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    印制電路板的可靠性設計

    日期:2021-10-19 06:41
    瀏覽次數:2643
    摘要:
       目前電子器材用于各類電子設備和系統仍然以印制電路板為主要裝配方式。實踐證明,即使電路原理圖設計正確,印制電路板設計不當,也會對電子設備的可靠性產生不利影響。例如,如果印制板兩條細平行線靠得很近,則會形成信號波形的延遲,在傳輸線的終端形成反射噪聲。因此,在設計印制電路板的時候,應注意采用正確的方法。
    一、地線設計
    在電子設備中,接地是控制干擾的重要方法。如能將接地和屏蔽正確結合起來使用,可解決大部分干擾問題。電子設備中地線結構大致有系統地、機殼地(屏蔽地)、數字地(邏輯地)和模擬地等。在地線設計中應注意以下幾點:
    1.正確選擇單點接地與多點接地
    在低頻電路中,信號的工作頻率小于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流對干擾影響較大,因而應采用一點接地。當信號工作頻率大于10MHz時,地線阻抗變得很大,此時應盡量降低地線阻抗,應采用就近多點接地。當工作頻率在1~10MHz時,如果采用一點接地,其地線長度不應超過波長的1/20,否則應采用多點接地法。
    2.將數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,接地電位則隨電流的變化而變化,致使電子設備的定時信號電平不穩,抗噪聲性能變壞。因此應將接地線盡量加粗,使它能通過三位于印制電路板的允許電流。如有可能,接地線的寬度應大于3mm。
    4.將接地線構成閉環路
    設計只由數字電路組成的印制電路板的地線系統時,將接地線做成閉環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,因受接地線粗細的限制,會在地結上產生較大的電位差,引起抗噪聲能力下降,若將接地結構成環路,則會縮小電位差值,提高電子設備的抗噪聲能力。

    二、電磁兼容性設計
     電磁兼容性是指電子設備在各種電磁環境中仍能夠協調、有效地進行工作的能力。電磁兼容性設計的目的是使電子設備既能抑制各種外來的干擾,使電子設備在特定的電磁環境中能夠正常工作,同時又能減少電子設備本身對其它電子設備的電磁干擾。
    1.選擇合理的導線寬度
    由于瞬變電流在印制線條上所產生的沖擊干擾主要是由印制導線的電感成分造成的,因此應盡量減小印制導線的電感量。印制導線的電感量與其長度成正比,與其寬度成反比,因而短而精的導線對抑制干擾是有利的。時鐘引線、行驅動器或總線驅動器的信號線常常載有大的瞬變電流,印制導線要盡可能地短。對于分立元件電路,印制導線寬度在1.5mm左右時,即可完全滿足要求;對于集成電路,印制導線寬度可在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線電感,但導線之間的互感和分布電容增加,如果布局允許,*好采用井字形網狀布線結構,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。

    為了抑制印制板導線之間的串擾,在設計布線時應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線之間設置一根接地的印制線,可以有效地抑制串擾。
    為了避免高頻信號通過印制導線時產生的電磁輻射,在印制電路板布線時,還應注意以下幾點:
    ●盡量減少印制導線的不連續性,例如導線寬度不要突變,導線的拐角應大于90度禁止環狀走線等。
    ●時鐘信號引線*容易產生電磁輻射干擾,走線時應與地線回路相靠近,驅動器應緊挨著連接器。
    ●總線驅動器應緊挨其欲驅動的總線。對于那些離開印制電路板的引線,驅動器應緊緊挨著連接器。
    ●數據總線的布線應每兩根信號線之間夾一根信號地線。*好是緊緊挨著*不重要的地址引線放置地回路,因為后者常載有高頻電流。
    ●在印制板布置高速、中速和低速邏輯電路時,應按照圖1的方式排列器件。
    3.抑制反射干擾
    為了抑制出現在印制線條終端的反射干擾,除了特殊需要之外,應盡可能縮短印制線的長度和采用慢速電路。必要時可加終端匹配,即在傳輸線的末端對地和電源端各加接一個相同阻值的匹配電阻。根據經驗,對一般速度較快的TTL電路,其印制線條長于10cm以上時就應采用終端匹配措施。匹配電阻的阻值應根據集成電路的輸出驅動電流及吸收電流的*大值來決定。

