印制電路板的可靠性設(shè)計(jì)

印制電路板的可靠性設(shè)計(jì)一、印制電路板的可靠性設(shè)計(jì)目前電子器材用于各類電子設(shè)備和系統(tǒng)仍然以印制電路板為主要裝配方式。實(shí)踐證明，即使電路原理圖設(shè)計(jì)正確，印制電路板設(shè)計(jì)不當(dāng)，也會(huì)對電子設(shè)備的可靠性產(chǎn)生不利影響。例如，如果印制板兩條細(xì)平行線靠得很近，則會(huì)形成信號(hào)波形的延遲，在傳輸線的終端形成反射噪聲。因此，在設(shè)計(jì)印制電路板的時(shí)候，應(yīng)注意采用正確的方法。一、地線設(shè)計(jì)在電子設(shè)備中，接地是控制干擾的重要方法。如能將接地和屏蔽正確結(jié)合起來使用，可解決大部分干擾問題。電子設(shè)備中地線結(jié)構(gòu)大致有系統(tǒng)地、機(jī)殼地（屏蔽地）、數(shù)字地（邏輯地）和模擬地等。在地線設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1.正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地

在低頻電路中，信號(hào)的工作頻率小于1MHz，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對干擾影響較大，因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地。當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10MHz時(shí)，地線阻抗變得很大，此時(shí)應(yīng)盡量降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。當(dāng)工作頻率在1～10MHz時(shí)，如果采用一點(diǎn)接地，其地線長度不應(yīng)超過波長的1/20，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地法。

2.將數(shù)字電路與模擬電路分開

電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開，而兩者的地線不要相混，分別與電源端地線相連。要盡量加大線性電路的接地面積。

3.盡量加粗接地線

若接地線很細(xì)，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設(shè)備的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。因此應(yīng)將接地線盡量加粗，使它能通過三位于印制電路板的允許電流。如有可能，接地線的寬度應(yīng)大于3mm。

4.將接地線構(gòu)成閉環(huán)路

設(shè)計(jì)只由數(shù)字電路組成的印制電路板的地線系統(tǒng)時(shí)，將接地線做成閉環(huán)路可以明顯的提高抗噪聲能力。其原因在于：印制電路板上有很多集成電路元件，尤其遇有耗電多的元件時(shí)，因受接地線粗細(xì)的限制，會(huì)在地結(jié)上產(chǎn)生較大的電位差，引起抗噪聲能力下降，若將接地結(jié)構(gòu)成環(huán)路，則會(huì)縮小電位差值，提高電子設(shè)備的抗噪聲能力。印制電路板的可靠性設(shè)計(jì)二、電磁兼容性設(shè)計(jì)電磁兼容性是指電子設(shè)備在各種電磁環(huán)境中仍能夠協(xié)調(diào)、有效地進(jìn)行工作的能力。電磁兼容性設(shè)計(jì)的目的是使電子設(shè)備既能抑制各種外來的干擾，使電子設(shè)備在特定的電磁環(huán)境中能夠正常工作，同時(shí)又能減少電子設(shè)備本身對其它電子設(shè)備的電磁干擾。

1.選擇合理的導(dǎo)線寬度

由于瞬變電流在印制線條上所產(chǎn)生的沖擊干擾主要是由印制導(dǎo)線的電感成分造成的，因此應(yīng)盡量減小印制導(dǎo)線的電感量。印制導(dǎo)線的電感量與其長度成正比，與其寬度成反比，因而短而精的導(dǎo)線對抑制干擾是有利的。時(shí)鐘引線、行驅(qū)動(dòng)器或總線驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)線常常載有大的瞬變電流，印制導(dǎo)線要盡可能地短。對于分立元件電路，印制導(dǎo)線寬度在1.5mm左右時(shí)，即可完全滿足要求；對于集成電路，印制導(dǎo)線寬度可在0.2～1.0mm之間選擇。

2.采用正確的布線策略

采用平等走線可以減少導(dǎo)線電感，但導(dǎo)線之間的互感和分布電容增加，如果布局允許，最好采用井字形網(wǎng)狀布線結(jié)構(gòu)，具體做法是印制板的一面橫向布線，另一面縱向布線，然后在交叉孔處用金屬化孔相連。

為了抑制印制板導(dǎo)線之間的串?dāng)_，在設(shè)計(jì)布線時(shí)應(yīng)盡量避免長距離的平等走線，盡可能拉開線與線之間的距離，信號(hào)線與地線及電源線盡可能不交叉。在一些對干擾十分敏感的信號(hào)線之間設(shè)置一根接地的印制線，可以有效地抑制串?dāng)_。

