PCB布局规则及需考虑因素

一、PCB布局规则

PCB元器件的布局

在PCB的排版设计中,元器件布设是至关重要的,它决定了板面的整齐美观程度和印制导线的长短与数量,对整机的可靠性也有一定的影响。PCB元器件布局应该遵循的几条原则是:

元器件在整个板面上分布均匀、疏密一致。

元器件不要占满板面,注意板边四周要留有一定空间。留空的大小要根据PCB的面积和固定方式来确定,位于印制电路板边上的元器件,距离PCB的边缘至少应该大于3mm。电子仪器内的PCB四周,一般每边都留有5耀10mm空间。

一般,元器件应该布设在PCB的一面,并且每个元器件的引出脚要单独占用一个焊盘。

元件布设

元器件的布设不能上下交叉。相邻的两个元器件之间,要保持一定的间距。间距不得过小,避免相互碰接。如果相邻元器件的电位差较高,则应当保持安全距离。一般环境中的间隙安全电压是200V/mm。

元件布设方向

元器件的安装高度要尽量低,一般元器件的引线离开板面不要超过5mm,过高则承受振动和冲击的稳定性变差,容易倒伏或与相邻元器件碰接。

根据PCB在整机中的安装位置及状态,确定元件的轴线方向。规则排列的元器件,应该使体积较大的元件的轴线方向在整机中处于竖立状态,可以提高元器件在板上固定的稳定性。

元器件两端焊盘的跨距应该稍大于元件体的轴向尺寸。引线不要齐根弯折,弯脚时应该留出一定距离(至少2mm),以免损坏元器件。

元器件装配

PCB元器件的安装固定方式

在PCB上,元器件有立式与卧式两种安装固定的方式。卧式是指元器件的轴线方向与PCB面平行,立式则是垂直的,图3-10所示。这两种方式各有特点,在设计PCB时应该灵活掌握原则,可以采用其中一式,也可以同时使用两种方式。但要确保电路的抗振性能好,安装维修方便,元器件排列均匀,有利于印制导线的布设。

元器件安装方式

立式安装

立式固定的元器件占用面积小,单位板面上容纳元器件的数量多。这种安装方式适合于元器件排列密集紧凑的产品,例如半导体收音机、助听器等,许多小型的便携式仪表中的元器件也常采用立式安装法。立式固定的元器件要求体积小、重量轻,过大、过重的元器件不宜立式安装。否则,整机的机械强度变差,抗振能力减弱,元器件容易倒伏造成相互碰接,降低了电路的可靠性。

卧式安装

和立式固定相比,元器件卧式安装具有机械稳定性好、板面排列整齐等优点。卧式固定使元器件的跨距加大,容易从两个焊点之间走线,这对于布设印制导线十分有利。

PCB元器件的排列格式

元器件应当均匀、整齐、紧凑地排列在印制电路板上,尽量减少和缩短各个单元电路之间和每个元器件之间的引线和连接。元器件在PCB上的排列格式,有不规则与规则的两种方式。这两种方式在PCB上可以单独采用,也可能同时出现。

不规则排列

元器件的轴线方向彼此不一致,在板上的排列顺序也没有一定规则。用这种方式排列元器件,看起来显得杂乱无章,但由于元器件不受位置与方向的限制,使印制导线布设方便,并且可以缩短、减少元器件的连线,大大降低了板面印制导线的总长度。这对于减少线路板的分布参数、抑制干扰很有好处,特别对于高频电路极更为有利。这种排列方式一般还在立式安装固定元器件时被采纳。

元器件不规则排列

规则排列

元器件的轴线方向排列一致,并与板的四边垂直、平行。

除了高频电路之外,一般电子产品中的元器件都应当尽可能平行或垂直地排列,卧式安装固定元器件的时候,更要以规则排列为主。这不仅是为了板面美观整齐,还可以方便装配、焊接、调试,易于生产和维护。规则排列的方式特别适用于板面相对宽松、元器件种类相对较少而数量较多的低频电路。电子仪器中的元器件常采用这种排列方式。但由于元器件的规则排列要受到方向或位置的一定限制,所以PCB上导线的布设可能复杂一些,导线的总长度也会相应增加。

