如何设计电路板？pcb电路设计基础知识

设计电路板，必须具备最基础的元件知识，基本能知道元件的参数和特性。了解各种电路的元件组成；熟悉模拟电路和数字电路，并且会编程。最好，先从制作电源入手；然后多了解现代高科技产品，看看他们的硬件构成。1、如果设计的电路系统中包含FPGA器件，则在绘制原理图前必需使用Quartus II软件对管脚分配进行验证。(FPGA中某些特殊的管脚是不能用作普通IO的)2、4层板从上到下依次为：信号平面层、地、电源、信号平面层;6层板从上到下依次为：信号平面层、地、信号内电层、信号内电层、电源、信号平面层。6层以上板(优点是：防干扰辐射)，优先选择内电层走线，走不开选择平面层，禁止从地或电源层走线(原因：会分割电源层，产生寄生效应)。3、多电源系统的布线：如FPGA+DSP系统做6层板，一般至少会有3.3V+1.2V+1.8V+5V。3.3V一般是主电源，直接铺电源层，通过过孔很容易布通全局电源网络。5V一般可能是电源输入，只需要在一小块区域内铺铜。且尽量粗(你问我该多粗——能多粗就多粗，越粗越好)

1.2V和1.8V是内核电源(如果直接采用线连的方式会在面临BGA器件时遇到很大困难)，布局时尽量将1.2V与1.8V分开，并让1.2V或1.8V内相连的元件布局在紧凑的区域，使用铜皮的方式连接，如下图：

总之，因为电源网络遍布整个PCB，如果采用走线的方式会很复杂而且会绕很远，使用铺铜皮的方法是一种很好的选择!4、邻层之间走线采用交叉方式：既可减少并行导线之间的电磁干扰(高中学的哦)，又方便走线(参考资料1)。

5、模拟数字要隔离，怎么个隔离法?布局时将用于模拟信号的器件与数字信号的器件分开，然后从AD芯片中间一刀切!模拟信号铺模拟地，模拟地/模拟电源与数字电源通过电感/磁珠单点连接。6、基于PCB设计软件的PCB设计也可看做是一种软件开发过程，软件工程最注重“迭代开发”的思想，我觉得PCB设计中也可以引入该思想，减少PCB错误的概率。(1) 原理图检查，尤其注意器件的电源和地(电源和地是系统的血脉，不能有丝毫疏忽)(2) PCB封装绘制(确认原理图中的管脚是否有误)(3) PCB封装尺寸逐一确认后，添加验证标签，添加到本次设计封装库(4) 导入网表，边布局边调整原理图中信号顺序(布局后不能再使用OrCAD的元件自动编号功能)(5) 手工布线(边布边检查电源地网络，前面说过：电源网络使用铺铜方式，所以少用走线)总之，PCB设计中的指导思想就是边绘制封装布局布线边反馈修正原理图(从信号连接的正确性、信号走线的方便性考虑)。7、晶振离芯片尽量近，且晶振下尽量不走线，铺地网络铜皮。多处使用的时钟使用树形时钟树方式布线。8、连接器上信号的排布对布线的难易程度影响较大，因此要边布线边调整原理图上的信号(但千万不能重新对元器件编号)9、多板接插件的设计：(1) 使用排线连接：上下接口一致(2) 直插座：上下接口镜像对称，如下图

10、模块连接信号的设计：(1) 若2个模块放置在PCB同一面，如下：管教序号大接小小接大(镜像连接信号)

(2) 若2个模块放在PCB不同面，则管教序号小接小大接大这样做能放置信号像上面的右图一样交叉。当然，上面的方法不是定则，我总是说，凡事随需而变(这个只能自己领悟)，只不过在很多情况下按这种方式设计很管用罢了。11、电源地回路的设计：

上图的电源地回路面积大，容易受电磁干扰

上图通过改进——电源与地线靠近走线，减小了回路面积，降低了电磁干扰(679/12.8，约54倍)。因此，电源与地尽量应该靠近走线!而信号线之间则应该尽量避免并行走线，降低信号之间的互感效应。