為了避免高頻信號(hào)通過印制導(dǎo)線時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射，在印制電路板布線時(shí)，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

●盡量減少印制導(dǎo)線的不連續(xù)性，例如導(dǎo)線寬度不要突變，導(dǎo)線的拐角應(yīng)大于90度禁止環(huán)狀走線等。

●時(shí)鐘信號(hào)引線最容易產(chǎn)生電磁輻射干擾，走線時(shí)應(yīng)與地線回路相靠近，驅(qū)動(dòng)器應(yīng)緊挨著連接器。

●總線驅(qū)動(dòng)器應(yīng)緊挨其欲驅(qū)動(dòng)的總線。對于那些離開印制電路板的引線，驅(qū)動(dòng)器應(yīng)緊緊挨著連接器。

●數(shù)據(jù)總線的布線應(yīng)每兩根信號(hào)線之間夾一根信號(hào)地線。最好是緊緊挨著最不重要的地址引線放置地回路，因?yàn)楹笳叱］d有高頻電流。

●在印制板布置高速、中速和低速邏輯電路時(shí)，應(yīng)按照圖1的方式排列器件。

3.抑制反射干擾

為了抑制出現(xiàn)在印制線條終端的反射干擾，除了特殊需要之外，應(yīng)盡可能縮短印制線的長度和采用慢速電路。必要時(shí)可加終端匹配，即在傳輸線的末端對地和電源端各加接一個(gè)相同阻值的匹配電阻。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對一般速度較快的TTL電路，其印制線條長于10cm以上時(shí)就應(yīng)采用終端匹配措施。匹配電阻的阻值應(yīng)根據(jù)集成電路的輸出驅(qū)動(dòng)電流及吸收電流的最大值來決定。

印制電路板的可靠性設(shè)計(jì)三、去耦電容配置八、如何提高電子產(chǎn)品的抗干擾能力和電磁兼容性

在研制帶處理器的電子產(chǎn)品時(shí)，如何提高抗干擾能力和電磁兼容性？1、

下面的一些系統(tǒng)要特別注意抗電磁干擾：(1)微控制器時(shí)鐘頻率特別高，總線周期特別快的系統(tǒng)。(2)系統(tǒng)含有大功率，大電流驅(qū)動(dòng)電路，如產(chǎn)生火花的繼電器，大電流開關(guān)等。(3)含微弱模擬信號(hào)電路以及高精度A/D變換電路的系統(tǒng)。2、

為增加系統(tǒng)的抗電磁干擾能力采取如下措施：(1)選用頻率低的微控制器：

選用外時(shí)鐘頻率低的微控制器可以有效降低噪聲和提高系統(tǒng)的抗干擾能力。同樣頻率的方波和正弦波，方波中的高頻成份比正弦波多得多。雖然方波的高頻成份的波的幅度，比基波小，但頻率越高越容易發(fā)射出成為噪聲源，微控制器產(chǎn)生的最有影響的高頻噪聲大約是時(shí)鐘頻率的3倍。(2)減小信號(hào)傳輸中的畸變

微控制器主要采用高速CMOS技術(shù)制造。信號(hào)輸入端靜態(tài)輸入電流在1mA左右，輸入電容10PF左右，輸入阻抗相當(dāng)高，高速CMOS電路的輸出端都有相當(dāng)?shù)膸лd能力，即相當(dāng)大的輸出值，將一個(gè)門的輸出端通過一段很長線引到輸入阻抗相當(dāng)高的輸入端，反射問題就很嚴(yán)重，它會(huì)引起信號(hào)畸變，增加系統(tǒng)噪聲。當(dāng)Tpd＞Tr時(shí)，就成了一個(gè)傳輸線問題，必須考慮信號(hào)反射，阻抗匹配等問題。

信號(hào)在印制板上的延遲時(shí)間與引線的特性阻抗有關(guān)，即與印制線路板材料的介電常數(shù)有關(guān)?？梢源致缘卣J(rèn)為，信號(hào)在印制板引線的傳輸速度，約為光速的1/3到1/2之間。微控制器構(gòu)成的系統(tǒng)中常用邏輯電話元件的Tr（標(biāo)準(zhǔn)延遲時(shí)間）為3到18ns之間。

在印制線路板上，信號(hào)通過一個(gè)7W的電阻和一段25cm長的引線，線上延遲時(shí)間大致在4~20ns之間。也就是說，信號(hào)在印刷線路上的引線越短越好，最長不宜超過25cm。而且過孔數(shù)目也應(yīng)盡量少，最好不多于2個(gè)。

