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# 小柴冲刺软考中级嵌入式系统设计师系列三、嵌入式硬件设计(2)电子电路设计

# 一、电子电路设计基础知识

# 1、电子电路设计原理

电路设计主要分三个步骤:设计电路原理图、生成网络表、设计印制电路板。在典型的电子电路设计中,其某本步骤如下。

(1) 充分了解设计任务的具体要求,如性能指标、内容及要求,明确设计任务

(2) 方案选择:根据掌握的知识和资料,针对设计提出的任务、要求和条件,设计合理、可靠、经济、可行的设计框架,对其优缺点进行分析。

(3) 根据设计框架进行电路单元设计,具体设计时可以模仿成熟的电路进行改进和
创新,需要特别注意信号之间的关系和限制。

(4) 根据电路工作原理和分析方法,进行参数的估计与计算。

(5) 元器件选择时,元器件的工作、电压、频率和功耗等参数应满足电路指标要求,元器件的极限参数必须留有足够的裕量,一般应大于额定值的 1.5 倍,电阻和电容的参数应选择计算值附近的标称值。

(6) 电路原理图的绘制,电路原理图是组装、焊接、调试和检修的依据,绘制电路图时布局必须合理、排列均匀、清晰、便于看图、有利于读图:信号的流向一般从输入端或信号源画起,由左至右或由上至下按信号的流向依次画出单元电路,反馈通路的信号流向则与此相反;图形符号和标准,并加适当的标注;连线应为直线,并且交叉和折弯应最少,互相连通的交叉处用圆点表示,地线用接地符号表示。

# 2、电子电路设计方法及步骤

电子电路设计的第一步是电路原理图设计,设计电子电路是后续步骤的基石。电子电路设计的过程如图 3-7 所示。

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在原理图设计过程中,首先是建立元器件库,其次是元器件布局和布线连接,然后需要进行电路分析与仿真,进而生成网表,最终得到设计完整的原理图。在整个设计过程中,需要不断的检查与校对,以保证各个环节的正确性。

1) 建立元器件库中没有的元器件

一般使用的 CAD 软件都会预置一些常用的电路元器件。但是这些元器件并不一定会满足电路原理图的设计需求,而元器件厂家也不会提供元器件库。因此要想设计原理图,第一步是使用 CAD 软件,对有关元器件建立元器件库,同时对元器件库中已有但是不满足要求的元器件进行修改。

一般来说,采用片上系统的设计与传统方式下采用逻辑关系的设计方法并不相同。建立元器件的原理图时需要基于实际的元器件,参考元器件的数据手册建立。原理图中的标识要简明清晰,同时保证逻辑上的电气特性与实际数据手册所描述的元器件相符,在进行元器件建库时需要注意以下标准:

  • 元器件引脚序号与封装库相应元器件应交序号应当保持一一对应;
  • 分立元器件要注意元器件的标号与引脚的对应关系,例如多组绕组电感要注意主次绕阻和同名端的标示及引脚序号对应关系;
  • 二脚有极性,如二极管,默认以 1 表示正极,2 表示负极;
  • 多脚元器件如晶体管、芯片等,引脚序号应该与封装的引脚序号保持对应关系,且芯片引脚的序号为逆时针逻辑;
  • 通常元器件的引线引脚长度为 5 个单位。

2) CAD 设置

根据实际的电路及其复杂程度选择对应的元器件库,设置 CAD 图示相关属性,配置 CAD 中设计规则,并建立有关工程。

3) 放置元器件

  • 根据设计电路图的需求,将所使用的元器件有选择地放置在合适的位置,并进行修改。同时利用 CAD 自动编号功能为元器件编号,并选择实际印刷电路所使用的封装。
  • 原理图的视图要整体清晰,元器件的放置会影响到原理图整体的美观性和可读性。设计合理的原理图会使后续工作的难度与复杂度降低,同时可维护性与可读性增强。
  • 元器件的放置需要依照主信号流向的方向和规律安排,功能类似或者接近的电路元器件应当摆放在一起,并且符合原理图设计规范。原理图中使用的元器件、表示等要采用国际标准的符号。对于一些特殊情况可以使用非国际标准的符号、标示,但是需要在恰当的位置标注其中含义。
  • 摆放元器件的时候,如果元器件无法在一张原理图中放置,则需要酌情将原理图分割成多张原理图或者采用 “子 - 母” 原理图的方式将原理图进行分割。在这个过程中,所有操作都需要确保原理图的逻辑正确性。
  • 如果将完成功能相近的元器件摆放在一起时,元器件的方向要一致,字符位号要保持与对应元器件最近距离,整齐划一,方向一致,以达到读图时美观、拓扑结构清晰、电气逻辑规范的效果。
  • 此外,摆放的元器件要放置在原理图的标准模板框中。统一元器件不能使用不同的符号表示出现在原理图上。有极性的元器件应标识正确、清楚、易识别电感的同名端要标识正确、清楚,同一原理图上的电感的同名端标识要统一。

4) 原理图连接

根据原理图需要,将原理图上的各个元器件按照需求设计将对应引脚通过合适的方式进行连接,即可形成完整的原理图。

  • 通常主功率路线及大电流连线需要加粗表示,
  • 其他的信号线则使用细线表示。
  • 对于原理图中有电气连接的导线是不可以弯曲的,
  • 应当以垂直或者平行的线进行表示,尽量减小大幅度的跨接。
  • 没有逻辑连接的不可以有电气结点。