任何电子产品，从几个零件构成的整流器到成千上万个零部件组成的计算机系统，都是由基本的电子元件器件和功能构成，按电路工作原理，用一定的工艺方法连接而成。虽然连接方法有多种（例如、绕接、压接、粘接等）但使用最广泛的方法是锡焊。 1 ．手工焊接的工具 （ 1 ）电烙铁 （ 2 ）铬铁架

图1 2 ． 锡焊的条件 为了提高焊接质量，必须注意掌握锡焊的条件： 被焊件必须具备可焊性；被焊金属表面应保持清洁；使用合适的助焊剂；具有适当的焊接温度；具有合适的焊接时间。 焊接与助焊剂 1 ．焊接材料 凡是用来熔合两种或两种以上的金属面，使之成为一个整体的金属或合金都叫焊料。这里所说的焊料只针对锡焊所用焊料。 常用锡焊材料： 管状焊锡丝 、抗氧化焊锡、含银的焊锡、焊膏 2 ．助焊剂的选用 在焊接过程中，由于金属在加热的情况下会产生一薄层氧化膜，这将阻碍焊锡的浸润，影响焊接点合金的形成，容易出现虚焊、假焊现象。使用助焊剂可改善焊接性能。助焊剂有松香、松香溶液、焊膏焊油等，可根据不同的焊接对象合理选用。焊膏焊油等具有一定的腐蚀性，不可用于焊接电子元器件和电路板，焊接完毕应将焊接处残留的焊膏焊油等擦拭干净。元器件引脚镀锡时应选用松香作助焊剂。印制电路板上已涂有松香溶液的，元器件焊入时不必再用助焊剂。手工焊接的注意事项 手工锡焊接技术是一项基本功，就是在大规模生产的情况下，维护和维修也必须使用手工焊接。因此，必须通过学习和实践操作练习才能熟练掌握。注意事项如下： 1. 手握铬铁的姿势掌握正确的操作姿势，可以保证操作者的身心健康，减轻劳动伤害。为减少焊剂加热时挥发出的化学物质对人的危害，减少有害气体的吸入量，一般情况下，烙铁到鼻子的距离应该不少于 20cm ，通常以 30cm 为宜。 电烙铁有三种握法，如图2 所示。

图2 握电烙铁的手法示意 反握法的动作稳定，长时间操作不易疲劳，适于大功率烙铁的操作；正握法适于中功率烙铁或带弯头电烙铁的操作；一般在操作台上焊接印制板等焊件时，多采用握笔法。 2. 焊锡丝一般有两种拿法，如图3 所示。由于焊锡丝中含有一定比例的铅，而铅是对人体有害的一种重金属，因此操作时应该戴手套或在操作后洗手，避免食入铅尘。

图3 焊锡丝的拿法 3. 电烙铁使用以后，一定要稳妥地插放在烙铁架上，并注意导线等其他杂物不要碰到烙铁头，以免烫伤导线，造成漏电等事故。 “手工焊接操作的基本步骤 掌握好电烙铁的温度和焊接时间，选择恰当的烙铁头和焊点的接触位置，才可能得到良好的焊点。正确的手工焊接操作过程可以分成五个步骤，如图所示。

