PCB设计方案分析.doc

PCB设计方案分析322020年5月29日文档仅供参考1.5 过孔和焊盘放置许多设计人员喜欢在多层PCB卜放置很多过孔(VIAS)。可是,必须避免在高频电流返同路径上放置过多过。否则,地层上高频电流走线会遭到破坏。如果必须在高频电流路径上放置一些过孔的活,过孔之间能够留出一空间让高频电流顺利经过,图12显示了过孔放置方式。图12 过孔放置方式电源排版基本要点5 过孔放置不应破坏高频电流在地层上的流经。设计者同时应注意不同焊盘的形状会产生不同的串联电感。图13显示了儿种焊盘形状的串联电感值。图13 焊盘寄生串联电感旁路电容(Decouple)的放置也要考虑到它的串联电感值。旁路电容必须是低阻抗和低ESL乩的瓷片电容。但如果一个高品质瓷片电容在PCB上放置的方式不对,它的高频滤波功能也就消失了。图14显示了旁路电容正确和错误的放置方式。图14 旁路电容正确与错误的放置方式16 电源直流输出许多开关电源的负载远离电源的输出端口。为了避免输出走线受电源自身或周边电子器件所产生的电磁下扰,输出电源走线必须像图l5(b)那样靠得很近,使输出电流环路的面积尽可能减小。图15 电源输出直流电流环路l.7 地层在系统板上的分隔新一代电子产品系统板上会同时有模拟电路、数字电路、开关电源电路。为了减小开关电源噪音对敏感的模拟和数字电路的影响,一般需要分隔不同电路的接地层。如果选用多层PCB,不同电路的接地层可由不同PCB板层来分隔。如果整个产品只有一层接地层,则必须像图16中那样在单层中分隔。无论是在多层PCB上进行地层分隔还是在单层PCB 上进行地层分隔,不同电路的地层都应该经过单点与开关电源的接地层相连接。电源排版基本要点6 系统板上不同电路需要不同接地层,不同电路的接地层经过单点与电源接地层相连接。图16 电路接地层民电源接地层的单点连接2、开关电源PCB排版例子设汁人员应能在此线路图上区分出功率电路中元器件和控制信号电路中元器件。如果设计者将该电源中所有的元器件当作数字电路中的元器件来处理,则问题会相当严重。一般首先需要知道电源高频电流的路径,并区分小信号控制电路和功率电路元器件及其走线。一般来讲,电源的功率电路主要包括输入滤波电容、输出滤波电容、滤波电感、上下端功率场效应管。控制电路主要包括PWM控制芯片、旁路电容、自举电路、反馈分压电阻、反馈补偿电路。2.l 电源功率电路PCB排版电源功率器件在PCB上正确的放置和走线将决定整个电源工作是否正常。设计人员首先要对开关电源功率器件上的电压和电流的波形有一一定的了解。图17 一个典型的降压式开关电源图18显示一个降压式开关电源功率电路元器件上的电流和电压波形。由于从输入滤波电容(Cin),上端场效应管(S1)和F端场效应管(S2)中所流过的电流是带有高频率和高峰值的交流电流,因此由Cin-S1-S2所形成的环路面积要尽量减小。同时由S2,L和输出滤波电容(Cout)所组成的环路面积也要尽量减小。图18 开关电源功率电路上的电流和电压图19 不正确的开关电源功率器件放置和走线如果设汁者未按本文所述的要点来制作功率电路PCB,很可能制作出网19所示的电源PCB,图19的PCB排版存在许多错误:第一,由于Cin有很大的ESL,Cin的高频滤波能力基本上消失;第二,Cin-S1-S2和S1-LCout环路的面积太大,所产生的电磁噪音会对电源本身和周边电路造成很大于扰;第三,L的焊盘靠得太近,造成Cp太大而降低了它的高频滤波功能;第四,Cout焊盘引线太长,造成FSL太大而失去了高频滤波线。 Cin-S1-S2和S2-L-Cout环路的面积已控制到最小。S1的源极,S2的漏极和L之问的连接点是一整块铜片焊盘。由于该连接点上的电压是高频,S1、S2和L需要靠得非常近。虽然L和Cout之间的走线上没有高峰值的高频电流,但比较宽的走线能够降低直流阻抗的损耗使电源的效率得到提高。如果成本上允许,电源可用一面完全是接地层的双面PCB,但必须注意在地层卜尽量避免走功率和信号线。在电源的输入和输出端口还各增加了一个瓷片电容器来改进电源的高频滤波性能。2.2 电源控制电路PCB排版电源控制电路PCB排版也是非常重要的。不合理的排版会造成电源输出电压的漂移和振荡。控制线路应放置在功率电路的边上,绝对不能放在高频交流环路的中间。