印制电路板的可靠性设计样本

印制电路板可靠性设计

一、印制电路板可靠性设计

当前电子器材用于各类电子设备和系统依然以印制电路板为重要装配方式。实践证明，虽然电路原理图设计对的，印制电路板设计不当，也会对电子设备可靠性产生不利影响。例如，如果印制板两条细平行线靠得很近，则会形成信号波形延迟，在传播线终端形成反射噪声。因而，在设计印制电路板时候，应注意采用对的办法。

一、地线设计

在电子设备中，接地是控制干扰重要办法。如能将接地和屏蔽对的结合起来使用，可解决大某些干扰问题。电子设备中地线构造大体有系统地、机壳地（屏蔽地）、数字地（逻辑地）和模仿地等。在地线设计中应注意如下几点：

1.对的选取单点接地与多点接地

在低频电路中，信号工作频率不大于1MHz，它布线和器件间电感影响较小，而接地电路形成环流对干扰影响较大，因而应采用一点接地。当信号工作频率不不大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量减少地线阻抗，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1/20，否则应采用多点接地法。

2.将数字电路与模仿电路分开

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，而两者地线不要相混，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，接地电位则随电流变化而变化，致使电子设备定期信号电平不稳，抗噪声性能变坏。因而应将接地线尽量加粗，使它能通过三位于印制电路板容许电流。如有也许，接地线宽度应不不大于3mm。

4.将接地线构成闭环路

设计只由数字电路构成印制电路板地线系统时，将接地线做成闭环路可以明显提高抗噪声能力。其因素在于：印制电路板上有诸多集成电路元件，特别遇有耗电多元件时，因受接地线粗细限制，会在地结上产生较大电位差，引起抗噪声能力下降，若将接地构导致环路，则会缩小电位差值，提高电子设备抗噪声能力。

印制电路板可靠性设计

二、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可以协调、有效地进行工作能力。电磁兼容性设计目是使电子设备既能抑制各种外来干扰，使电子设备在特定电磁环境中可以正常工作，同步又能减少电子设备自身对其他电子设备电磁干扰。

1.选取合理导线宽度

由于瞬变电流在印制线条上所产生冲击干扰重要是由印制导线电感成分导致，因而应尽量减小印制导线电感量。印制导线电感量与其长度成正比，与其宽度成反比，因而短而精导线对抑制干扰是有利。时钟引线、行驱动器或总线驱动器信号线经常载有大瞬变电流，印制导线要尽量地短。对于分立元件电路，印制导线宽度在1.5mm左右时，即可完全满足规定；对于集成电路，印制导线宽度可在0.2～1.0mm之间选取。

2.采用对的布线方略

采用平等走线可以减少导线电感，但导线之间

互感和分布电容增长，如果布局容许，最佳采

用井字形网状布线构造，详细做法是印制板一

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。

为了抑制印制板导线之间串扰，在设计布线时

应尽量避免长距离平等走线，尽量拉开线与线

之间距离，信号线与地线及电源线尽量不交

叉。在某些对干扰十分敏感信号线之间设立一根接地印制线，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电磁辐射，在印制电路板布线时，还应注意如下几点：

●尽量减少印制导线不持续性，例如导线宽度不要突变，导线拐角应不不大于90度禁止环状走线等。

●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接近，驱动器应紧挨着连接器。

●总线驱动器应紧挨其欲驱动总线。对于那些离开印制电路板引线，驱动器应紧紧挨着连接器。

●数据总线布线应每两根信号线之间夹一根信号地线。最佳是紧紧挨着最不重要地址引线放置地回路，由于后者常载有高频电流。

●在印制板布置高速、中速和低速逻辑电路时，应按照图1方式排列器件。

3.抑制反射干扰

为了抑制出当前印制线条终端反射干扰，除了特殊需要之外，应尽量缩短印制线长度和采用慢速电路。必要时可加终端匹配，即在传播线末端对地和电源端各加接一种相似阻值匹配电阻。依照经验，对普通速度较快TTL电路，其印制线条长于10cm以上时就应采用终端匹配办法。匹配电阻阻值应依照集成电路输出驱动电流及吸取电流最大值来决定。

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三、去耦电容配备

在直流电源回路中，负载变化会引起电源噪声。例如在数字电路中，当电路从一种状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产生一种很大尖峰电流，形成瞬变噪声电压。配备去耦电容可以抑制因负载变化而产生噪声，是印制电路板可靠性设计一种常规做法，配备原则如下：

●电源输入端跨接一种10～100uF电解电容器，如果印制电路板位置容许，采用100uF以上电解电容器抗干扰效果会更好。

●为每个集成电路芯片配备一种0.01uF陶瓷电容器。如遇到印制电路板空间小而装不下时，可每4～10个芯片配备一种1～10uF钽电解电容器，这种器件高频阻抗特别小，在500kHz～20MHz范畴内阻抗不大于1Ω，并且漏电流很小（0.5uA如下）。

●对于噪声能力弱、关断时电流变化大器件和ROM、RAM等存储型器件，应在芯片电源线（Vcc）和地线（GND）间直接接入去耦电容。

●去耦电容引线不能过长，特别是高频旁路电容不能带引线。

印制电路板可靠性设计

四、印制电路板尺寸与器件布置

印制电路板大小要适中，过大

时印制线条长，阻抗增长，不但抗

噪声能力下降，成本也高；过小，

则散热不好，同步易受临近线条干

扰。

在器件布置方面与其他逻辑

电路同样，应把互有关于器件尽量

放得接近些，这样可以获得较好抗

噪声效果。如图2所示。时种发生器、晶振和CPU时钟输入端都易产生噪声，要互相接近些。易产生噪声器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离逻辑电路，如有也许，应另做电路板，这一点十分重要

印制电路板可靠性设计

五、热设计

从有助于散热角度出发，印制版最佳是直立安

装，板与板之间距离普通不应不大于2cm，并且器件

在印制版上排列方式应遵循一定规则：

·对于采用自由对流空气冷却设备，最佳

是将集成电路（或其他器件）按纵长方式排列，

如图3示；对于采用强制空气冷却设备，最佳

是将集成电路（或其他器件）按横长方式排列，

如图4所示。

·同一块印制板上器件应尽量按其发热量大小及散热限度分区排列，发热量小或耐热性差器件（如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等）放在冷却气流最上流（入口处），发热量大或耐热性好器件（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，大功率器件尽量接近印制板边沿布置，以便缩短传热途径；在垂直方向上，大功率器件尽量接近印制板上方布置，以便减少这些器件工作时对其他器件温度影响。

·对温度比较敏感器件最佳安顿在温度最低区域（如设备底部），千万不要将它放在发热器件正上方，各种器件最佳是在水平面上交错布局。

·设备内印制板散热重要依托空气流动，因此在设计时要研究空气流动途径，合理配备器件或印制电路板。空气流动时总是趋向于阻力小地方流动，因此在印制电路板上配备器件时，要避免在某个区域留有较大空域。整机中多块印制电路板配备也应注意同样问题。

大量实践经验表白，采用合理器件排列方式，可以有效地减少印制电路温升，从而使器件及设备故障率明显下降。

以上所述只是印制电路板可靠性设计某些通用原则，印制电路板可靠性与详细电路有着密切关系，在设计中不还需依照详细电路进行相应解决，才干最大限度地保证印制电路板可靠性。

印制电路板可靠性设计

六、产品骚扰抑制方案

1 接地

1.1 设备信号接地

目：为设备中任何信号提供一种公共参照电位。

方式：设备信号接地系统可以是一块金属板。

1.2 基本信号接地方式

有三种基本信号接地方式：浮地、单点接地、多点接地。

1.2.1 浮地

目：使电路或设备与公共地线也许引起环流公共导线隔离起来，浮地还使不同电位

电路之间配合变得容易。

缺陷：容易浮现静电积累引起强烈静电放电。

折衷方案：接入泄放电阻。

1.2.2 单点接地

方式：线路中只有一种物理点被定义为接地参照点，凡需要接地均接于此。

缺陷：不适当用于高频场合。

1.2.3 多点接地

方式：凡需要接地点都直接连到距它近来接地平面上，以便使接地线长度为最短。

缺陷：维护较麻烦。

1.2.4 混合接地

按需要选用单点及多点接地。

1.3 信号接地线解决（搭接）

搭接是在两个金属点之间建立低阻抗通路。

分直接搭接、间接搭接方式。

无论哪一种搭接方式，最重要是强调搭接良好。

1.4 设备接地（接大地）

设备与大地连在一起，以大地为参照点，目：

1）实现设备安全接地

2）泄放机箱上所积累电荷，避免设备内部放电。

3）接高设备工作稳定性，避免设备对大地电位在外界电磁环境作用下发生变化。

1.5 拉大地办法和接地电阻

接地棒。

1.6 电气设备接地例

2 屏蔽

2.1 电场屏蔽

2.1.1 电场屏蔽机理

分布电容间耦合

解决办法：1）增大A、B距离。

2）B尽量贴近接地板。

3）A、B间插入金属屏蔽板。

2.1.2 电场屏蔽设计重点：

1）屏蔽板程控受保护物；屏蔽板接地必要良好。

2）注意屏蔽板形状。

3）屏蔽板以良好导体为好，厚度无规定，强度要足够。

2.2 磁场屏蔽

2.2.1 磁场屏蔽机理

高导磁材料低磁阻起磁分路作用，使屏蔽体内磁场大大减少。

2.2.2 磁场屏蔽设计重点

1）选用高导磁率材料。

2）增长屏蔽体壁厚。

3）被屏蔽物不要紧靠屏蔽体。

4）注意构造设计。

5）对强用双层磁屏蔽体。

2.3 电磁场屏蔽机理

1）表面反射。

2）屏蔽体内部吸取。

2.3.2 材料对电磁屏蔽效果

2.4 实际电磁屏蔽体

七、产品内部电磁兼容性设计

1 印刷电路板设计中电磁兼容性

1.1 印刷线路板中公共阻抗耦合问题

数字地与模仿地分开，地线加宽。

1.2 印刷线路板布局

※对高速、中速和低速混用时，注意不同布局区域。

※对低模仿电路和数字逻辑要分离。

1.3 印刷线路板布线（单面或双面板）

※专用零伏线，电源线走线宽度≥1mm。

※电源线和地线尽量接近，整块印刷板上电源与地要

呈“井”字形分布，以便使分布线电流达到均衡。

※要为模仿电路专门提供一根零伏线。

※为减少线间串扰，必要时可增长印刷线条间距离，在乎

安插某些零伏线作为线间隔离。

※印刷电路插头也要多安排某些零伏线作为线间隔离。

※特别注意电流流通中导线环路尺寸。

※如有也许在控制线（于印刷板上）入口处加接R-C去

耦，以便消除传播中也许浮现干扰因素。

※印刷弧上线宽不要突变，导线不要突然拐角(≥90度)。

1.4 对在印刷线路板上使用逻辑电路有益建议

※凡能不用高速逻辑电路就不用。

※在电源与地之间加去耦电容。

※注意长线传播中波形畸变。

※用R-S触发作按钮与电子线路之间配合缓冲。

1.4.1 逻辑电路工作时，所引入电源线干扰及抑制办法

1.4.2 逻辑电路输出波形传播中畸变问题

1.4.3 按钮操作与电子线路工作配合问题