5) 检查校对

根据系统需求与电路功能对所设计的电路图进行校验,保证原理图符合电器规则,同时布局较为清晰、简明、美观。对元器件、导线位置、连接等进行检查修改。

6) 电路分析与仿真

利用 CAD 软件提供的分析仿真功能或者使用专用行业软件对检录进行分析,分析之后对电路进行仿真,检查电路是否符合需求设计与相关设计指标。

7) 生成网络表

使用 CAD 软件生成原理图的网络表。电路会以结点、元器件和连线组成的网络表示。PCB 设计中,布线或者自动布线会依赖这些数据。对于 CAD 软件,网络表是原理图与印刷电路中间的接口。

当人工创建网络表时,应根据原理图设计工具的特性,结合原理图设计一同排除错误,保证网络表的正确性和完整性。

8) 保存与输出

将设计的电路所在工程存储并提交至版本控制系统中,等待下一步操作或者审阅人员审阅,审阅完成后才可进行输出。

此外对于电路的原理图来说,还需要及时填写标准模板框中的相关信息,包括:所适用的产品型号、版本号、修改记录、绘制者、修改者、审核者批准者、日期等关键信息。

# 3、电子电路可靠性设计

电子设备的可靠性设计可以保证在绝大部分情况下电子设备能够稳定可靠地工作,同时在发生故障时可以将损失降到最低。在电子电路可靠性设计中,涉及可靠性定义故障衡量、可靠性成本、可靠性设计和设计故障等概念。

1) 可靠性定义

可靠性的严格定义如下:“在规定的时间和环境条件下系统无故障运行的概率”。这个概率受到三个控制量的影响:

  • 故障的规定:许多系统在运行中可能出现不同级别的故障,有些故障可能导致整个嵌入式系统物理上的损毁,有些则可能对系统根本没有影响。
  • 工作寿命:嵌入式系统不可能永远运行,不同使用年限的电子器件、设备发生故障的概率也不同。
  • 实际环境:温度、适度、腐蚀性气液体、灰尘、震动、冲击、电源、磁场、名类辐射射线等对于设备的正常工作都会有一定的影响。实际环境的限制最终对于可靠性的评价有着实际意义的限制。

2) 故障衡量

对于大多数电子设备来说,故障率是一个常数。一般来说,嵌入式设备的故障率会在设备运行初期较高,然后随着易损元器件被非易损替换,故障率会逐步下降。随着设备运行,并逐渐接近使用寿命,元器件会开始损耗,同时腐蚀率会升高,从而导致故障率会再次升高。所以通常会用某一方式衡量可靠性。

在确定时间内的故障率的倒数就是通常所指的平均故障间隔时间 (Mean Time Betveen Failures,MTBF)。一般用小时表示,而故障率使用每个小时故障的次数进行表示。MTBF 通常与运行周期无关,可以方便地表示可靠性。

MTBF 通常描述可以修复的设备的可靠性,而对不可以修复的设备,则无法使用该指标衡量。因此对于不可修复设备,一般使用平均失效时间 (Mean Time To Failure,MTTF) 来表示可靠性。一般的工厂生产该类设备时,会使用抽样调查的方式进行寿命测试,以此来估算 MTTF。

对于可靠性,还有一个评价指标是可用性,表示系统工作的总时长中,正常可用的时间所占的比例,即一个设备正常服务的时间与正常和故障总时间的比值。通常可表示为 U/(U+D),其中 U 表示正常运行的时间,D 表示故障的时间。

3) 可靠性成本

嵌入式系统可靠性的提高需要一个团队人力、物力的大量投入。总的来说,投入的金钱与人月会随着可靠性的提升而先降低再提高,而维护成本则是先提升再降低。通过建立数学模型可以确定的是,将大量的资源投入提高很少的可靠性是不值当的。

4) 可靠性设计

嵌入式系统硬件相关的可靠性设计往往是为 “在有限的资源下尽可能提高可靠性”。因此可靠性设计通常需要考虑如下因素,以平衡不同因素对可靠性的影响:

  • 有效的散热,降低高温对系统的危害:
  • 尽量减少高敏感元器件的使用:
  • 更多的使用可靠度高、质量好的元器件
  • 指定采用屏蔽性好或者内嵌的测试方法:
  • 使用最少的元器件设计出来简单的电路:
  • 在电子元器件级别进行几余。

温度是影响所有电子元器件的重要因素之一,而所有元器件都会产生热量。过高的温度会对元器件造成不可逆转的损伤,并阻碍电流流动。而且高温也是元器件损害的最主要的原因。同时过低温也会损坏电子设备。一般来说设备需要工作在所设计的环境中,不同级别的设备会对不同环境的耐受级别不同,因此根据不同用途要选择合适的设备,同时使用适当的散热或者保温措施。

重要的是,元器件工作在标称额定值 (环境) 以内对电子设备的可靠性会有较大的提升。对于电容、电阻等元器件和各类芯片,都会对电压、电阻、功率、频率等有着严格的规定。保证电子元器件、电路工作在合理的环境中可以有效的保护元器件、降低故障发生的可能,提高可用性。此外选用高可靠的元器件也可以有效地提高可靠性。在选用可靠的元器件并对环境做出保证后,还应当进行选和老化实验保证元器件的一部分不合格元器件筛除。

