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如何规划多层电路板设计
- 2019-09-12 -
我们并不能用单层印刷电路板(PCB)实现全部的设计。尽管微型化取得了进步,单个芯片上压缩晶体管的数量在稳步增长;但是,诸如电磁干扰、温度限制和电路复杂度整体上升等因素已使多层电路板设计成为PCB行业的必然。  
多层电路板PCB系统是一种需要将一个以上PCB协同工作的设计。现在让我们来深入研究多层电路板PCB系统的常见器件布局策略,从分区到电路板内连接再到三维设计考量以及减少EMI(电磁干扰)的设计技巧。  
分区  
PCB分区(不要与用于内存用途的硬盘驱动器数字分区相混淆)是基于器件功能的实体分组。每个功能子系统均可视为一组器件及其配套电路。  
例如,典型主板可以进一步细分为许多功能单元,如处理器时钟逻辑、总线控制器、总线接口、内存、视频/音频处理模块和外围设备(输入/输出)。  
在多层电路板PCB设计情况下,分区之后可以将器件重新组建到不同的电路板上。这样做的原因有很多,其中包括:  
EMC(电磁兼容性):通过zui优方法(例如分离模拟电路和数字电路)来减少电磁干扰(EMI)问题(我们将在本文后面部分研究这些减少电磁干扰的技术)。  
成本:对于需要较昂贵多层电路板架构的功能电路,采用可连接到主板的较小电路板会使价格更便宜。  
模块化:在设计多个产品时,可以通过将模块标准化单元集成在设计中以节省工作时间和成本,从而使我们可以按照需要在底板上添加功能(例如Arduino芯片组中的thinkshields)。  
三维空间:仅仅因为我们可以将所有电路安装到单层标准10x16英寸电路板上(大约是一个披萨盒的大小),并不意味着我们的设计能通过设备外壳实际尺寸和形状的要求。  
内部电路板连通性  
内部电路板连接器是多层电路板PCB设计的基础。不同类型的内部电路板连接方式如下:  
板对板方式:公/母式引脚/插座接头是zui常见类型的板对板连接器。它们往往成本很低,对于高速电路而言却并不理想。但是我们可以使用较多引脚数和多个引脚来处理较大电流情况。良好的做法是要注意制造商产品每个引脚的额定电流处理能力。  
插卡边缘连接器:从一块电路板边缘引出的走线可以插入另一块电路板上的匹配插座中,使两块板互相垂直。插卡边缘连接器通常用作主板、背板或立式插卡上的扩展槽,用于向计算机添加更多RAM的PCI-e插槽(外围组件互连通道)就是一个典型范例。耐腐蚀金触点与电路板上的走线直接接触,使其对高速数字信号电路极为重要。  
电路板对导线:在许多情况下,可能必须将电缆和电线连接到电路板上。典型范例是特定服务器机房内的FFC(柔性薄膜电缆)、FPC(柔性印刷电缆)和带状连接器。  
直接焊接:齿形的过孔可以让我们创建PCB模块,这样可以很容易焊接在一起。这种方法对于将小型无线模块连接到较大电路板的情况较为流行,只要确保符合高焊接标准(例如IPC-A-610或J-STD-001标准)即可。  
无论我们的设计需要创建互相堆叠在一起的PCB堆叠结构,还是将电路板滑动放入机架或底板,重要的是确保能够在构成产品的不同电路板之间建立牢固连接。  
减少电磁干扰  
电磁兼容性/电磁干扰问题是多层电路板PCB设计背后的主要驱动因素之一。电源和天线都会产生电磁干扰。对高性能电子设备的需求意味着高速信号电路在未来几年内只会变得更加流行。  
多层电路板设计为我们提供更多空间以适应电磁兼容性/电磁干扰的zui佳方法。诸如将模拟信号和数字信号分开、避免在狭小电路板上出现直角走线以及根据需要合理使用多层电路板等内容。与此同时,多层电路板设计也引入了新的关注点,要求我们将分析从单层电路板扩展到电路板与整个系统之间的连接。  
以上因素与三维设计综合考量  
多层电路板设计就像一个昂贵的三维拼图。组成系统的每块电路板都必须装入一个物理外壳或机箱中。没有什么比起草“完美”CAD图纸更困难的了,采购了所有电路板、部件和连接器之后,却在装配时发现在三维角度(多层电路板)上存在问题。更糟的是,没有留下足够的空间进行适当通风,这会导致产品与热有关的性能退化。到这一步,我们甚至还没有触及电磁干扰的问题。
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