图4 手工焊接步骤 1 ．基本操作步骤 ⑴ 步骤一：准备施焊（图 (a) ） 左手拿焊丝，右手握烙铁，进入备焊状态。要求烙铁头保持干净，无焊渣等氧化物，并在表面镀有一层焊锡。 ⑵ 步骤二：加热焊件（图 (b) ） 烙铁头靠在两焊件的连接处，加热整个焊件全体，时间大约为 1 ～ 2 秒钟。对于在印制板上焊接元器件来说，要注意使烙铁头同时接触两个被焊接物。例如，图 (b) 中的导线与接线柱、元器件引线与焊盘要同时均匀受热。 ⑶ 步骤三：送入焊丝（图 (c) ） 焊件的焊接面被加热到一定温度时，焊锡丝从烙铁对面接触焊件。注意：不要把焊锡丝送到烙铁头上！ ⑷ 步骤四：移开焊丝（图 (d) ） 当焊丝熔化一定量后，立即向左上 45° 方向移开焊丝。 ⑸ 步骤五：移开烙铁（图 (e) ） 焊锡浸润焊盘和焊件的施焊部位以后，向右上 45° 方向移开烙铁，结束焊接。从第三步开始到第五步结束，时间大约也是 1 至 2s 。 2 ．锡焊三步操作法 对于热容量小的焊件，例如印制板上较细导线的连接，可以简化为三步操作。 准备：同以上步骤一； 加热与送丝：烙铁头放在焊件上后即放入焊丝。 去丝移烙铁：焊锡在焊接面上浸润扩散达到预期范围后，立即拿开焊丝并移开烙铁，并注意移去焊丝的时间不得滞后于移开烙铁的时间。 对于吸收低热量的焊件而言，上述整个过程的时间不过 2 至 4s ，各步骤的节奏控制，顺序的准确掌握，动作的熟练协调，都是要通过大量实践并用心体会才能解决的问题。有人总结出了在五步骤操作法中用数秒的办法控制时间：烙铁接触焊点后数一、二（约 2s ），送入焊丝后数三、四，移开烙铁，焊丝熔化量要靠观察决定。此办法可以参考，但由于烙铁功率、焊点热容量的差别等因素，实际掌握焊接火候并无定章可循，必须具体条件具体对待。试想，对于一个热容量较大的焊点，若使用功率较小的烙铁焊接时，在上述时间内，可能加热温度还不能使焊锡熔化，焊接就无从谈起。手工焊接操作的具体手法 在保证得到优质焊点的目标下，具体的焊接操作手法可以有所不同，但下面这些前人总结的方法，对初学者的指导作用是不可忽略的。 保持烙铁头的清洁 焊接时，烙铁头长期处于高温状态，又接触助焊剂等弱酸性物质，其表面很容易氧化腐蚀并沾上一层黑色杂质。这些杂质形成隔热层，妨碍了烙铁头与焊件之间的热传导。因此，要注意用一块湿布或湿的木质纤维海绵随时擦拭烙铁头。对于普通烙铁头，在腐蚀污染严重时可以使用锉刀修去表面氧化层。对于长寿命烙铁头，就绝对不能使用这种方法了。 靠增加接触面积来加快传热 加热时，应该让焊件上需要焊锡浸润的各部分均匀受热，而不是仅仅加热焊件的一部分，更不要采用烙铁对焊件增加压力的办法，以免造成损坏或不易觉察的隐患。有些初学者用烙铁头对焊接面施加压力，企图加快焊接，这是不对的。正确的方法是，要根据焊件的形状选用不同的烙铁头，或者自己修整烙铁头，让烙铁头与焊件形成面的接触而不是点或线的接触。这样，就能大大提高传热效率。 加热要靠焊锡桥 在非流水线作业中，焊接的焊点形状是多种多样的，不大可能不断更换烙铁头。要提高加热的效率，需要有进行热量传递的焊锡桥。所谓焊锡桥，就是靠烙铁头上保留少量焊锡，作为加热时烙铁头与焊件之间传热的桥梁。由于金属熔液的导热效率远远高于空气，使焊件很快就被加热到焊接温度。应该注意，作为焊锡桥的锡量不可保留过多，不仅因为长时间存留在烙铁头上的焊料处于过热状态，实际已经降低了质量，还可能造成焊点之间误连短路。 烙铁撤离有讲究 烙铁的撤离要及时，而且撤离时的角度和方向与焊点的形成有关。如图所示为烙铁不同的撤离方向对焊点锡量的影响。

图5 烙铁撤离方向和焊点锡量的关系 在焊锡凝固之前不能动 切勿使焊件移动或受到振动，特别是用镊子夹住焊件时，一定要等焊锡凝固后再移走镊子，否则极易造成焊点结构疏松或虚焊。 焊锡用量要适中 手工焊接常使用的管状焊锡丝，内部已经装有由松香和活化剂制成的助焊剂。焊锡丝的直径有 0.5 、 0.8 、 1.0 、 … 、 5.0mm 等多种规格，要根据焊点的大小选用。一般，应使焊锡丝的直径略小于焊盘的直径。 如图所示，过量的焊锡不但无必要地消耗了焊锡，而且还增加焊接时间，降低工作速度。更为严重的是，过量的焊锡很容易造成不易觉察的短路故障。焊锡过少也不能形成牢固的结合，同样是不利的。特别是焊接印制板引出导线时，焊锡用量不足，极容易造成导线脱落。