旁路电容要尽量靠近芯片的Vcc和接地脚(GND)。反馈分压电阻最好也放置在芯片附近。芯片驱动至场效应管的环路也要尽量减短。电源排版基本要点7 控制芯片至上端和下端场效应管的驱动电路环路要尽量短。图20 正确的开关电源功率器件放置和走线2.3开关电源PCB排版例1图21是图17 PCB的元器件面走线图。此电源中采用了一个低价PWM控制器(Semtech型号SCIIO4A)。PCB下层是一个完整的接地层。此PCB功率地层与控制地层之间没有分隔。能够看到该电源的功率电路由输入插座(PCB左上端)经过输入滤波电容器(C1,C2,),S1,S2,L1,输出滤波电容器(C10,C11,C12,C13),一直到输出插座(PCB右下端)。SCll04A被放置在PCB的左下端。因为,在地层上功率电路电流不经过控制电路,因此,无必要将控制电路接地层与功率电路接地层进行分隔。如果输入插座是放置在PCB的左下端,那么在地层上功率电路电流会直接经过控制电路,这时就有必要将二者分隔。图21 降压式开关电源PCB上层图(下层是接地层)24开关电源PCB排版例2图22是另一种降压式开关电源,该电源能使12V输入电压转换成33V输出电压,输出电流可达3A。此电源上使用了一个集成电源控制器(Semtech型号SC4519)。这种控制器将一个功率管集成在电源控制器芯片中。这样的电源非常简单,特别适合应用在便携式DVD机,ADSL,机顶盒等消费类电子产品。同前面例子一样,对于这种简单开关电源,在PCB排版时也应注意以下几点。 1)由输入滤波电容(C3),SC4519的接地脚(GND),和D2所围成的环路面积一定要小。这意味着C3及D2必须非常靠近SC4519。2)可采用分隔的功率电路接地层和控制电路接地层。连接到功率地层的元器件包括输入插座(VIN),输出插座(VOUT),输入滤波电容(C3),输出滤波电容(C2),D2,SC4519。连接到控制地层的元器件包括输出分压电阻(R1,R2),反馈补偿电路(R3,C4,C3,),使能插座(EN),同步插座(SYNC)。图22 降压式开关电源3)在SC4519接地脚的附近加 个过孔将功率电路接地层与控制信号电路接地层单点式的相连接。图23是该电源PCB上层排版图。为了力便读者理解,功率接地层和控制信号接地层分别用不同颜色来表示。在这里输入插座被放置在PCB的上方,而输出插座被放置在PCB的下方滤波电感(L1)被放在PCB左边并靠近功率接地层,而对于噪音较敏感的反馈补偿电路(R3,C4,C5)则被放存PCB右边并靠近控制信号接地层。D2非常靠近SC4519的脚3及脚4。图24是该电源PCB下层排版图。输入滤波电容(C3)被放置在PCB下层并非常靠近SC4519和功率接地层。2.5开关电源PCB排版例3最后讨论一种多路输出开关电源PCB排版要点。此电源有3组输入电压(12V,5V和3.3V),4组输出电压(3.3v,2.6V,1.8V,1.2V)。该电源使用了,一集成多路开关控制器(Serotech型号SC2453)。SC2453提供了4.5V30V的宽输入电压范围,两个高达700kHz开关频率和高达15A输出电流,以及低至0.5V输出电压的同步降压转换器。它还提供了一个专用可调配正压线性调节器和一个专用可调配负压线性调节器。TSSOP-28封装减小了所需线路板面积。两个异相降压转换器能够减小输入电流纹波。图25是这种多路开关电源的原理图。其中3.3V输出由5V输人产生,l.2V输出由12V输入产生,2.6V和1.8V输出由3.3V输入产生。由于该电源上所有元器件都必须被放置在一个面积较小的PCB上,为此必须将电源的功率地层和控制信号地层分隔开来。参照前面几节中讨论过的要点,首先将图25中连接到功率地层的元器件和连接到控制信号地层的元器件区分开来,然后将控制信号元器件放在信号地层上并靠近SC2453控制信号地层与功率地层经过单点相连接。这连接点一般会选择在控制芯片的接地脚(SC2453中的脚21)。图26详细描述了该电源排版方式。电源排版基本要点8 开关电源功率电路和控制信号电路下的元器件需要连接不同的接地层,这二个地层一般都是经过单点相连接。