设计印刷电路板的7条规则

问候！ 在KSV1同志讨论本文时， 有人表示需要印刷电路板设计的小手册。 我经常看到的文章风格为“代码设计的5条规则”或“成功项目的5个步骤”，也就是说，非常方便地收集了特定主题的摘要。 不幸的是，关于电子技术发展的此类文章很少，这很不好。

我向KSVl的用户和其他一些读者许诺了一篇有关印刷电路板（PCB）设计基本原理的文章，我还邀请所有粉丝喝杯咖啡来熟悉一下！

序言

本文中描述的所有规则都是最基本的，并且专门针对完全只是电子产品爱好者的初学者。 我想立即指出，本文并非声称是绝对真理，所有解释均以自由形式给出。

当然会有人说：“是的，所以它起作用了，为什么要改变一些东西？” here，在这里，我还不准备浪费我的力量说服您。 有些人希望有效，可靠地做好每一件事，而另一些人则无法理解这种愿望。

本文中描述的规则所基于的信息源：

1. 通用物理和电气工程课程。 大学第一门课程中的所有内容
2. 霍华德·琼斯（Howard Jones）书籍设计高速数字设备：Black Magic和高速数字数据传输的入门课程：Black Magic的终极课程
3. IPC标准，例如IPC-2221A。 有俄文翻译（旧版）和最新版本的英文原版
4. 自己的经验

规则编号1-导体的宽度

错误 -新手开发人员通常会使用导体的宽度（走线），这是所用CAD系统中的默认宽度。 在前面提到的文章中，作者使用EasyEDA，宽度的基本值为6密耳，即大约0.15毫米。 这种宽度的导体几乎在所有地方都使用，这很不好，因为它导致许多问题。

问题1是电压降。 我们都记得欧姆定律，据此可知，导体的横截面积越小，其电阻就越大。 导体的电阻越大，导体两端的电压降越大。

问题2-导体发热。 这是根据欧姆定律，导体上释放的功率与电阻成正比，也就是说，电阻越大，导体上释放的热量就越大。 在5-10A电流下的0.15毫米电流很容易蒸发。

问题编号3-寄生电感。 这个时刻与基本时刻几乎没有关系，但是您需要了解这一点。 导体的横截面越小，其电感越大。 也就是说，任何导体实际上都不只是“铜片”，而是电阻，电感和杂散电容的复合成分。 如果这些参数过高，则它们开始对电路的运行产生负面影响。 例如，在使用SPI时，它们的出现频率通常会大于10 MHz。

问题4 –机械强度低。 我认为没有必要解释说，与0.15毫米的履带相比，宽度为2毫米的履带更牢固地连接到织物底座上。 为了娱乐，请拿起工厂不必要的板子并拿起。

解决方案 -使用导体的最大可能宽度。 如果可以以0.6毫米的宽度绘制导体，则比以0.15毫米的宽度固定导体更好。

一个例子：

1）不好


2）好

规则2-与结论的联系

结论意味着组件（焊盘），过孔（通孔）和我们使用导体（走线）连接到板上的其他对象的接触面积。

错误 -有两个极端。 在一种情况下，开发人员犯了规则1的错误，并将0.15 mm的走线连接到smd电阻器1206的输出。相反，在另一种情况下，开发人员使用宽度等于接触垫宽度的导体。 两种选择都是不好的。

问题1-机械强度低。 通过多次尝试焊接该组件，焊盘或走线简单地剥离了印刷电路板的织物底部。

问题2-电路板安装中的技术问题。 尽管如果您不仅开始在中国订购电路板，还开始组装，这将成为一个问题。 他们当然会收集你的，但婚姻的百分比会增加。

解决方案 -连接到接触垫的导体宽度应约为该接触垫宽度的80％。

一个例子：

1）不好


2）好


在这种情况下，电容器焊盘1206的尺寸为1.6×1mm 。 因此，为了总结来自下方的信号，使用了等于平台宽度80％的轨道，即0.8 mm（1 mm的80％）。 为了汇总右侧的信号，使用了一条1.2毫米厚的轨道（约1.6毫米的80％）。 SOIC-8封装中用于微电路的平台的宽度为0.6毫米，因此您需要提供一个轨迹约为0.5毫米的信号。

应该理解，该选项是理想的。 您可能会不喜欢从1.2毫米过渡到0.5毫米的过渡-有点大惊小怪。 可以避免。 为此，通常采用相对于最小焊盘（pad）的轨道宽度，也就是说，在这种情况下，您可以这样：



如您所见，我在最小面积（即SOIC-8封装的微电路输出区域）中选择了导体的宽度。 这种简化是可以接受的，但是应该明智地使用它。

规则3-动力链

现在，考虑相对于规则2的简化是完全不可接受的情况，即电源电路的设计。 该规则基于前两个规则，是一个特殊的但也许是最关键的情况。

错误 -在设计电源电路时忽略了规则1和2。

问题1-稳压器的输出严格为+ 3.3V。 您打开设备，观察到微电路的行为不当，ADC无法准确测量，并会定期关闭。 您测量了用电设备（微电路）支脚上的电压，发现不是+ 3.3V，而是+ 2.6V。

