二、批量生产相关问题


    导线远离螺丝孔


    修改前:


    修改后:


    附:PCB Layout 一般安全距离

    导线——导线/焊盘: 6mil,10mil

    铺铜——导线/焊盘:10mil

    元件——板边:5mm以上

    元件——定位孔:1.27mm

    元件——螺丝孔:3.5mm


    IC或贴片插座同一网络的相邻引脚,先引出导线再相连

    不要直接将焊盘连在一起,导致生产时误以为引脚连锡短路。


    例1:左图芯片引脚看似短路,以为生产不良。其实两引脚是相连的同一网络。


    改进:引出一段导线再连接,避免连锡引起误解。


    例2:右图是改进后的出线方式

    同类情况都按此处理:


    三、其他布线规则


    进出线同宽

    要求:电阻、电容、二极管等两脚元件,两根导线要宽度相同。

    原因:波峰焊时,较宽的导线会从右焊盘吸走更多热量,导致两个焊盘的锡膏不同时融化。左焊盘先融化的锡膏可能会拉着元件翘起来,造成右焊盘焊接不良。


    下图中间的电阻和电容同理:


    对称出线


    元件对称出线,







    走线方向统一

    相同层走线方向统一,便于高效利用布线空间;

    相邻层互相垂直,以减弱信号干扰。


    焊盘出线位置优化

    左焊盘:软件默认的焊盘出线方式

    右焊盘:手工优化的出线方式


    兼顾多条规则,如EMC最佳、线路最短布局整齐,方便检修等……

    例1:以下两方案都能让三极管同向摆放,但左图绿色标记的走线太长,对比后采用右图。


    例2

    左图两电阻走线太绕,右图调整后走线更短,并且跟左边的电容统一成横向。


    例3:

    左图调整前。右图调整后,线路更短且元件方向统一,布局美观。


    布线次序、线宽

    关键信号线优先,时钟信号、同步信号、高速信号优先。

    复杂元件优先,或线路最密集的地方优先,一般从主要IC开始布线。


    常用线宽规格:6,8,10,15,20,30mil。

    线宽:地线>电源线>信号线。



    展开全文
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    5. 其他注意点

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    一般认为MOSFET是电压驱动的,不需要驱动电流,然而,在MOSFET的GS两级之间有结电容存在,这个电容会让驱动MOS变的不那么简单。
    在这里插入图片描述
    如果不考虑纹波和EMI的要求话,MOS管开关速度越快越好,因为开关时间越短,开关损耗越小,而在开关电源中开关损耗占总损耗的很大一部分,因此MOS管驱动电路的好坏直接决定了电源的效率。

    对于一个MOS管,如果把GS之间的电压从0拉到管子的开启电压所用的时间越短,那么MOS管开启的速度就会越快。
    与此类似,如果把MOS管的GS电压从开启电压降到0V的时间越短,那么MOS管关断的速度也就越快。
    由此我们可以知道,如果想在更短的时间内把GS电压拉高或者拉低,就要给MOS管栅极更大的瞬间驱动电流。
    大家常用的PWM芯片输出直接驱动MOS或者用三极管放大后再驱动MOS的方法,其实在瞬间驱动电流这块是有很大缺陷的。
    比较好的方法是使用专用的MOSFET驱动芯片如TC4420来驱动MOS管,这类芯片一般有很大的瞬间输出电流,而且还兼容TTL电平输入
    MOSFET驱动芯片的内部结构如下:

    在这里插入图片描述

    MOS驱动电路设计需要注意的地方

    因为驱动线路走线会有寄生电感,而寄生电感和MOS管的结电容会组成一个LC振荡电路
    如果直接把驱动芯片的输出端接到MOS管栅极的话,在PWM波的上升下降沿会产生很大的震荡,导致MOS管急剧发热甚至爆炸,一般的解决方法是在栅极串联10欧左右的电阻,降低LC振荡电路的Q值,使震荡迅速衰减掉。

    因为MOS管栅极高输入阻抗的特性,一点点静电或者干扰都可能导致MOS管误导通,所以建议在MOS管G S之间并联一个10K的电阻以降低输入阻抗。

    如果担心附近功率线路上的干扰耦合过来产生瞬间高压击穿MOS管的话,可以在GS之间再并联一个18V左右的TVS瞬态抑制二极管。
    TVS可以认为是一个反应速度很快的稳压管,其瞬间可以承受的功率高达几百至上千瓦,可以用来吸收瞬间的干扰脉冲。

    MOS管驱动电路参考:
    在这里插入图片描述

    MOS管驱动电路的布线设计

    MOS管驱动线路的环路面积要尽可能小,否则可能会引入外来的电磁干扰。
    驱动芯片的旁路电容要尽量靠近驱动芯片的VCC和GND引脚,否则走线的电感会很大程度上影响芯片的瞬间输出电流

    在这里插入图片描述
    常见的MOS管驱动异常波形:
    在这里插入图片描述
    如果出现了这样圆不溜秋的波形,有很大一部分时间管子都工作在线性区,损耗极其巨大。
    一般这种情况是布线太长电感太大,栅极电阻都救不了你,只能重新画板子。
    在这里插入图片描述
    高频振铃严重的毁容方波。
    在上升沿下降沿震荡严重,这种情况管子一般瞬间死掉,跟上一个情况差不多,进线性区,原因也类似,主要是布线的问题
    上升下降沿极其缓慢,这是因为阻抗不匹配导致的,芯片驱动能力太差或者栅极电阻太大,果断换大电流的驱动芯片,栅极电阻往小调调就OK了。
    打肿脸充正弦的生于方波他们家的三角波,驱动电路阻抗超大发了,此乃管子必杀波,解决方法同上。

    在这里插入图片描述
    大众脸型,人见人爱的方波。
    高低电平分明,电平这时候可以叫电平了,因为它平,边沿陡峭,开关速度快,损耗很小,略有震荡,是可以接受的,管子进不了线性区,强迫症的话可以适当调大栅极电阻。
    在这里插入图片描述
    方方正正的帅哥波,无振铃无尖峰无线性损耗的三无产品,这就是最完美的波形了。


    转自公众号-----------巧学模电数电单片机

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