根据概率论的相关知识,若假设所有元器件出错的概率为 p, 而 n 个元器件中任意元器件出错都会导致系统崩溃,则整个系统出错的概率为 1-(1-p)"。当 n 增加时,出错的概率会以指数形式增长。因此,降低元器件个数、简化设计可以有效地降低故障发生的概率从而提高可靠性。当一个部件的故障率为 p 而同时有 n 个冗余部件时,其整体故障的概率为 p"。可以看出,当冗余元器件增多的时候,整体的故障概率会成指数形式降低。因此,有效的几余设计可以保证系统的可靠性提高。

5) 设计故障

正如 “设计故障” 字面意思所揭示的,许多故障是由设计者人为设计的,一个最极端的例子将电源两端使用电阻连接,但是使用的是 0 欧姆电阻。所以可靠性设计中对于经验的依赖十分重要,由于设计者本身的经验缺乏或者其他问题造成的系统可靠性降低是不容易解决的,但是又不容易避免。因此,设计审查是必不可少的环节,“设计故障” 在实际的生产过程中应该极力避免。

# 二、PCB 设计基础知识

# 1、PCB 设计原理

在原理图设计完成并生成网络之后,就可以着手设计印刷电路板了,也就是常说的 PCB (Printed Circuit Board)。现在所有电子设备都离不开 PCB,PCB 承载着形形色色的电子元器件,作为电子系统的基石。PCB 的出现与发展使得电子产品生产可以更加工业化,同时伴随着工业化使得 PCB 的生产更加标准化、规模化、自动化。此外 PCB 技术的发展还使得电子电路与电子产品的体积不断缩小,从而降低成本,同时可靠性与稳定性还能够得以提高,并且使得装配与维修变得十分简单。

PCB 是由印刷电路、基板、元器件组合而成的。下面简要介绍一些 PCB 相关的基础知识。

  • PCB 印刷:PCB 印刷是按照设计将电路印刷到基板上,然后重复多次得到多层 PCB,最后添加过孔、阻焊层等;
  • PCB 由基板、铜层、阻焊层、字符层等组成;
  • 印制线路是指采用诸如刻蚀之类的方法的印制电路,包括导线和焊盘;
  • 印制元器件是指通过丝印等手段将元器件符号等文字印刷至电路上的描述;
  • PCB 贴片是指使用专用贴片机自动贴片或者使用钢网手工贴片,然后通过各类加热方式或者回流焊接方式将元器件焊接的过程;
  • 电镀:通常会使用锡或者金对暴露的焊盘等进行电镀处理,

对于 PCB,有许多分类方式。

  • 按照 PCB 的层数,一般可分为
    • 单面板、
    • 双面板和
    • 多层板。
  • 按照机械性能来区分,可以分为
    • 刚性板和
    • 柔性版。
  • 按照基板材质可以分为
    • 纸基板、
    • 玻璃基板、
    • 复合材料基板和
    • 特征材料基板。

目前主流的 PCB 多为树脂刚性基板。

# 2、PCB 设计方法及步骤

PCB 设计的主要任务是根据电路原理图对 PCB 进行合理的结构与布线布局设计,典型过程如图 3-8 所示,其主要过程是依据网表中的设计进行布局、布线连接,并通过 PCB 仿真来判断设计是否正确,最终得到 PCB 设计输出。

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1) 建立封装库中没有的元器件

通常的 CAD 只有一些常见、常用元器件的封装,但是设计 PCB 时,很多元器件并没有对应的封装。因此需要使用 CAD 补全缺失的封装。

2) 规划电路板

在封装库准备好之后,设计 PCB 的第一步骤是规划电路板。规划包括如下内容:设置习惯性的环境参数与文档参数,例如选择层面、外形尺标大小等。

首先需要根据 PCB 的结构与设计确定 PCB 的尺寸,同时创建 PCB 的设计文件。

然后确定 PCB 设计的坐标原点。PCB 板通常需要将板框的四周进行倒圆角的操作,一般的倒角半径是 5mm。

根据结构图设置板框尺寸,按结构要素布置安装孔、接插件等需要定位的元器件,并给这些元器件赋予不可移动属性。按工艺设计规范的要求进行尺寸标注。根据结构和生产加工时所需的夹持边设置印制板的禁止布线区、禁止布局区域。根据某些元器件的特殊要求,设置禁止布线区。

3) 载入网络和元器件封装

载入之前电路原理设计得到的网络表和有关元器件的封装,并将元器件的摆放到预定位置。

4) 布置元器件封装

采用 CAD 自动布置或者手动布置元器件封装的位置。将元器件放置到恰当的方便布线的位置,同时还能满足整齐美观的效果,

# 3、PCB 布局要求

通常 PCB 元器件的布局遵照 “先大后小,先难后易” 的布置原则,即重要的单元电路、核心元器件应当优先布局。布局中应参考原理框图,根据单板的主信号流向规律安排主要元器件。

布局应尽量满足以下要求:

  • 总的连线尽可能短,关键信号线最短;
  • 高电压、大电流信号与小电流、低电压的弱信号完全分开;
  • 拟信号与数字信号分开;
  • 高频信号与低频信号分开;
  • 高频元器件的间隔要充分。

相同结构电路部分,尽可能采用 “对称式” 标准布局,按照均分布、重心平衡、版面美观的标准优化布局。器件布局栅格的设置,一般 I℃ 元器件布局时,栅格应为 50~100 mil,小型表面安装元器件,如表面贴装元器件布局时,栅格设置应不少于 25mil。PCB 的整体布局应按照信号流程安排各个功能电路单元的位置,使整体布局便于信号流通,而且使信号保持一致的方向,各功能单元电路的布局应以主要元器件为中心,在实际布局中应围绕这个中心进行布局。