问题2-您的DC-DC转换器无法启动，或者在输出端出现大纹波。

问题3-在尝试查找故障时，将示波器探头放在+ 3.3V线上，发现那里存在一些可怕的波纹和噪声，而不是恒定电压。

解决方案 -我们遵守特别严格和狂热的第1号和第2号规则。 轨道尽可能宽。 电源应该通过陶瓷电容器到达芯片，如果可能的话，应将其放置在更靠近该芯片输出的位置。

一个例子：

1）不好


2）好


我做了什么使它变得更好：

1） VCC3V3电源轨现在适合不绕过电容器而是通过电容器。 也就是说，首先是电容器，然后是微电路的输出

2）我使用尺寸为1.2 / 0.6毫米的通孔（通孔）。 是的，根据对精度等级4（标准）的要求，我可以使用大小为0.7 / 0.3毫米的通孔，但是我没有这样做，而是采用了较大的过渡。 这使得可以减小其电阻并允许更多的电流通过。

3）来自稳定器的电源总线现在不是0.3毫米，而是2毫米！ 不要害怕做出广泛的指导。 这种方法可最大程度地减少电路中的电压降并降低导体的电感。

规则4-地球

您可以永远谈论质量对Earth Bus Design（GND）的影响，但是任何讨论都可以归结为一个简单的观点：设备的稳定性和可操作性在很大程度上取决于Earth设计 。 这个问题非常多，需要深入研究，因此我将给出最基本的建议。

错误是使用普通导体的GND（接地）电路走线，甚至是最小宽度。 这只是一个k-to-k-combo！

问题之一是设备的不稳定和电路，特别是电源电路中的强烈干扰。

问题2 –发热，通常是细导体的断裂，因为 它有大电流。

解决方案是使用多边形来路由GND电路，理想情况下是为该电路完全分配一个单独的层，例如底层。

一个例子：

1）不好


2）好


如您所见，我应用了实心多边形填充，而不是通常的导体。 该解决方案为我提供了很大的横截面积，因为垃圾场只是一个很大的导体。 仅在某些情况下这种解决方案才有缺点，例如，当安装密度很高并且其他导体破坏了一个实心多边形时，因为此处的LED1..3电路破坏了微电路输出和电容器（GND）之间的最短路径：



在这里，我们将得到前面提到的单独的GND层的帮助。 理想情况下，在两层板中，在其下面选择底层，而在多层板中，选择内层之一：



因此，我们恢复了通过GND电路的电流的最短路径，在这种情况下，我们帮助了下层（蓝色），它完全是一个接地的多边形。 焊盘附近的通孔（via）为它们提供了到接地层的最短连接。

当然，这是一个理想的情况，有时在不提高董事会价格的情况下将无法实现，因此决定权在您自己。 有时不需要“超级”可靠性，对于您的任务，找到介于价值和质量之间的中间地带非常重要。

规则5-间隙宽度

印刷电路板上的铜导体之间的间隙的最小值取决于技术要求。 对于第4类（标准），该值为0.15 / 0.15毫米或6/6密耳。 最大宽度仅受您的想象力，电路板尺寸和常识的限制。

错误 -间隙不够大，通常保留默认值0.15毫米。

问题1-电气故障。 当两个电位不同的导体（例如，一个金属物体）闭合并且电流急剧增加时，就会发生短路。 不幸的是，理想的介电材料不存在，并且在任何时候任何一种材料都开始传导电流。 一个例子是电力线上的绝缘子，有时会刺穿它们。 当超过临界击穿电压时，会发生此现象。 由于相同的原因，作为印刷电路板主要部件的玻璃纤维可能会在某些时候开始通过电流。

解决方案是增加导体之间的距离。 击穿电压取决于材料的类型以及绝缘体的厚度/宽度。 对于印刷电路板，导体之间的距离（间隙）就是影响击穿电压临界值的那个参数。 导体之间的距离越大，断开导体所需的电压就越大 。

我还想说，玻璃纤维的故障并不总是最紧迫的问题。 木板周围的空气也是绝缘体，但在某些条件下会变成导体，切记雷雨。 空气传播的电气击穿是电子设备中的一个大问题，尤其是当您考虑空气干燥时，或者在热带或北部时，空气的湿度可以达到90-100％。

一个例子：

让我们同意，在此示例中，有3条导线：整流网络电压+ 310V，微控制器的低压电源线+ 3.3V和接地总线（GND）。

1）不好


2）好


为什么您问过0.3毫米和0.8毫米已经很好，作为答案，我将给您2个资料来源：

1）普通物理与电气工程。 由于不同的测量方法和其他因素，它们中的数据会有所不同，但是干燥空气的最实际数字是2 kV / mm 。 在这里，许多人会害怕数字，并认为：“我没有这种紧张关系”，这将是一个错误。 该值仅适用于干燥空气，这在实际条件下很少见到。 这里的数字要小得多，例如，在100％的湿度下，空气的击穿电压仅为250 V / mm ！ 空气和木板的粉尘含量以及大气压力（帕申曲线和定律）也会影响击穿电压的值。