图6 焊点锡量的掌握 焊剂用量要适中 适量的助焊剂对焊接非常有利。过量使用松香焊剂，焊接以后势必需要擦除多余的焊剂，并且延长了加热时间，降低了工作效率。当加热时间不足时，又容易形成“夹渣”的缺陷。焊接开关、接插件的时候，过量的焊剂容易流到触点上，会造成接触不良。合适的焊剂量，应该是松香水仅能浸湿将要形成焊点的部位，不会透过印制板上的通孔流走。对使用松香芯焊丝的焊接来说，基本上不需要再涂助焊剂。目前，印制板生产厂在电路板出厂前大多进行过松香水喷涂处理，无需再加助焊剂。 不要使用烙铁头作为运送焊锡的工具 有人习惯到焊接面上进行焊接，结果造成焊料的氧化。因为烙铁尖的温度一般都在 300 ℃ 以上，焊锡丝中的助焊剂在高温时容易分解失效，焊锡也处于过热的低质量状态。特别应该指出的是，在一些陈旧的书刊中还介绍过用烙铁头运送焊锡的方法，请读者注意鉴别。焊点质量及检查 对焊点的质量要求，应该包括电气接触良好、机械结合牢固和美观三个方面。保证焊点质量最重要的一点，就是必须避免虚焊。 1 ．虚焊产生的原因及其危害 虚焊主要是由待焊金属表面的氧化物和污垢造成的，它使焊点成为有接触电阻的连接状态，导致电路工作不正常，出现连接时好时坏的不稳定现象，噪声增加而没有规律性，给电路的调试、使用和维护带来重大隐患。此外，也有一部分虚焊点在电路开始工作的一段较长时间内，保持接触尚好，因此不容易发现。但在温度、湿度和振动等环境条件的作用下，接触表面逐步被氧化，接触慢慢地变得不完全起来。 虚焊点的接触电阻会引起局部发热，局部温度升高又促使不完全接触的焊点情况进一步恶化，最终甚至使焊点脱落，电路完全不能正常工作。这一过程有时可长达一、二年，其原理可以用“原电池”的概念来解释：当焊点受潮使水汽渗入间隙后，水分子溶解金属氧化物和污垢形成电解液，虚焊点两侧的铜和铅锡焊料相当于原电池的两个电极，铅锡焊料失去电子被氧化，铜材获得电子被还原。在这样的原电池结构中，虚焊点内发生金属损耗性腐蚀，局部温度升高加剧了化学反应，机械振动让其中的间隙不断扩大，直到恶性循环使虚焊点最终形成断路。 据统计数字表明，在电子整机产品的故障中，有将近一半是由于焊接不良引起的。然而，要从一台有成千上万个焊点的电子设备里，找出引起故障的虚焊点来，实在不是容易的事。所以，虚焊是电路可靠性的重大隐患，必须严格避免。进行手工焊接操作的时候，尤其要加以注意。 一般来说，造成虚焊的主要原因是：焊锡质量差；助焊剂的还原性不良或用量不够；被焊接处表面未预先清洁好，镀锡不牢；烙铁头的温度过高或过低，表面有氧化层；焊接时间掌握不好，太长或太短；焊接中焊锡尚未凝固时，焊接元件松动。 2 ．对焊点的要求 可靠的电气连接、足够的机械强度、光洁整齐的外观。 3 ．典型焊点的形成及其外观 在单面和双面（多层）印制电路板上，焊点的形成是有区别的：见图，在单面板上，焊点仅形成在焊接面的焊盘上方；但在双面板或多层板上，熔融的焊料不仅浸润焊盘上方，还由于毛细作用，渗透到金属化孔内，焊点形成的区域包括焊接面的焊盘上方、金属化孔内和元件面上的部分焊盘，如图所示。图7 焊点的形成 从外表直观看典型焊点，对它的要求是： 1. 形状为近似圆锥而表面稍微凹陷，呈漫坡状，以焊接导线为中心，对称成裙形展开。虚焊点的表面往往向外凸出，可以鉴别出来。 2. 焊点上，焊料的连接面呈凹形自然过渡，焊锡和焊件的交界处平滑，接触角尽可能小。 3. 表面平滑，有金属光泽；无裂纹、针孔、夹渣。