通常来说元器件布局有如下要求:

  • 元器件的摆放不重叠;
  • 元器件的摆放不影响其他元器件的插拔和贴焊;
  • 元器件的摆放符合限高要求,不会影响其他元器件、外壳的贴焊及安装,如电解电容由立放改为卧放,从而满足高度要求;
  • 元器件离板边的距离符合工艺要求,距离不够时加工艺附边,附边上没定位孔时的宽度为 3mm,有定位孔时的宽度为 5mm;
  • 有极性元器件的摆放方向要尽可能一致,同一板上最多允许两种朝向;
  • 安装孔的禁布区内无元器件和走线 (不包括安装孔自身的走线和铜)。

1) 对于采用通孔回流焊的元器件布局要求

  • 对于非传送边尺寸大于 300mm 的 PCB, 较重的元器件尽量不要布置在 PCB 的中间,以减轻由于插装元器件的重量在焊接过程对 PCB 变形的影响,以及插装过程对板上已经贴放的元器件的影响;
  • 为方便插装,推荐将元器件布置在靠近插装操作侧的位置;
  • 对于尺寸较长的元器件 (如内存条插座等),其长度方向推荐与传送方向一致;
  • 通孔回流焊元器件的焊盘边缘与连接器及所有的 BGA 的丝印之间的距离大于 10mm,与其他表面贴装元器件间距离大于 2mm;
  • 通孔回流焊元器件本体间距离大于 10mm,有夹具扶持的插针焊接不做要求。

2) 对于插件元器件的布局要求

对于插件元器件的布局,通常要求端子的尺寸、位置要符合结构设计的要求,并达到最佳结构安装。此外过波峰焊的插件元器件焊盘间距大于 1.0mm,为保证过波峰焊时不连锡,过波峰焊的插件元器件焊盘边缘间距应大于 1.0mm (包括元器件本身引脚的焊盘边缘间距); 优选插件元器件引脚间距大于 2.0mm,焊盘边缘间距大于 1.0mm; 在元器件本体不相互干涉的前提下,相邻元器件焊盘边缘间距满足如图 3-9 所示。

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3) 焊盘要求

当插件元器件引脚较多,以焊盘排列方向平行于进板方向布置元器件时,当相邻焊盘边缘间距为 0.6~1.0mm 时,推荐采用椭圆形焊盘或加偷锡焊盘,如图 3-10 所示。

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可调元器件、可插拔元器件周围应该留有足够的空间供调试和维修,在实际设计中应根据系统或模块的 PCBA 安装布局以及可调元器件的调测方式来综合考虑可调元器件的排布方向、调测空间,可插拔元器件周围空间预留应根据邻近元器件的高度决定。

所有的插装磁性元器件一定要有坚固的底座,禁止使用无底座插装电感。

有极性的变压器的引脚尽量不要设计成对称形式,要考虑防呆工艺,以免插件时机械性出错。

裸跳线不能贴板跨越板上的导线或铜皮,以避免和板上的铜皮短路,绿油不能作为有效的绝缘。

电缆的焊接端尽量靠近 PCB 的边缘布置以便插装和焊接,否则 PCB 上别的元器件会阻碍电缆的插装焊接或被电缆碰歪。

多个引脚在同一直线上的元器件,像连接器、DIP 封装元器件、TO-220 封装元器件,布局时应使其轴线和波峰焊方向平行。

较轻的元器件如二极管和 1/4W 电阻等,布局时应使其轴线和波峰焊方向垂直。这样能防止过波峰焊时因一端先焊接凝固而使元器件产生浮高现象。

电缆和周围元器件之间要留有一定的空间,否则电缆的折弯部分会压迫并损坏周围元器件及其焊点。

4) 贴片元器件的布局要求

对于贴片元器件而言,一般有着如下的要求。

两面过回流焊的 PCB 的 BOTTOMLAYER 面要求无大体积、太重的表贴元器件,需两面都过回流焊的 PCB,第一次回流焊接元器件重量限制如表 3-1 所示。

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若有超重的元器件必须布在底层面上,并应通过试验验证可行性。焊接面元器件高度不能超过 2.5mm,若超过此值,应把超高元器件列表通知装备工程师,以便特殊处理。需波峰焊加工的单板背面元器件不形成阴影效应的安全距离应考虑波峰焊工艺的贴片元器件距离,相同类型元器件布局如图 3-11 所示。

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相同类型元器件的封装尺寸与距离关系如表 3-2 所示。

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不同类型元器件在布局时的距离示意图如图 3-12 所示

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不同类型元器件的封装尺寸与距离关系见表 3-3 (单位:mm)

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# 4、PCB 布线

在放置完封装之后,可以使用 CAD 自动布线或者手动布线。对于自动布线则需要将自动布线失败或者不满足需求的地方手工重新布线。

布线的优先次序一般是: 电源模拟小信号高速信号时钟信号同步信号等关键信号优先布线。

应遵循密度优先原则,即从单板上连接关系最复杂的元器件着手布线。从单板上连线最密集的区域开始布线

自动布线在布线质量满足设计要求的情况下,可使用自动布线器以提高工作效率。

在自动布线前应准备自动布线控制文件,该文件是为了更好地控制布线质量,一般在运行前详细定义布线规则,这些规则可以在软件的图形界面内进行定义,但软件提供了更好的控制方法,即针对设计情况,写出自动布线控制文件,软件在该文件控制下运行。