當(dāng)信號(hào)的上升時(shí)間快于信號(hào)延遲時(shí)間，就要按照快電子學(xué)處理。此時(shí)要考慮傳輸線的阻抗匹配，對于一塊印刷線路板上的集成塊之間的信號(hào)傳輸，要避免出現(xiàn)Td＞Trd的情況，印刷線路板越大系統(tǒng)的速度就越不能太快。

用以下結(jié)論歸納印刷線路板設(shè)計(jì)的一個(gè)規(guī)則：

信號(hào)在印刷板上傳輸，其延遲時(shí)間不應(yīng)大于所用器件的標(biāo)稱延遲時(shí)間。(3)減小信號(hào)線間的交叉干擾：

A點(diǎn)一個(gè)上升時(shí)間為Tr的階躍信號(hào)通過引線AB傳向B端。信號(hào)在AB線上的延遲時(shí)間是Td。在D點(diǎn)，由于A點(diǎn)信號(hào)的向前傳輸，到達(dá)B點(diǎn)后的信號(hào)反射和AB線的延遲，Td時(shí)間以后會(huì)感應(yīng)出一個(gè)寬度為Tr的頁脈沖信號(hào)。在C點(diǎn)，由于AB上信號(hào)的傳輸與反射，會(huì)感應(yīng)出一個(gè)寬度為信號(hào)在AB線上的延遲時(shí)間的兩倍，即2Td的正脈沖信號(hào)。這就是信號(hào)間的交叉干擾。干擾信號(hào)的強(qiáng)度與C點(diǎn)信號(hào)的di/at有關(guān)，與線間距離有關(guān)。當(dāng)兩信號(hào)線不是很長時(shí)，AB上看到的實(shí)際是兩個(gè)脈沖的迭加。

CMOS工藝制造的微控制由輸入阻抗高，噪聲高，噪聲容限也很高，數(shù)字電路是迭加100~200mv噪聲并不影響其工作。若圖中AB線是一模擬信號(hào)，這種干擾就變?yōu)椴荒苋萑?。如印刷線路板為四層板，其中有一層是大面積的地，或雙面板，信號(hào)線的反面是大面積的地時(shí)，這種信號(hào)間的交叉干擾就會(huì)變小。原因是，大面積的地減小了信號(hào)線的特性阻抗，信號(hào)在D端的反射大為減小。特性阻抗與信號(hào)線到地間的介質(zhì)的介電常數(shù)的平方成反比，與介質(zhì)厚度的自然對數(shù)成正比。若AB線為一模擬信號(hào)，要避免數(shù)字電路信號(hào)線CD對AB的干擾，AB線下方要有大面積的地，AB線到CD線的距離要大于AB線與地距離的2~3倍。可用局部屏蔽地，在有引結(jié)的一面引線左右兩側(cè)布以地線。(4)減小來自電源的噪聲

電源在向系統(tǒng)提供能源的同時(shí)，也將其噪聲加到所供電的電源上。電路中微控制器的復(fù)位線，中斷線，以及其它一些控制線最容易受外界噪聲的干擾。電網(wǎng)上的強(qiáng)干擾通過電源進(jìn)入電路，即使電池供電的系統(tǒng)，電池本身也有高頻噪聲。模擬電路中的模擬信號(hào)更經(jīng)受不住來自電源的干擾。(5)注意印刷線板與元器件的高頻特性

在高頻情況下，印刷線路板上的引線，過孔，電阻、電容、接插件的分布電感與電容等不可忽略。電容的分布電感不可忽略，電感的分布電容不可忽略。電阻產(chǎn)生對高頻信號(hào)的反射，引線的分布電容會(huì)起作用，當(dāng)長度大于噪聲頻率相應(yīng)波長的1/20時(shí)，就產(chǎn)生天線效應(yīng)，噪聲通過引線向外發(fā)射。

印刷線路板的過孔大約引起0.6pf的電容。

一個(gè)集成電路本身的封裝材料引入2~6pf電容。

一個(gè)線路板上的接插件，有520nH的分布電感。一個(gè)雙列直扦的24引腳集成電路扦座，引入4~18nH的分布電感。

這些小的分布參數(shù)對于這行較低頻率下的微控制器系統(tǒng)中是可以忽略不計(jì)的；而對于高速系統(tǒng)必須予以特別注意。(6)元件布置要合理分區(qū)

元件在印刷線路板上排列的位置要充分考慮抗電磁干擾問題，原則之一是各部件之間的引線要盡量短。在布局上，要把模擬信號(hào)部分，高速數(shù)字電路部分，噪聲源部分（如繼電器，大電流開關(guān)等）這三部分合理地分開，使相互間的信號(hào)耦合為最小。G處理好接地線

