PCB设计原则

由于随着电子技术的发展，电路板的集成度和信号频率越来越高，不可避免地会带来电磁干扰，所以在PCB的设计中应遵循以下原则，使电路板的电磁干扰可以控制在一定范围内，满足设计要求和标准，提高电路的整体性能。

2.1 PCB 选择标准

PCB设计的首要任务是正确选择电路板的尺寸，如果尺寸太大，元件之间的连接太长，导致线路阻抗增加，抗阻降低。干扰能力。但是尺寸太小会导致元器件排列密集，不利于散热，连接太细太密集，容易造成串扰。因此，应根据系统所需的元器件选择合适尺寸的板卡。

电路板分为单面板、双面板和多层板。电路板层数的选择取决于电路要实现的功能、噪声指标、信号和网络线路的数量等。合理的层设置可以减少电路本身的电磁兼容问题。

通常的选择原则是：

①中低频、元器件少、布线密度较低或中等，采用单面板或双面板。

②布线密度高、集成度高、元器件多的多层板。

③对于高信号频率、高速集成电路，元器件密集选用4层以上电路板。多层板在设计时可用作电源层、信号层和连接层。减小了信号环路面积，从而减少了差模辐射。因此，多层板可以减少电路板的辐射，提高抗干扰能力。

2.2 PCB 元件放置

在确定PCB的尺寸后，首先要确定特殊元件的位置，最后根据电路的功能单元，将电路的所有元件分块布局。数字电路单元、模拟电路单元和电源电路单元要分开，高频电路单元和低频电路单元也要分开。一般在布置高速、中速、低速电路时，应参照图1(a)布置元件。配置时钟、CPU、内存、控制器、输入输出电路等元器件时，应参照图1(b)进行配置。常用电路板的布局原则如下。

图 1. (a) 高速、中速和低速电路布局

(b) 高速逻辑电路布局

（一）特殊元件位置确定原则：

①发热体应放置在便于散热的位置，如PCB边缘，远离微处理器芯片。

②特殊高频元件应并排放置，以缩短它们之间的连接；

③敏感元件应远离时钟发生器、振荡器等噪声源。

④可调元件的布置，如电位器、可调电感、可变电容、按键开关等，应满足整机结构要求，并便于调整。

⑤重质部件应采用支架固定。

⑥EMI 滤波器应靠近 EMI 源放置。

图 2. PCB 元件布局

(2)按电路的功能单元布置电路伞形元件的原则：

①各功能电路应根据它们之间的信号流向确定相应的位置，以方便接线。

②各功能电路应先确定核心元件的位置，并在其周围放置其他元件，尽可能缩短元件之间的连接。

③对于高频电路，应考虑元器件之间的分布参数。

④放置在电路板边缘的元器件距离电路板边缘不小于2mm。

⑤DC/DC转换器、开关管和整流器应尽量靠近变压器放置，以减少外部辐射。

⑥调压元件和滤波电容应靠近整流二极管放置。

2.3 PCB布线原理

PCB电源和地线的布线是否合理是降低整个电路板电磁干扰的关键。电源线和地线的设计是PCB中不可忽视的问题，往往也是最难的设计。设计中应遵循以下原则。

a.接线技巧

PCB上的布线以阻抗、容抗和感抗等分布参数为特征。为了减少PCB布局参数对高速电子系统的影响，电源和地的布线原则如下：

①通过增加走线间距来减少电容耦合串扰。

②电源线和地线应平行走线，以优化分布电容。

③根据载流电流的大小，尽量增加电源线和地线的宽度，以减小回路电阻，并在各功能电路中电源线和地线的走向和信号传输方向一致，有利于提高抗干扰能力。

④电源线和地线应直接在上方走线，以减少感抗和最小化回路面积，并尽量使地线低于电源线。

⑤地线越粗越好，一般地线宽度不小于3mm。

⑥地线形成闭环，减小地线上的电位差，提高抗干扰能力。

⑦在多层板布线的设计中，可以将其中一层视为“全地平面”，可以降低接地阻抗，同时起到屏蔽的作用。

b.接地技巧

PCB各功能电路的接地方式分为单点接地和多点接地。根据连接形式，单点接地可分为单点串联接地和单点并联接地，如图3（a）和（b）所示。单点串联接地常用于保护接地线，因为接地线的长度不同，各电路的接地阻抗也不同，降低了电磁兼容性。单点并联的每个电路都有单独的接地线，相互之间的干扰小，但可能会延长接地线，增加接地阻抗，常用于信号接地、模拟接地和电源接地。多点接地是指每个电路都有一个连接点，如图3（c）所示。多点接地常用于高频电路中，接地线短，接地阻抗小，以减少高频信号的干扰。