电源走线和地线走线之间的电磁兼容性环境较差,应避免布置对干扰敏感的信号。接地系统的结构由系统地、屏蔽地、数字地和模拟地构成:数字地和模拟地要分开,即分别与电源地相连。

环路最小规则,即信号线与其回路构成的环面积要尽可能小,环面积越小,对外的辐射越少,接收外界干扰也越小。针对这一规则,在地平面分割时,要考虑到地平面与重要信号走线的分布,防止由于地平面开槽等带来的问题:在双层板设计中,

  • 在为电源留下足够空间的情况下,应该将留下的部分用参考地填充,且增加一些必要的孔,将双面地信号有效连接起来,
  • 对一些关键信号尽量采用地线隔离,
  • 对一些频率较高的设计,需特别考虑其地平面信号回路问题,建议采用多层板为宜。

具体原则包括:

(1) 有阻抗控制要求的网络应布置在阻抗控制层上。

(2) 各种印制板走线要在容许的空间短而粗,线条要均匀。

(3) 串扰控制,串扰是指 PCB 上不同网络之间因较长的平行布线引起的相互干扰,主要是由于平行线间的分布电容和分布电感的作用。克服串扰的主要措施包括:

  • 加大平行布线的间距,遵循 3W 规则;
  • 在平行线间插入接地的隔离线;
  • 减小布线层与地平面的距离。

(4) 最外沿信号线与禁止布线层和机械边缘保持最小 0.7mm 距离

(5) 印制板布线和覆铜拐角尽量使用 45° 折线或折角,PCB 设计中应避免产生锐角和直角而不用 90°。

(6) 对于经常插拔或更换的焊盘,要适当增加焊盘与导线的连接面积 (泪滴焊盘),特别是对于单面板的焊盘,以增加机械强度,避免过波峰焊接时将焊盘拉脱、机械损耗性脱落等。

(7) 任何信号都不要形成环路,如不可避免,让环路区尽量小。

(8) 对噪声敏感的元器件下面不要走线

(9) 高频线与低频线要保持规定要求间距,以防止出现串扰。

(10) 多层板走线应尽量避免平行、投影重叠,以垂直为佳,以减小分布电容对整机的影响。

(11) 大面积覆铜需将铜箔制作成网状覆铜工艺,以防止 PCB 在高温时会出现气泡而导致铜箔脱落的现象。

(12) 尽量加粗地线,可通过三倍的允许电流。

(13) 布板时考虑放置测试点,方便生产线调试,测试点统一为八角形

(14) 同一尺寸板上布不同机种时,两端端子位置尽量保持一致,方便生产线制作工具。

通常情况下,布局基本确定后,应用 PCB 设计工具的统计功能,报告网络数量,网
络密度,平均管脚密度等基本参数,以便确定所需要的信号布线层数。布线层设置在高速数字电路设计中,电源与地层应尽量靠在一起,中间不安排布线。所有布线层都尽量靠近一平面层,优选地平面为走线隔离层。为了减少层间信号的电磁干扰,相邻布线层的信号线走向应取垂直方向。

可以根据需要设计 1~2 个阻抗控制层,如果需要更多的阻抗控制层,应与 PCB 产家协商。阻抗控制层应按要求标注清楚。将单板上有阻抗控制要求的网络布线分布在阻抗控制层上 (单面板不用考虑)。

线宽和线间距的设置要考虑的因素:

  • 单板的密度。板的密度越高,倾向于使用更细的线宽和更窄的间隙。
  • 信号的电流强度。当信号的平均电流较大时,应考虑布线宽度所能承载的电流,线宽可参考以下数据。
  • 电路工作电压。线间距的设置应考虑其介电强度。

# 5、设计规则检查

按照 PCB 设计规则,检査 PCB 设计是否合乎规范。对于元器件、铜线、过孔、覆铜等按照一定规则检查。例如,元器件不可以重叠,布线间距不合乎规范。一般可使用 CAD 对电路进行检查,将不符合规范的设计与未连接的部分查找出来。

PCB 设计检查还应当着重检查热设计要求。PCB 布局时要考虑将高热元器件放在出风口或利于空气对流的位置。较高的元器件应考虑放于出风口,且不阻挡风路,散热器的放置应考虑利于空气对流。

对温度敏感器等元器件应考虑远离热源,对于自身温升高于 30℃的热源,一般要求:

  • 在风冷条件下,电解电容等温度敏感元器件离热源距离要求大于或等于 2.5mm;
  • 自然冷条件下,电解电容等温度敏感元器件离热源距离要求大于或等于 4.0mm;
  • 若因为空间的原因不能达到要求距离,则应通过温度测试保证温度敏感元器件的。温升在降额范围内。

大面积铜箔要求用隔热带与焊盘相连,为了保证透锡良好,在大面积铜上的元器件的焊盘要求用隔热带与焊盘相连,对于需过 5A 以上大电流的焊盘不能采用隔热焊盘,如图 3-13 所示。

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如果使用回流焊的方式,0805 以及封装小于 0805 以下的片式元器件两端焊盘的散热对称性为了避免元器件过回流焊后出现偏位、立碑现象,焊盘与印制导线的连接部宽度不应大于 0.3mm (对于不对称焊盘)。