PCB元器件焊盘的定位

元器件的每个引出线都要在PCB上占据一个焊盘,焊盘的位置随元器件的尺寸及其固定方式而改变。对于立式固定和不规则排列的板面,焊盘的位置可以不受元器件尺寸与间距的限制;对于规则排列的板面,要求每个焊盘的位置及彼此间的距离应该遵守一定标准。无论采用哪种固定方式或排列规则,焊盘的中心(即引线孔的中心)距离PCB的边缘不能太近,一般距离应在2.5mm以上,至少应该大于板的厚度。

焊盘的位置一般要求落在标准坐标网格的交点上。

标准坐标网格

在国际电工委员会(IEC)标准中,标准坐标网格的基本格距为2.54mm(国内的标准是2.5mm),辅助格距为1.27mm或0.635mil(1.25mm或0.625mil)。这一格距标准只在计算机自动设计、自动化打孔、元器件自动化装焊中才有实际意义。对于一般人工钻孔,除了双列直插式集成电路的管脚以外,其他元器件焊盘的位置则可以不受此格距的严格约束。但在布局设计中,焊盘位置应该尽量使元器件排列整齐一致,尺寸相近的元件,其焊盘间距应该力求统一(焊盘中心距不得小于板的厚度)。这样,不仅整齐、美观,而且便于元器件装配及引线弯脚。当然,所谓整齐一致也是相对而言的,特殊情况要因地制宜。

规则排列中的灵活性

二、PCB布局因素

信号流走向因素

对整机电路的布局原则是:把整个电路按照功能划分成若干个电路单元,按照电信号的流向,逐个依次安排各个功能电路单元在板上的位置,使布局便于信号流通,并使信号流尽可能保持一致的方向。在多数情况下,信号流向安排成从左到右(左输入、右输出)或从上到下(上输入、下输出)。与输入、输出端直接相连的元器件应当放在靠近输入、输出接插件或连接器的地方。以每个功能电路的核心元件为中心,围绕它来进行布局。例如:一般是以三极管或集成电路等半导体器件作为核心元件,根据它们各电极的位置,排布其他元器件。要考虑每个元器件的形状、尺寸、极性和引脚数目,以缩短连线为目的,调整它们的方向及位置。

特殊元器件位置因素

电子整机产品的干扰问题比较复杂,它可能由电、磁、热、机械等多种因素引起。所以在着手设计PCB的版面、决定整机电路布局的时候,应该分析电路原理,首先确定特殊元器件的位置,然后再安排其他元器件,尽量避免可能产生干扰的因素,并采取措施,使PCB上可能产生的干扰得到最大限度的抑制。

所谓特殊元器件,是指那些从电、磁、热、机械强度等几方面对整机性能产生影响或根据操作要求而固定位置的元器件。

电磁干扰预防因素

电磁干扰是在整机工作中经常发生的现象,其原因也是多方面的,除了外界因素(如空间电磁波)造成干扰以外,PCB布线不合理,元器件安装位置不恰当等,都可以引起干扰。这些干扰因素,如果在布局设计中事先予以重视,则完全可以避免。相反,如果在设计中考虑不周,便会出现干扰,使设计失败。这里,就PCB设计方案可能造成的几种电磁干扰及其抑制方法进行讨论。

相互可能产生影响或干扰的元器件,应当尽量分开或采取屏蔽措施。要设法缩短高频部分元器件之间的连线,减小它们的分布参数和相互间的电磁干扰(如果需要对高频部分使用金属屏蔽罩时,还应该在板上留出屏蔽罩占用的面积)。易受干扰的元器件不能离得太近。强电部分(220V)和弱电部分(直流电源供电)、输入级和输出级的元件应当尽量分割开。直流电源引线较长时,要增加滤波元件,防止50Hz干扰。