2）IPC-2221标准，这是我一开始就给出的链接。 我们对表6-1感兴趣，该表如下所示：



正如您在表格中看到的，即使对于我们的特定情况301-500V ，也有很多值。 如果我们看一下，我们会发现内层封闭导体的值为0.25 mm，即在“理想”条件下没有灰尘，污垢和湿气。 如果设备可以在山区的某个地方工作并且导体位于外层（在2层板的情况下为所有导体）的高度最高为3000米，则最小间隙已经为2.5毫米，即多了10倍。 如果我们在更高的高度上操作设备，则已经需要12.5毫米的间隙！ 值得一提的是-如果我们的木板没有覆盖保护性化合物（例如清漆或保护性化合物），则需要很大的空隙。 一旦出现保护涂层，我们已经看到了更合适的值： 0.8和1.5 mm。

因此，在“良好”的示例中，除了提供0.8 mm的间隙外，还必须在设备安装，清洗和干燥完成后，用保护性化合物（例如清漆）覆盖电路板。 否则，增加间隙！

规则6-电气间隙

错误 -将电介质间隙等同于电流。 实际上，它们非常相似，但是在电隔离方面要求更为严格。 一个显着的情况是，当将去耦侧之间的间隙也选择为0.8或1.5 mm时，使用继电器或光耦合器将控制电路和功率单元去耦。

问题1 –绝缘故障，控制系统和其他昂贵设备的故障。

解决方案是增加电击穿阈值。 默认值通常为1.5 kV，2.5 kV和4 kV。 如果您的设备使用电源电压工作，但没有人与之直接互动，则1.5 kV的隔离电压就足够了。 如果应该通过按钮和其他控件进行人机交互，那么我建议使用电压为2.5 kV或更高的绝缘材料。

一个例子：

1）不好


您问什么不好，因为板上有间隙，所以也可以将其制成1.5毫米。 事实是，即使形成2 mm的间隙，也不足以确保绝缘。 最弱的点应该是继电器控制端子（1-2）和电源端子（3-8）之间的距离。 还应牢记，击穿不仅可能发生在同一层的导体之间，而且可能发生在不同的导体之间-穿过玻璃纤维板以及穿过玻璃板。

2）好




为改善这种情况做了什么：

a）低压部分和高压部分之间有明确的界限。 现在，+ 3.3V导体不会在高压区域+ 310V中通过，GND范围不会分别超出低压部分的边界，并且不会击穿。 同样，在电隔离区域/边界中应该什么也没有。

b）绝缘区没有阻焊层。 面罩也是一个薄弱点，根据质量的不同，它会比玻璃纤维更早地渗透。 在一般情况下这不是必需的，但是如果人们与设备互动，我强烈建议您使用它。

c）正如我上面所写，弱点是继电器的控制端子和电源端子之间的距离。 在任何地方，我都能形成4毫米的绝缘区域，这里只有2.5毫米。 我们也从导体上清洁了面罩，唯一可以使板上发生故障的是玻璃纤维。 因此，我们也将其移除，我在2.5毫米宽的继电器下方切出一个切口，并移除了端子之间的文字提示。 此操作也不是必需的，但可以显着提高设备的可靠性和安全性。

规则7-通孔

错误 -在2层印刷电路板上连接2个接触垫时，经常会看到图片，我使用3..4 ...甚至5个通孔。

问题1-板上的过孔（via）太多，这限制了导体的空间，这会导致电路变长，从而导致其电阻增加。 降低电路和信号的抗干扰性。

解决方案 -使用最少数量的通孔：如果需要在不同层上连接2个引脚，则不要使用超过1个通孔。 如果2个引脚在同一层上，而您不能直接连接它们，则最多使用2个通孔。 如果您需要为连接进行更多转换，那么您就在做错什么-训练逻辑并重新繁殖导致问题的电路板部分。

一个例子：

1）不好


2）好


连接使用的通孔数量最少（通孔），这为其他导体提供了更多的自由空间，并为导体提供了最小的寄生参数。

一些一般提示

• 不要使用自动路由器！ 他们以一种“原始”的，未经调整的形式给出了可怕的结果，即使是最聪明的想法也将变成鸟​​粪。 为了使自动布线器正常工作，他需要规定一些规则，这些规则将告诉他道路不需要0.15，而是1毫米，依此类推。 为了获得足够的结果，即使在简单的卡片上，您也必须自己注册一百个甚至两个规则。 例如，在Altium Designer中，整个部分突出显示在它们下面。 如果您是业余爱好者，并且没有为笔记本电脑设计主板的任务，那么请用手耸耸木板-它将更快地推出，并且质量将达到最佳状态
• 不要懒惰地重新制作电路板。 , 90%, «» . , ,
• , open source , , hackaday.
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结论

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, — IPC , , « » . , . - , 2018 , , SPI .