    三、去耦電容配置
    在直流電源回路中,負載的變化會引起電源噪聲。例如在數字電路中,當電路從一個狀態轉換為另一種狀態時,就會在電源線上產生一個很大的尖峰電流,形成瞬變的噪聲電壓。配置去耦電容可以抑制因負載變化而產生的噪聲,是印制電路板的可靠性設計的一種常規做法,配置原則如下:
    ●電源輸入端跨接一個10~100uF的電解電容器,如果印制電路板的位置允許,采用100uF以上的電解電容器的抗干擾效果會更好。
    ●為每個集成電路芯片配置一個0.01uF的陶瓷電容器。如遇到印制電路板空間小而裝不下時,可每4~10個芯片配置一個1~10uF鉭電解電容器,這種器件的高頻阻抗特別小,在500kHz~20MHz范圍內阻抗小于1Ω,而且漏電流很小(0.5uA以下)。
    ●對于噪聲能力弱、關斷時電流變化大的器件和ROM、RAM等存儲型器件,應在芯片的電源線(Vcc)和地線(GND)間直接接入去耦電容。
    ● 去耦電容的引線不能過長,特別是高頻旁路電容不能帶引線。
    四、印制電路板的尺寸與器件的布置
    印制電路板大小要適中,過大時印制線條長,阻抗增加,不僅抗噪聲能力下降,成本也高;過小,則散熱不好,同時易受臨近線條干擾。
     在器件布置方面與其它邏輯電路一樣,應把相互有關的器件盡量放得靠近些,這樣可以獲得較好的抗噪聲效果。如圖2所示。時鐘發生器、晶振和CPU的時鐘輸入端都易產生噪聲,要相互靠近些。易產生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應盡量遠離邏輯電路,如有可能,應另做電路板,這一點十分重要。
    五、熱設計
    從有利于散熱的角度出發,印制版*好是直立安裝,板與板之間的距離一般不應小于2cm,而且器件在印制版上的排列方式應遵循一定的規則:

    ?對于采用自由對流空氣冷卻的設備,*好是將集成電路(或其它器件)按縱長方式排列;對于采用強制空氣冷卻的設備,*好是將集成電路(或其它器件)按橫長方式排列。  
    ?同一塊印制板上的器件應盡可能按其發熱量大小及散熱程度分區排列,發熱量小或耐熱性差的器件(如小信號晶體管、小規模集成電路、電解電容等)放在冷卻氣流的*上流(入口處),發熱量大或耐熱性好的器件(如功率晶體管、大規模集成電路等)放在冷卻氣流*下游。
    ?在水平方向上,大功率器件盡量靠近印制板邊沿布置,以便縮短傳熱路徑;在垂直方向上,大功率器件盡量靠近印制板上方布置,以便減少這些器件工作時對其它器件溫度的影響。
    ?對溫度比較敏感的器件*好安置在溫度*低的區域(如設備的底部),千萬不要將它放在發熱器件的正上方,多個器件*好是在水平面上交錯布局。
    ?設備內印制板的散熱主要依靠空氣流動,所以在設計時要研究空氣流動路徑,合理配置器件或印制電路板。空氣流動時總是趨向于阻力小的地方流動,所以在印制電路板上配置器件時,要避免在某個區域留有較大的空域。整機中多塊印制電路板的配置也應注意同樣的問題。
    大量實踐經驗表明,采用合理的器件排列方式,可以有效地降低印制電路的溫升,從而使器件及設備的故障率明顯下降。

    粵公網安備 44030602001522號

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