高热元器件的安装方式及是否考虑带散热器,确定高热元器件的安装方式易于探作和焊接,原则上当元器件的发热密度超过 0.4W/cm?,单靠元器件的引线腿及元器件本身不足以充分散热。应采用散热网、汇流条等措施来提高过电流能力,汇流条的支脚应采用多点连接,尽可能采用铆接后过波峰焊或直接过波峰焊接,以利于装配、焊接;对于较长汇流条的使用,应考虑过波峰时受热汇流条与 PCB 热膨胀系数不匹配造成的 PCB 变形:为了保证搪锡易于操作,锡道宽度应不大于等于 2.0mm,锡道边缘间距大于 1.5mm。

贴片元器件之间的最小间距满足如下要求。

  • 机贴元器件距离要求,如图 3-14 所示。

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  • 同种元器件间距大于 0.3mm
  • 异种元器件间距大于 0.13xh+0.3mm (h 为周围近邻元器件最大高度差)。
  • 只能手工贴片的元器件之间距离要求大于 1.5mm。

# 6、PCB 仿真分析

使用 CAD 软件对 PCB 进行仿真分析,确定 PCB 达到需求与设计目标。

# 7、保存输出

将设计工程保存,并且导出相关文件以便于 PCB 加工。

# 8、多层 PCB 设计的注意事项及布线原则

在多层 PCB 布线时应注意以下事项:

(1) 高频信号线一定要短,不可以有尖角 (90° 直角),两根线之间的距离不宜平行过近,否则可能会产生寄生电容。

(2) 如果是两面板,一面的线布成横线,另一面的线布成竖线,尽量不要布成斜线

(3) 如果使用自动布线无法完成所有布线,建议设计者首先手工将比较复杂的线布好,将布好的线锁定后,再使用自动布线功能,一般就可以完成全部布线。

(4) 一般来说,线宽一般为 0.3mm,间隔也为 0.3mm。但是电源线或者大电流线应

该有足够宽度。焊盘一般应为 64mil。如果是单面板,必须考虑焊盘,否则一般来说生产单面板的工艺都很差,所以单面板的焊盘尽量做得大一些,线要尽量粗一些,表 3-4 给出的是常见的焊盘尺寸。

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(5) 做好屏蔽,铜膜线的地线应该在电路板的周边,同时将电路上可以利用的空间全部使用铜箔做地线,增强屏蔽能力,并且防止寄生电容。多层板因为内层做为电源层和地线层,一般不会有屏蔽的问题。大面积敷铜应改用网格状,以防止焊接时板子产生气泡和因为热应力作用而弯曲。

(6) 焊盘的内孔尺寸必须从元器件引线直径、公差尺寸、镀层厚度、孔径公差及孔金属化电镀层厚度等方面考虑,通常情况下以金属引脚直径加上 0.2mm 作为焊盘的内孔直径。例如,电阻的金属引脚直径为 0.5mm, 则焊盘孔直径为 0.7mm。当焊盘直径为 1.5mm 时,为了增加焊盘的抗剥离强度,可采用方形焊盘。对于孔直径小于 0.4mm 的焊盘,焊盘外径 / 焊盘孔直径为 0.5~3mm。对于孔直径 2mm 的焊盘,焊盘外径 / 焊盘孔直径为 1.5~2mm。焊盘一般应该补成泪滴状,这样线与焊盘的连接强度会大大增强。

(7) 地线的共阻抗干扰。电路图上的地线表示电路中的零电位,并用作电路中其他各点的公共参考点。在实际电路中由于地线 (铜膜线) 阻抗的存在,必然会带来共阻抗干扰,因此在布线时,不能将具有地线符号的点随便连接在一起,这可能引起有害的耦合而影响电路的正常工作。

# 9、丝印设计

丝印设计是 PCB 设计中容易被忽视但又十分重要的一个环节。容易被忽视是由于 PCB 并不会因为缺少丝印而不能工作,说其十分重要是因为丝印是 PCB 设计的一个缩影。

丝印有效的标记元器件、安装孔、定位孔等 PCB 上关键的元素。一般丝印设计要求所有元器件、安装孔、定位孔都有对应的丝印标号,PCB 上的安装孔丝印可用 H (Hole),H,…,H” 进行标识。同时 PCB 上元器件的标识符必须和 BOM 清单中的标识符号一致。

PCB 板有高压和大电流处,要加上相应的警示标识,并且要保证标识的醒目、清晰、易辨识。同时丝印字符要在元器件本体以外,以避免元器件安装后本体遮住丝印

字符而降低元器件插装和维修效率。丝印字符要与对应元器件保持最近距离,若空间不足,可采用箭头方式在尽可能距离近的位置进行丝印字符标识。丝印字符方向遵循从左至右、从上往下的原则,对于电解电容、二极管等极性的元器件在每个功能单元内尽量保持方向一致。

为了保证元器件的焊接可靠性,要求元器件焊盘上无丝印;为了保证锡的锡道连续性,要求需搪锡的锡道上无丝印;丝印不能压在导通孔、焊盘上,以免开阻焊窗时造成部分丝印丢失,影响识别:丝印间距应大于 0.254mm。丝印字符大小在同一板子上要保持一致,参考尺寸为:字高是 1.5mm 字径 (笔划的线宽) 为 0.2mm,字体是 sans serif

# 10、PCB 的可靠性设计

目前电子器材用于各类电子设备和系统时仍然以 PCB 为主要装配方式。实践证明,即使电路原理图设计正确,PCB 设计不当,也会对电子设备的可靠性产生不利影响。例如,若 PCB 两条细平行线靠得很近,则会形成信号波形的延迟,在传输线的终端形成反射噪声