图 3. (a) 单点串联接地

(b) 单点并联接地

(c) 多点接地

为了减少接地引起的干扰，接地还应满足一定的要求：

①接地线尽量短，接地面要大。

②避免不必要的接地回路，降低公共地的干扰电压。

③接地原则是对不同的信号采用不同的接地方式，不能全部接地在同一个地方；

④在多层PCB的设计中，电源层和连接层尽量放在相邻的层，这样可以在电路中形成该层的电容，减少电磁干扰。

⑤尽量避免强弱电信号、数字和模拟信号。

C。网格设计

网格是两层面板最重要的设计技术。网格化就是在PCB上延长地线，利用地线填充的方式，构建与地相连的网格网络，形成有效的地平面，可以降低噪声，四层板也一样。

它有两个目的：

①模拟四层板的层数，并在底部为每条信号线提供返回路径。

②减小微处理器与稳压器之间的阻抗。

设计中需要注意的原则是：

①每一根地线都尽可能地延伸以填满印刷电路板的空间。

②在两层板上尽可能多地放置格栅。

③使用尽可能多的孔，适时连接上、下格栅。

④线条不必是直角或等宽。

d。使用高频去耦电容和铁氧体磁珠

在数字电路中，当逻辑门的状态发生变化时，会在电源上产生很大的峰值脉冲，形成瞬时噪声电压。在这种情况下，通常使用去耦电容或铁氧体磁珠来限制电流的突变并减少辐射。通常，高频去耦电容的容量约为0.01。m uF 为 0.1。在每个芯片的电源和地之间施加μF，并在靠近芯片的电源线上放置一个铁氧体磁珠，以阻挡电源线的RF电流源。我们在设计的时候应该尽量做到：

①使用钽电容代替内部电感较大的铝电解电容。

②电容离芯片越近越好，去耦电容的引线不要太长。

③铁氧体磁珠只用在+V的电源线上，不需要在地线上。

④铁氧体磁珠尽量靠近噪声源。

图 4. 铁氧体磁珠在去耦电路中的应用

2.4 PCB 信号线接线

a.减少线路电容和电感串扰

做线材时，信号线的布线原理，即使在短距离的线路之间和线路上，也存在容性和感性串扰。当电容耦合时，源端的上升沿会导致受扰端的上升沿。在电感耦合期间，受害端的电压变化与源端的变化相反。大部分串扰是电容性的，噪声的大小与平行距离、频率、源电压幅度和受干扰的阻抗成正比，与两条线路的距离成反比。因此，减少串扰的措施是：

①保持与微处理器相连的射频噪声承载线远离其他信号。

②可能受噪声影响的信号返回地线应在其下方布线。

③不要将噪声线留在电路板外缘。

④如有可能，将一些噪声线一起布线，并用地线环绕。

⑤非噪声线路远离电路板上容易接收噪声的区域，如连接器、振荡电路、继电器和继电器驱动器。

b.合理安排返回地线数量

在计算机行业，一根电缆或电线中每 9 根信号线至少有 1 根地线，这是一种非常普遍的经验。在高速时，该比率变为 5%。设计信号线和返回线时可以考虑的原则：

①电缆中的每条信号线最好有一根返回地线，形成一对双绞线。

②每 9 根信号线不要超过一根返回地线。

③如果电缆长度超过一英尺，则每 4 根信号线应配备一根返回地线。

④如有可能，应采用实心金属支架作为机械支架，焊接在两块电路板之间，既作为安装支架，又作为可靠的射频返回地线。