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PCB设计与产品质量


作者:丰日科技 时间:2020-07-13 浏览:377


PCB设计与电子产品质量控制
 
       PCB是英文(Printed Circuit Board)印制电路板的简称。日常生活中我们所能见到的电子产品,小到电子手表、计算器,大到计算机、各种通讯设备、航空、航天、军用武器等几乎都离不开PCB。总之,只要有二极管、三极管等电子元器件,就需要PCB把他们之间按照一定的电气关系连接起来,从而具备某种电气特性。在电子产品设计中,任何原理电路的设计意图最终都是通过PCB实现的。因此,PCB设计在任何产品的研制过程中都是不可缺少的一个重要环节。PCB设计的质量直接影响电子产品的质量。目前,PCB的设计已经占整个硬件设计费用的50%,专家预测比例还在不断增大,很快PCB方面的开发和研制费用将达到产品总费用的80%甚至更高。
 
一、电子产品的电气功能
 
       具备特定的电气功能是电子产品的基本要求,也是印制板设计最基本、最重要的要求,要使产品具备符合设计的电气功能,准确实现电原理图的连接关系,首先要做到线路接通,连线正确。同时要避免出现“短路”和“断路”这两个简单而致命的错误。这一基本要求在手工设计和用简单CAD软件设计的PCB中并不容易做到,一般较复杂的产品都要经过两轮以上试制修改,功能较强的CAD软件则有检验功能,可以保证电气连接的正确性。
 
       随着系统设计复杂性和集成度的大规模提高,仅仅依靠连线正确和没有“短路”和“断路”的PCB已无法满足电子产品的电气功能需要了。这是因为电子产品的工作频率越来越高,现在总线的工作频率也已经达到或者超过50MHZ,有的甚至超过100MHZ。目前约50%的电子产品的时钟频率超过50MHz,将近20%的设计主频超过120MHz。当系统工作在50MHz时,将产生传输线效应和信号的完整性问题;而当系统时钟达到120MHz时,除非使用高速电路设计知识,否则基于传统方法设计的PCB将无法工作。因此,高速电路设计技术已经成为电子系统设计师必须采取的设计手段。只有通过使用高速电路的设计技术,才能实现设计过程的可控性,证产品的电气功能。
 
二、电子产品的稳定电气性能
 
       电气性能稳定是电子产品的一项重要指标。在研制和生产中即使电路原理图设计正确,PCB的连线准确无误,但是印制电路板设计考虑不周全,也会对电子设备的稳定性产生不利影响。使产品的电气性能下降,有时甚至使产品不合格。综合各种情况,PCB产生不稳定的因素及处理方法如下:
 
2.1接好地线
 
在电子产品中处理好接地是控制干扰、保证稳定的有效途径。例如将接地和屏蔽正确结合起来,就能解决大部分干扰问题。电子设备中的“地”有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地(逻辑地)和模拟地等。具体做法如下:
 
(1)将数字电路与模拟电路分开。如果电路板上既有逻辑电路,又有线性电路,应使两者分开,其地线不能混在一起,应该分别与电源端地线相连。
 
(2)加粗接地线。尽量加宽电源、地线宽度。电源线宽于信号线,地线宽于电源线。
 
(3)地线自成环路。如果是纯数字电路组成的印制电路,将接地线接成环路可以明显提高电子设备的抗噪声能力。
 
2.2克服电磁干扰
 
(1)为了避免高频信号产生电磁辐射,减少导线的不连续性,例如导线宽度不要突变,导线的拐角应大于90度。
 
(2)时钟信号引线最容易产生电磁辐射干扰,走线时应与地线回路相靠近。数据总线的布线应每两根信号线之间夹一根信号地线。在直流电源回路中,负载的变化会引起电源噪声。例如在数字电路中,当电路从一个状态转换为另一种状态时,就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流,形成瞬变的噪声电压。配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声,是印制电路板的可靠性设计的一种常规做法,配置原则如下:电源输入端跨接电解电容器,如果位置允许,采用容量较大(例如100uF以上)的电解电容器,抗干扰效果更好。每个集成电梅芯片配置一个0.01uF的陶瓷电容器。
 
(3)用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。或是做成多层板,电源,地线各占用踊层。
 
三、简化电子产品生产工艺过程
 
       对于电子产品,工艺越简单,意味着出错的概率越小,成本也越低。要做到这一点,PCB设计的规划印制板形状时要力求简单,少用异形孔、槽,减少生产模具和机械加工成本,简化加工程序。布局时要考虑便于产品的加工,首先放置与结构配合紧密的固定元器件,如电源插座、指示灯、开关、连接件之类,这些器件放置好后将其锁定,使之以后不会被误移动;然后放置线路上的较特殊的和较大的元器件,如发热元件、变压器、IC等,最后放置小器件。另外元器件离印制板边缘的距离要适当,一般应在3mm以内或至少大于板厚,这是由于在大批量生产的流水线插件和进行波峰焊时,要提供给导轨槽使用,同时也为了防止由于外形加工引起边缘部分的缺损。
 
四、增强电子产品的美观效果
 
要使产品美观漂亮,PCB的布局和布线要满足:元器件排列整齐,疏密得当;当板上对外连接确定后,相关电路部分应就近安放,避免走远路,绕弯子,尤其忌讳交叉穿插;按电路信号流向布放元件,避免输入输出、高低电平部分交叉。
 
布放元件顺序要做到三先三后:先大后小,先安放在印制板上面积较大的元器件;先集成后分立,先安放集成件后安放分立件。先主后次,多块集成电路时先放置主电路,后放置次电路。
 
布线时要做到:连接要准确无误;走线要简捷。尽可能使走线短、直、平滑,特别是低电平、高阻抗电路部分;粗细要适当。电源线和地线在版面允许的条件下尽可能宽一些。做到以上诸条,就能设计并制造出铭足电气要求,美观漂亮的印制电路板。
 
       综上所述,PCB的设计与电子产品的质量密切相关,一个名牌的电子产品,不但有电路原理设计、调试、制造的功劳,更有PCB不可埋没之功。因此,抓紧PCB设计的研究和开发,使之赶上和超过世界先进水平,就能为我国创造更多的名牌电子产品做出有力的贡献。
 
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