因此,在设计 PCB 的时候,应注意采用正确的方法,具体的一些参考性设计要点描述如下。

1) 地线设计

在电子设备中,接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用,可解决大部分干扰问题。电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地 (屏蔽地)、数字地 (逻辑地) 和模拟地等。在地线设计中应注意以下几点:

  • (1) 正确选择单点接地与多点接地。在低频电路中,信号的工作频率小于 1MHz 其布线和元器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对干扰影响较大,因而应采用一点接地。当信号工作频率大于 10MHz 时,地线阻抗变得很大,此时应尽量降低地线阻抗,应采用就近多点接地。当工作频率在 1~10MHz 时,如果采用一点接地,其地线长度不应超过波长的 1/20,否则应采用多点接地法。
  • (2) 将数字电路与模拟电路分开。电路板上既有高速逻辑电路,又有线性电路,应使它们尽量分开,两者的地线不要相混,分别与电源端地线相连,要尽量加大线性电路的接地面积。
  • (3) 尽量加粗接地线。若接地线很细,接地电位则随电流的变化而变化,致使电子设备的定时信号电平不稳,抗噪声性能变差。因此应将接地线尽量加粗,使它能通过三倍于 PCB 的允许电流。如有可能,接地线的宽度应大于 3mm。
  • (4) 将接地线构成闭环路。设计只由数字电路组成的 PCB 的地线系统时,将接地线做成闭环路可以明显提高抗噪声能力。其原因在于:PCB 上有很多集成电路元器件,尤其遇有耗电多的元器件时,因受接地线粗细的限制,会在接地结构上产生较大的电位差。引起抗噪声能力下降,若将接地结构成环路,则会缩小电位差值,提高电子设备的抗声能力。

2) 电磁兼容性设计

电磁兼容性是指电子设备在各种电磁环境中仍能够协调有效地进行工作的能力。电磁兼容性设计的目的是使电子设备既能抑制各种外来的干扰,使电子设备在特定的电磁环境中能够正常工作,又能减少电子设备本身对其他电子设备的电磁干扰。

  • (1) 选择合理的导线宽度。由于瞬变电流在印制线条上所产生的冲击干扰主要是由印制导线的电感成分造成的,因此应尽量减小印制导线的电感量。印制导线的电感与其长度成正比,与其宽度成反比,因而短而精细的导线对抑制干扰是有利的。时钟引线、行驱动器或总线驱动器的信号线常常载有大的瞬变电流,印制导线要尽可能地短。对于分立元器件电路,印制导线宽度在 1.5mm 左右时,即可完全满足要求;对于集成电路,印制导线宽度可在 0.2~1.0mm 之间选择。

  • (2) 采用正确的布线策略。采用平行走线可以减少导线电感,但导线之间的互感和分布电容增加,如果布局允许,最好采用井字形网状布线结构。具体做法是 PCB 的一面横向布线,另一面纵向布线,然后在交叉孔处用金属化孔相连,

  • 为了抑制 PCB 导线之间的串扰,在设计布线时应尽量避免长距离的平行走线,尽可能拉开线与线之间的距离,信号线与地线及电源线尽可能不交叉。在一些对干扰十分敏感的信号线之间设置一根接地的印制线,可以有效地抑制串扰。

  • 为了避免高频信号通过印制导线时产生的电磁辐射,在 PCB 布线时,还应注意以下几点:

    • 尽量减少印制导线的不连续性,例如导线宽度不要突变,导线的拐角应大于 90°,禁止环状走线等;

    • 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,驱动器应紧挨着连接器;

    • 总线驱动器应紧挨其欲驱动的总线。对于那些离开 PCB 的引线,驱动器应紧紧挨着连接器;

    • 数据总线的布线应每两根信号线之间夹一根信号地线。最好是紧紧挨着最不重要的地址引线放置地回路,因为后者常载有高频电流。

  • (3) 抑制反射干扰。为了抑制出现在印制线条终端的反射干扰,除了特殊需要之外,应尽可能缩短印制线的长度和采用慢速电路。必要时可加终端匹配,即在传输线的末端对地和电源端各加接一个相同阻值的匹配电阻。根据经验,对一般速度较快的 TT 电路,其印制线条长于 10cm 以上时就应采用终端匹配措施。匹配电阻的阻值应根据集成电路的输出驱动电流及吸收电流的最大值来决定。

3) 去耦电容配置

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,是印制电路板可靠性设计的 - 种常规做法,一般配置原则如下:

  • 电源输入端跨接一个 10~100HF 的电解电容器,如果 PCB 的位置允许,采用 100HF 以上的电解电容器的抗干扰效果会更好;
  • 为每个集成电路芯片配置一个 0.01F 的陶瓷电容器。如遇到 PCB 空间小而装不下时,可每 4~10 个芯片配置一个 1~10F 钽电解电容,这种元器件的高频阻抗特别小,在 50kHz~20MHz 范围内阻抗小,而且漏电流很小 (0.5nA 以下);
  • 对于噪声能力弱、关断时电流变化大的元器件和 ROM、RAM 等存储型元器件,应在芯片的电源线和地线间直接接入去耦电容;
  • 去耦电容的引线不能过长,特别是高频旁路电容不能带引线。

4) PCB 的尺寸与元器件的布置

PCB 大小要适中,过大时印制线条长,阻抗增加,不仅抗噪声能力下降,成本也高;