由于某些元器件或导线之间可能有较高电位差,应该加大它们的距离,以免因放电、击穿引起意外短路。金属壳的元器件要避免相互触碰。例如:NPN型三极管的外壳或大功率管的散热片一般接管芯的集电极C,在电路中接电源正极或高电位;电解电容器的外壳为负极,在电路中接地或接低电位。如果二者的外壳都不带绝缘,设计电路板时就必须考虑它们的距离,否则在电路工作时,二者相碰就会造成电源短路事故。

热干扰抑制因素

温度升高造成的干扰,在PCB设计中也应该引起注意。例如,晶体管是一种温度敏感器件,特别是锗材料的半导体器件,更容易受环境温度的影响而使其工作点漂移,造成整个电路的电气性能发生变化。在布局设计PCB的时候,应该首先分析、区别哪些是发热元件,哪些是温度敏感元件。

装在板上的发热元器件(如功耗大的电阻)应当布置在靠近外壳或通风较好的地方,以便利用机壳上开凿的通风孔散热。尽量不要把几个发热元器件放在一起,并且要考虑使用散热器或小风扇等装置,使元器件的温升不超过允许值。大功率器件可以直接固定在机壳上,利用金属外壳传导散热;如果必须安装在印制电路板上,则要特别注意不能将它们紧贴在板上安装,而要配置足够大的散热片,还应该同其他元器件保持一定距离,避免发热元器件对周围元器件产生热传导或热辐射。

对于温度敏感的元器件,如晶体管、集成电路和其他热敏元件、大容量的电解电容器等,不宜放在热源附近或设备内的上部。电路长期工作引起温度升高,会影响这些元器件的工作状态及性能。

机械强度因素

要注意整个电路板的重心平衡与稳定。对于那些又大又重、发热量较多的元器件(如电源变压器、大电解电容器和带散热片的大功率晶体管等),一般不要直接安装固定在印制电路板上。应当把它们固定在机箱底板上,使整机的重心靠下,容易稳定。否则,这些大型元器件不仅要大量占据PCB上的有效面积和空间,而且在固定它们时,往往可能使PCB弯曲变形,导致其他元器件受到机械损伤,还会引起对外连接的接插件接触不良。重量在15g以上的大型元器件,如果必须安装在电路板上,不能只靠焊盘焊接固定,应当采用支架或卡子等辅助固定措施。

当印制电路板的板面尺寸大于200mm×150mm时,考虑到电路板所承受重力和振动产生的机械应力,应该采用机械边框对它加固,以免变形。在板上留出固定支架、定位螺钉和连接插座所用的位置。

可操作性考虑因素

对于电位器、可变电容器或可调电感线圈等调节元件的布局,要考虑整机结构的安排。如果是机外调节,其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应,如果是机内调节,则应放在PCB上能够方便地调节的地方。

为了保证调试、维修的安全,特别要注意带高电压的元器件(例如显示器的阳极高压电路元件),尽量布置在操作时人手不易触及的地方。

三、PCB布局总结

印制电路设计的主要内容是布局设计。把电子元器件在一定的制板面积上合理地布局排版,是设计印制电路的第一步。布局设计,不单纯是按照电路原理把元器件通过印制线条简单地连接起来。为使整机能够稳定可靠地工作,要对元器件及其连接在PCB上进行合理的排版布局。如果排版布局不合理,就有可能出现各种干扰,以致合理的原理方案不能实现,或使整机技术指标下降。有些布局设计虽然能够达到原理的技术参数,但元器件的排列疏密不匀、杂乱无章,不仅影响美观,也会给装配和维修带来不便。这样的设计当然也不能算是合理的。这里将介绍布局的一般原则,力求使设计者掌握普通印制电路的设计知识,使布局设计尽量合理。

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