3 、结语开关电源PCB排版的8个要点:1)旁路瓷片电容器的电容不能太大,而它的寄生串联电感应尽量小,多个电容并联能改进电容的阻抗特性;2)电感的寄生并联电容应尽量小,电感引脚焊盘之间的距离越远越好;3)避免在地层上放置任何功率或信号走线;4)高频环路的面积应尽可能减小;5)过孔放置不应破坏高频电流在地层上的路径;6)系统板上一小同电路需要不同接地层,小同电路的接地层经过单点与电源接地层相连接;7)控制芯片至上端和下端场效应管的驱动电路环路要尽量短;8)开关电源功率电路和控制信号电路元器件需要连接到小同的接地层,这二个地层一般都是经过单点相连接。Altium Designer集成库简介及创立一集成库概述Altium Designer采用了集成库的概念。在集成库中的元件不但具有原理图中代表元件的符号,还集成了相应的功能模块。如Foot Print 封装,电路仿真模块,信号完整性分析模块等。(关系图如图1)集成库具有以下一些优点:集成库便于移植和共享,元件和模块之间的连接具有安全性。集成库在编译过程中会检测错误,如引脚封装对应等。二集成库的创立集成库的创立主要有以下几个步骤1)创立集成库包2)增加原理图符号元件3)为元件符号建立模块联接4)编译集成库举例:1执行 File New Project Integrated Library, 创立一个包装库项目,然后重命名并保存到目录, 如c:librarylibrary, 生成library.libpkg 集成库包。2在project 标签右键点击project 名,在弹出的菜单中选择增加原理图库。(图2)并命名保存。3在shclib 编辑界面,选择Place 菜单下工具绘制一个元件符号,如图3,添加一个NPN晶体管。4 在sch library 标签下选择默认元件名component_1,双击进入元件属性对话框。在 ”defaultdesignator” 处输入默认符号名;(如Q?)在 ”comment” 处输入对元件的描述;( 如NPN Transistor ) 在 ”physical component” 处输入元件的名称;(NPN)如图4。点击OK 就生成了一个名为NPN 的元件。5在为符号元件建立模块联接之前,先建立查找路径。选择Projectproject Option,进入project属性对话框,在Search Paths页添加模块路径。Footprint库在Altium Designer 6 libraryPCB路径下。为了防止查找范围过大,一般”include sub-folders in search” 不选中。然后点击 ”refresh list” 按钮。如图5。建立Footprint模块联接点击shclib界面下左下角Add Footprint,进入增加元件封装界面,运用Browse按钮选择Cylinder with flat index.pcblib 下的BCY-W3 封装。也能够使用Find 按钮来查找所需要的封装。点击OK,这样封装模块就加载好了。如图1。建立simulation模块联接Altium Designer的spice模型文件格式是*.ckt 或 *.mdl,能够直接从元件供应商的网站下载相应的模型。本例的模型文件在 Altium Designer 6examples utorialscreating components目录下,把该目录加载到 ”search paths” 中。类似增加元件封装,选择 ”Add simulation”, 弹出加载对话框,在 ”model kind” 选项中选择 ”transistor”, 在 ”model name”中输入NPN,(对应与NPN.mdl 文件)在 ”description”中加入描述。点击OK 这样simulation 模块就加好了。图2。如没有spice模型,能够选择 ”create” 按钮手工添加一个模型。建立signal integrity模块联接选择 ”Add signal integrity” 打开对话框,在”type”处选择”BJT”类型,其它能够选择默认值,也能够运用 ”import IBIS”按钮导入文件模型。点击OK。 同上能够增加3D模型,3D模型文件格式是*.VRML,*.IGES.6 编译集成库,在project标签中,右击library.libpkg,在弹出的菜单中选择compile integratedlibrary library.intlib. 