PCB设计24 过孔和焊盘放置.docx

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1、精品 料推荐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) 。但是，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， 过孔之间可以留出一空间让高频电流顺利通过，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

2、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。1精品 料推荐图 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2精品 料推荐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， 通常需要分隔不同电路

3、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通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，不同电路的接地层通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。通常首先需要知

4、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3精品 料推荐出滤波电容、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

5、 (S2) 中所流过的电流是带有高频率和高峰值的交流电流，所以由 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。4精品 料推荐图 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

6、造成很大于扰；5精品 料推荐第三， 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，但比较宽的走线可以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

7、加了一个瓷片电容器来改善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。6精品 料推荐图 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(

8、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。 可以看到该电源的功率电路由输入插座 (PCB左上端 ) 通过输入滤波电容器 (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通过控制电路， 所以，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通过控制电路，这时就有必要将二者分隔。图 21 降压式开关电源 PCB

9、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7精品 料推荐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，尤其适合应用在便携式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 SC45

10、19。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 PC

11、B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8精品 料推荐层。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

12、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9精品 料推荐范围，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可以减小输入电流纹波。 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

13、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通过单点相连接。这连接点通常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通过单点相连接。10精品 料推荐3 、结语开关电源 PCB排版的 8 个要点：11精品 料推荐1) 旁路瓷片电容器的电容不

14、能太大， 而它的寄生串联电感应尽量小， 多个电容并联能改善电容的阻抗特性；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， 小同电路的接地层通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通过单点相连接。Altium Designer集成库简介及创建一集成库概述AltiumDesigner 采用

15、了集成库的概念。在集成库中的元件不仅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。12精品 料推荐二集成库的创建集成库的创建主要有以下几个步骤1）创建集成库包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,创建一个包装库项目，然后重命名并保存到目录，如 c:libraryl

16、ibrary,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。13精品 料推荐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”14精品 料推荐 入 元件的描述； （ 如 NPNTransistor） 在 “physicalcompone

17、nt” 处 入元件的名称；（ NPN）如 4。点 OK 就生成了一个名 NPN 的元件。5在 符号元件建立模 接之前，先建立 找路径。 Projectproject Option ， 入 project 属性 框，在 Search Paths 添加模 路径。Footprint 在 Altium Designer 6 libraryPCB路径下。 了防止 找范 大，一般“ include sub- folders in search” 不 中。然后点 “refreshlist” 按 。如 5。建立 Footprint模 接15精品 料推荐点 shclib界面下左下角 Add Footprint,

18、 入增加元件封装界面， 运用 Browse按 Cylinder with flat index.pcblib下的 BCY-W3封装。也可以使用Find按 来 找所需要的封装。点 OK， 封装模 就加 好了。如 1。建立 simulation模 接AltiumDesigner 的 spice 模型文件格式是 *.ckt或 *.mdl ，可以直接从元件供 商的网站下 相 的模型。本例的模型文件在Altium Designer 6examplesutorialscreating components 目 下，把 目 加 到 “search paths ” 中。 似增加元件封装， “Add simul

19、ation ”, 出加 框，在 “model kind ” 中 “transistor ”, 在 “model name”中 入 NPN，（ 与 NPN.mdl 文件）在 “description”中加入描述。点 OK 这样 simulation模 就加好了。 2。如没有 spice 模型，可以 “create ” 按 手工添加一个模型。16精品 料推荐建立 signal integrity模块联接选择 “Add signal integrity ” 打开对话框，在“ type ”处选择“ BJT”类型，其他可以选择默认值，也可以运用 “import IBIS ”按钮导入文件模型。点击OK。

20、同上可以增加 3D模型， 3D模型文件格式是 *.VRML,*.IGES.17精品 料推荐6 集成 ，在 project 中，右 library.libpkg，在 出的菜 中选择 compile integratedlibrary library.intlib. 完成后，在c:libraryproject output forlibrary目 下生成 library.intlib集成 。三集成 的使用点 窗口左 library ，打开 框，点 library 入 配制界面， install 按 可以增加集成 ， remove 按 可以移走不 要的 。 就可以使用 中元件了。四集成 的 18精品

21、 料推荐直接 集成 的 是不允 的，所以先的把集成 分拆成集成 包。 Fileopen 一个集成 ，如Altium Designer 6librarymiscellaneousdevice.intlib,在 出的 框中 Extractsources,（ 9） 生成了miscellaneous device.libpkg，就会 入元件 界面，可以 元件以及 元件的各种模 接 行 了。五 建元件Footprint库在 altium designer 中，封装 是以 *.pcblib 格式存在，它可以嵌入到一个集成 中，也可以在pcb 界面中直接 用其中的元件。Altium designer中封装

22、在 altium designer6librarypcb目 中。 例：1 在 project 中，右 点 library.libpkg， add new to projectpcblibrary,增加一个 pcb 并命名保存 pcblib1.pcblib。如 10。19精品 料推荐2 双击 pcblib1.pcblib文件打开 pcb 元件库界面。就可以运用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，可以对焊盘进行配制。如图11，在“property ”选项中可以设定焊盘类型， Top layer 对应 SMD焊盘，multi l

23、ayer对应穿孔。 “Hole information ” 可以设定孔的形状，如方孔，槽形孔等。双击 line ，可以对线条进行配制， 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， 您可以做如下操作：20精品 料推荐1. 点击菜单 Design ，在下拉菜单点击 Rules ，找到 Plane Polygon 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 Plane

24、 Polygon connectstyle ，右键点击选择New rule2. 在新设置的 Newrule 项设置过孔联接方式。 name栏随便取个名字，在 wherethe 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可以点击Query Helper来参考，如图 3 所示）。意思是设置过孔的联接方式。21精品 料推荐图 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 dir

25、ect connect 。22精品 料推荐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：首先可以正常的放置一块铜， 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，可以单击右键：23精品 料推荐如此即可随意进行编辑。三 Shelve 的使用：在 PCB编辑的过程中，可以现将所有的铜皮 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：24精品 料推荐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， 这样可以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：在此页面里面可以轻易地查看PCB板中所有的铜皮，可以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：25精品 料推荐如上图示，我们可以先选择某一块铜皮，而后点击*Create Clearance Rule*来创建间距规则，或者是点击*Create Polygon Style Rule*来创建敷铜连接方式的规则：26