印刷電路板上，電源線和地線最重要。克服電磁干擾，最主要的手段就是接地。

對于雙面板，地線布置特別講究，通過采用單點(diǎn)接地法，電源和地是從電源的兩端接到印刷線路板上來的，電源一個(gè)接點(diǎn)，地一個(gè)接點(diǎn)。印刷線路板上，要有多個(gè)返回地線，這些都會(huì)聚到回電源的那個(gè)接點(diǎn)上，就是所謂單點(diǎn)接地。所謂模擬地、數(shù)字地、大功率器件地開分，是指布線分開，而最后都匯集到這個(gè)接地點(diǎn)上來。與印刷線路板以外的信號(hào)相連時(shí)，通常采用屏蔽電纜。對于高頻和數(shù)字信號(hào)，屏蔽電纜兩端都接地。低頻模擬信號(hào)用的屏蔽電纜，一端接地為好。

對噪聲和干擾非常敏感的電路或高頻噪聲特別嚴(yán)重的電路應(yīng)該用金屬罩屏蔽起來。(7)用好去耦電容。

好的高頻去耦電容可以去除高到1GHZ的高頻成份。陶瓷片電容或多層陶瓷電容的高頻特性較好。設(shè)計(jì)印刷線路板時(shí)，每個(gè)集成電路的電源，地之間都要加一個(gè)去耦電容。去耦電容有兩個(gè)作用：一方面是本集成電路的蓄能電容，提供和吸收該集成電路開門關(guān)門瞬間的充放電能；另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。數(shù)字電路中典型的去耦電容為0.1uf的去耦電容有5nH分布電感，它的并行共振頻率大約在7MHz左右，也就是說對于10MHz以下的噪聲有較好的去耦作用，對40MHz以上的噪聲幾乎不起作用。

1uf，10uf電容，并行共振頻率在20MHz以上，去除高頻率噪聲的效果要好一些。在電源進(jìn)入印刷板的地方和一個(gè)1uf或10uf的去高頻電容往往是有利的，即使是用電池供電的系統(tǒng)也需要這種電容。

每10片左右的集成電路要加一片充放電電容，或稱為蓄放電容，電容大小可選10uf。最好不用電解電容，電解電容是兩層溥膜卷起來的，這種卷起來的結(jié)構(gòu)在高頻時(shí)表現(xiàn)為電感，最好使用膽電容或聚碳酸醞電容。

去耦電容值的選取并不嚴(yán)格，可按C=1/f計(jì)算；即10MHz取0.1uf，對微控制器構(gòu)成的系統(tǒng)，取0.1~0.01uf之間都可以。3、

降低噪聲與電磁干擾的一些經(jīng)驗(yàn)。(1)能用低速芯片就不用高速的，高速芯片用在關(guān)鍵地方。(2)可用串一個(gè)電阻的辦法，降低控制電路上下沿跳變速率。(3)盡量為繼電器等提供某種形式的阻尼。(4)使用滿足系統(tǒng)要求的最低頻率時(shí)鐘。(5)時(shí)鐘產(chǎn)生器盡量靠近到用該時(shí)鐘的器件。石英晶體振蕩器外殼要接地。(6)用地線將時(shí)鐘區(qū)圈起來，時(shí)鐘線盡量短。(7)I/O驅(qū)動(dòng)電路盡量靠近印刷板邊，讓其盡快離開印刷板。對進(jìn)入印制板的信號(hào)要加濾波，從高噪聲區(qū)來的信號(hào)也要加濾波，同時(shí)用串終端電阻的辦法，減小信號(hào)反射。(8)MCD無用端要接高，或接地，或定義成輸出端，集成電路上該接電源地的端都要接，不要懸空。(9)閑置不用的門電路輸入端不要懸空，閑置不用的運(yùn)放正輸入端接地，負(fù)輸入端接輸出端。(10)印制板盡量使用45折線而不用90折線布線以減小高頻信號(hào)對外的發(fā)射與耦合。(11)印制板按頻率和電流開關(guān)特性分區(qū)，噪聲元件與非噪聲元件要距離再遠(yuǎn)一些。(12)單面板和雙面板用單點(diǎn)接電源和單點(diǎn)接地、電源線、地線盡量粗，經(jīng)濟(jì)是能承受的話用多層板以減小電源，地的容生電感。(13)時(shí)鐘、總線、片選信號(hào)要遠(yuǎn)離I/O線和接插件。(14)模擬電壓輸入線、參考電壓端要盡量遠(yuǎn)離數(shù)字電路信號(hào)線，特別是時(shí)鐘。(15)對A/D類器件，數(shù)字部分與模擬部分寧可統(tǒng)一下也不要交叉。(16)時(shí)鐘線垂直于I/O線比平行I/O