编译完成后,在c:libraryproject output forlibrary目录下生成 library.intlib集成库。三集成库的使用点击窗口左边 library 标签,打开库对话框,点击library进入库配制界面,install按钮能够增加集成库,remove 按钮能够移走不许要的库。这样就能够使用库中元件了。四集成库的编辑直接对集成库的编辑是不允许的,因此先的把集成库分拆成集成库包。选择Fileopen选择一个集成库,如Altium Designer 6librarymiscellaneous device.intlib,在弹出的对话框中选择 Extract sources, (图9)这样生成了miscellaneous device.libpkg,就会进入元件编辑界面,能够对元件以及对元件的各种模块联接进行编辑了。五创立元件Footprint 库在altium designer 中,封装库是以*.pcblib 格式存在,它能够嵌入到一个集成库中,也能够在pcb 编辑界面中直接调用其中的元件。Altium designer 中封装库在altium designer6librarypcb 目录中。举例:1 在project 标签中,右键点击library.libpkg,选择add new to projectpcb library,增加一个pcb 库并命名保存为pcblib1.pcblib。如图10。2 双击pcblib1.pcblib 文件打开pcb 元件库界面。就能够运用placepad, placearc,placeline 等命令来绘制元件了。3 双击焊盘,打开焊盘属性对话框,能够对焊盘进行配制。如图11,在 ”property”选项中能够设定焊盘类型,Top layer 对应SMD 焊盘,multi layer 对应穿孔。 ”Hole information” 能够设定孔的形状,如方孔,槽形孔等。双击line,能够对线条进行配制,如果线条表示元件的外形,则设定在top overlay层。图解系列之铺铜的技巧一铜的连接方式:要想使铺好铜的PCB板中的过孔联接不呈十字交叉状,而是直接联接,您能够做如下操作:1.点击菜单Design,在下拉菜单点击Rules,找到PlanePolygon connect style,右键点击选择New rule。出现如图1所示。图1 点击菜单Design,在下拉菜单点击Rules,找到PlanePolygon connect style,右键点击选择New rule2.在新设置的New rule 项设置过孔联接方式。name栏随便取个名字,在where the first object matches栏选advanced(query),在full query栏键入IsVia,如图2所示。(该键入的信息的语法能够点击Query Helper来参考,如图3所示)。意思是设置过孔的联接方式。图2 在full query栏键入IsVia图3 点击Query Helper来参考3.在Connect style栏的下拉选项中选择direct connect。如果说还想对过孔设置不一样的连接方式,只需要新建一个针对过孔的规则即可。 二关于铜的编辑:首先能够正常的放置一块铜,而后在高亮点的地方随意的拖动其大小,另外如果想编辑其局部,能够单击右键:如此即可随意进行编辑。 三Shelve的使用:在PCB编辑的过程中,能够现将所有的铜皮shelve掉,最后restore即可,这样便不会影响PCB设计的速度。四.关于铺铜速度慢的问题:首先建议关掉DRC检测。另外:意思是在做规则设定的时候譬如间距,线宽等多用class来设定的方法,这样能够有效的提高铺铜的速度,这是由于在铺铜的过程中,软件会启动执行检测规则的动作。 五铺铜管理的使用:在此页面里面能够轻易地查看PCB板中所有的铜皮,能够shelve,锁定,忽略DRC等的操作,其中比较重要的一个功能是做规则的设定:如上图示,我们能够先选择某一块铜皮,而后点击*Create Clearance Rule*来创立间距规则,或者是点击*Create Polygon Style Rule*来创立敷铜连接方式的规则: