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          對于PCB元器件擺放的十條小技巧

          來源:EDN電子技術設計 作者: 發布時間:2021-3-5 8:40:22 瀏覽:


          PCB設計,既是科學也是藝術。其中有非常多關于布線線寬、布線疊層、原理圖等等相關的技術規范,但當你涉及到PCB設計中具有藝術特質元器件布局問題時,問題就變得有趣起來了。


          事實上,關于元器件擺放限制很少,也沒有“絕對正確”的規范要求,這也使得初學者電子工程師在擺布電路板上元器件時,就像個十足的“中二”,向往著個人抱負和創造性,如何擺放完全依賴于你和設計思路。


          但這并不意味著你可以為所欲為,計算機中的設計最終還是需要降落凡塵,形成具體可用之物,因此下面十條PCB元器件擺放小建議可以指導電子初學者完成平穩走過電子設計初始階段。


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          為什么元器件擺放那么重要?
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          有一句老話(不知誰說的)PCB設計90%在器件布局,10%在布線,這的確是一句大實話。開始費盡心思精細擺放器件可以起到事半功倍的效果,也可以提高PCB的電氣特性。如果你只是將元器件隨意任性在電路板上胡亂擺放,那會發生什么?

          時間被打水漂:很大可能性你在布線的過程中就發現有些地方根本沒有足夠空間走線,甚至整個布線需要推倒重來。

          • 電路板不工作:你本以為將器件放置好,并將所有的引線布完就萬事大吉了。將設計文件發送給電路板制造商,等幾天接到嶄新的電路板。正準備興高采烈焊接電路的時候就被現實猛烈打臉,發現有些器件根本無法焊接(要么封裝不對,要么相互有沖突)。

          • 美學碎了一地:我們必須承認,即使我們只是謙卑的工程師,在對美學的追求上還是認同對稱、細致。那種一開始被缺少愛和不走心的人進行元器件擺放的電路板,在后期焊接和調試過程會給讓人感到更加的堵心,涌入眼簾的只有葛優癱。

          如果你碰上一個杠精,會跟你辯論,元器件的擺放哪里什么條條框框,同一個電路圖,100個電子工程師會有1000種布線方案。這也就是為什么說設計電路板更多被看成是藝術創作過程。

           

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           ▲ 一個優雅、充滿藝術氣息,被用心設計的電路板很容易吸引眼球。對稱、整潔,器件擺放那么美好!

          如果你遇事總想弄清對和錯,下面倒是有一個小技巧幫你判斷是否你的電路板元器件擺放是否合適。在器件擺放完之后,使用電路板設計軟件中的自動布線(比如 Autodesk EAGLE中提供的)進行布線,如果最終電路不通率低于85%,這就說明你需要多花些時間優化元器件的擺放了。

          下面就讓我們少“逼逼”,多說些關于器件擺放的干貨吧。

           

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          技巧1:弄清電路板物理限制
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          擺放元器件之前,首先需要確切知道電路板的安裝孔、邊緣接插件的位置以及電路板的機械尺寸限制。為啥呀?

          因為這些因素影響你的電路板的尺寸和外形。曾見過某位設計的電路板無法裝進電路板固定區域,只好重新設計。

           為了避免犯傻,可以有意對那些機械限制(安裝孔、電路外輪廓)設置一個清空區,這樣你就可以放心在允許范圍內進行創作了。

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          ▲ 四旋翼,或者其他柔性可穿戴電路往往需要電路板具有有趣的外觀。這就是一個用于迷你四旋翼上的信號接收電路的外觀設計

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          技巧2:弄清電路板制作工藝
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          同樣,在放置電路元器件之前,你最好從電路生產商那兒弄清幾個關鍵信息:

           

          • 電路的組裝工藝和測試流程;

          • 是否需要對PCB V型切槽預留空間;

          • 元器件焊接工藝:是波峰焊、分區焊接還是手工焊接?

           

          電路板制作工藝將會影響元器件之間空隙大小需求。還有,如果你的電路板將來會在流水線上被焊接,你就需要在電路板邊緣額外留出空間(大于20mil)用于電路板固定在傳送帶上。電路板上額外的固定板,它在電路板焊接完之后被掰掉。

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          技巧3:給集成芯片留下喘氣空間
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          注意,這里所說的“喘氣”不是空氣,至于是什么,看完下面你就清楚了 。在布置任何元器件的時候,都需要盡可能在它們之間留下至少350mil的距離,對于引腳多的芯片,留的空間需要更大。為何?

          現在的芯片引腳原來越多,越來越密。如果集成芯片相距過于親密,就會有很大可能無法將它們的引線輕松的引出布線。往往是越到后來布線越難,有的時候費心布通一根線就要消耗掉你100根頭發,甚至到了叫天天不應,叫地地不靈的困境。(早知如此,何必當初)

           

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          ▲ 看到了吧,這種BGA封裝的芯片,引腳那么密集。如果在它周圍不預留下足夠的空間,在布線的時候有你好看的

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          技巧4:相同器件方向一致
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          對于相同的器件盡可能讓他們排好隊,保持一致的隊形。你有強迫癥?這樣做主要為了便于后期電路板的組裝、檢查和測試,尤其對表面封裝的器件在波峰焊接過程中,電路板勻速經過融化焊錫波峰。均勻擺放的器件加熱過程均勻,可以保證焊點一致性高。

          下面這個例子顯示了均勻擺放器件適合勻速波峰焊接工藝。

             

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          ▲ 元器件擺放均勻的例子,器件方向一致適合勻速波峰焊過程

           

          如果按照下面這樣凌亂的擺放,波峰焊接對于不同器件的焊盤質量會有差異,特別當有些小型器件恰好位于大型器件之間時,就會形成“陰影”效應,小器件可能就會焊接不良。

           

           

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          ▲ 凌亂擺放元器件的例子:方向不同的器件在波峰焊接時候會容易形成不良焊點

           

           

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          技巧5:減少引線交叉
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          通過調整器件位置和方向,減少引線交叉。咋弄?

          現在很多PCB設計軟件都會提供一種功能,顯示沒有布通管腳對之間的連接關系。比如下圖就顯示了原理圖中所有器件管腳之間的連接關系,通過圖中細的灰色直線表示(這種線被稱為ratsnest:y飛線,預拉線)。

           

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          ▲ 顯示飛線的PCB界面

           

          通過改變器件的位置和方向,盡量減少器件之間引線交叉,可以為后面布線節省大量的精力。
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          技巧6:先擺放電路邊緣器件
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          對于因受機械限制而無法任意移動的器件要先進行擺放,比如電路板上的外部接插件、開關、USB端口等等。為什么?

           這些器件往往是有系統整體機械設計時就確定下的位置,不容更改。在擺放完這些器件之后,也就使得你在后面器件安排有了一個光榮的起點。搞定電路板邊緣器件,剩下就是你發揮自己想象力和創造力的高光時刻了。

           

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          ▲ 計算機主板上的外圍接口器件位置是與機箱設計緊密相關的,它們的位置需要預先確定下來


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          技巧7:避免器件之間沖突
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          絕對避免為了在小的電路板中布線而將器件的焊盤重疊共用,或使得器件邊緣重疊。最好在所有器件之間保持40mil(1mm)的距離。你有密集恐懼癥?

           最重要原因是為了避免在之后電路制作過程中在焊盤之間產生短路故障。別忘了,緊密擺放也會使得布線變得更加的困難。同樣,在放置過孔的時候也要避免過于密集。這些小圓孔將來也可能裸露出銅皮,造成電路的短路。

           

           

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          技巧8:將器件盡量放在同一面
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          如果你設計兩層電路板,最常見的建議就是將器件擺放在同一面。為什么呀?

           

          如果不將器件放在電路板的同一面,就會使得后期電路板制作費事費力。下面告訴你原因,通常情況下,電路板上的器件是通過自動器件擺放機器完成,器件只在一面,生產PCB過程只需要一遍即可。否則,就需要兩次器件擺放。浪費了生產時間,就是浪費金錢和生命。

            

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          技巧9:保持芯片管腳和器件極性一致
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          每個集成芯片都有標志給出管腳1的起始位置。對于芯片的管腳1所在的方位,或者有極性的器件(電機電容、二極管、三極管、LED等等)方向保持一致,也會給電路板制作帶來方便。有這必要嗎?

           如果你親自焊接或者調試過電路板,你就不會懷疑這一點。想想看,當你焊接電路板上的元器件的極性和方向非常凌亂,是不是對于成功焊接電路板你心里也沒有底?

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           ▲ 通常集成芯片封裝上會有小點表示管腳1的位置。保持所有芯片的方向一致便于你焊接和檢查


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          技巧10:器件位置與原理圖上相似
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          在擺放元器件時,腦子里按照你的原理圖上的位置關系進行擺放。原因何在?

          實際上,你在設計原理圖的時候就已經優化了器件之間的位置關系(連線最短、交叉最少),所以呢,按照原理圖上器件位置來直到PCB器件的擺放有天然的合理性。特別是,在后期手工布線的時候,腦子里的原理圖也會暗地里幫你選擇合理的短路徑來布線。


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          約束下的創作
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          最好的PCB設計起源于器件非凡的布局,不要輕易糊弄過去。你要一直堅持把精力放在器件的合理擺放,這個過程所有的努力都是值得的,這也許是你在PCB設計中最值得全力以赴的過程。當你看到設計PCB變成電路板成品時,將是品嘗勞動果實的幸福時光。