过小则散热不好,同时易受临近线条干扰。在元器件布置方面与其他逻辑电路一样,应把相互有关的元器件尽量放得靠近些这样可以获得较好的抗噪声效果,如图 3-15 所示。时钟发生器、品振和 CPU 的时钟输入端都易产生噪声,要相互靠近些。易产生噪声的元器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离逻辑电路,如有可能,应另做 PCB。

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5) 散热设计

从有利于散热的角度出发,PCB 最好是直立安装,板与板之间的距离一般不应小于 2cm,而且元器件在 PCB 上的排列方式应遵循一定的规则:

  • 对于采用自由对流空气冷却的设备,最好是将集成电路 (或其他元器件) 按纵长方式排列;对于采用强制空气冷却的设备,最好是将集成电路 (或其他元器件) 按横长方式排列;
  • 同一块 PCB 上的元器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列,发热量小或耐热性差的元器件 (如小信号品体管、小规模集成电路、电解电容等) 放在冷却气流的最上游 (入口处),发热量大或耐热性好的元器件 (如功率晶体管、大规模集成电路等) 放在冷却气流最下游;
  • 在水平方向上,大功率元器件尽量靠近 PCB 边沿布置,以便缩短传热路径:在重直方向上,大功率元器件尽量靠近 PCB 上方布置,以便减少这些元器件工作时对其他元器件温度的影响:
  • 对温度比较敏感的元器件最好安置在温度最低的区域 (如设备的底部),千万不要将它放在发热元器件的正上方,多个元器件最好是在水平面上交错布局;
  • 设备内 PCB 的散热主要依靠空气流动,所以在设计时要研究空气流动路径,合理配置元器件或 PCB。空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动,所以在 PCB 上配置元器件时,要避免在某个区域留有较大的空域。整机中多块 PCB 的配置也应注意同样的问题。

大量实践经验表明,采用合理的元器件排列方式,可以有效地降低印制电路的温升,从而使元器件及设备的故障率明显下降。

以上所述只是 PCB 可靠性设计的一些通用原则,PCB 可靠性与具体电路有着密切的关系,在设计中还需根据具体电路进行相应处理,才能最大限度地保证 PCB 的可靠性。

# 三、电子电路测试基础知识

# 1、电子电路测试方法

电子电路测试包括内部测试、功能测试、边界扫描与 JTAG。

1) 内部测试电路测试的第一步是在 PCB 装配完成之后对板上各个元器件进行检查:是否正确安装、型号与数值是否正确、焊接是否合格。无论是手工还是机器加工的 PCB 都可能出现错误,因此对 PCB 的检查十分重要。

然后进行的电路内部测试则是使用自动测试与测试程序。PCB 上每个结点都需要进行探测,使用探针床测试夹进行 PCB 测试。自动化工具可以通过 PCB 设计自动计算 PCB 测试工具的设计与各个结点正确的状态,并以此进行测试。

然而这样的测试并不能保证整个系统不会故障,电路的内部测试效果也比较有限,只能保证基本的正确性而无法保证整个系统按照设计运行,因此需要使用功能测试。

2) 功能测试

功能测试是在接通电源、激励或者特殊测试信号与输入 / 输出线之后,测试装配好电路板的功能。使用各类仪器对电路相关部分进行测试,同时进行校准和调整。对于嵌入式系统,一般需要按照一定流程制订专门的测试步骤。而功能测试可以使用自动化设备进行测试,以简化人工成本。

3) 边界扫描与 JTAG 通常来说,数字电路的测试会较为复杂。由于许多数字电路本身太过于复杂,常规的测试无法有效的进行。成百上千个测试点,外加各类 IC 复杂的逻辑与状态无法使用简单的电气特性测试来测试,因此边界扫描和 JTAG 能够较为有效地进行测试。边界测试是常见的硬件测试方式,而 JTAG 则是嵌入式中最常用的方式,它利用与 IC 芯片内部调试模块进行通信的方式进行调试与测试。

# 2、硬件可靠性测试

以行业标准或者国家标准为基础的可靠性测试包括电磁兼容试验、气候类环境试验机械类环境试验和安规试验等。

由于网络产品的功能千差万别,应用场合可能是各种各样的,而与可靠性测试相关的行业标准、国家标准一般情况下只给出了某类产品的测试应力条件,并没有指明被测设备在何种工作状态或配置组合下接受测试,因此在测试设计时可能会遗漏某些测试组合。例如机框式产品,线卡种类、线卡安装位置、报文类型、系统电源配置均可灵活搭配,这里涉及到的测试组合会较多,这些测试组合中必然会存在比较极端的测试组合。再如验证该机框的系统散热性能,最差的测试组合是在散热条件机框上满配最大功率的线卡板。如果考虑其某线卡板低温工作性能,比较极端的组合是在散热条件最好的机框上配置最少的单板且配置的单板功耗最小,并且把单板放置在散热最好的槽位上。

总之,在做测试设计时,需要跳出传统测试规格和测试标准的限制,以产品应用的角度进行测试设计,保证产品的典型应用组合、满配置组合或者极端测试组合下的每一个硬件特性、硬件功能都充分暴露在各种测试应力下。这个环节的测试保证了,产品的可靠性才得到保证。

针对不同的产品形态,硬件可靠性测试项目可能有所差异,但是其测试的基本思想是一致的,其基本的思路都是完备分析测试对象可能的应用环境,在可能的应用环境下会承受可能工作状态包括极限工作状态,在实验室环境下制造各种应力条件、改变设备工作状态,设法让产品的每一个硬件特性、硬件功能都一一暴露在各种极限应力下,遗漏任何一种测试组合必然会影响到产品的可靠性。

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