2.2 印制电路板的设计

印制电路板的电路设计是将电路原理图转换成印制电路板图的过程。通常有两种设计方法，一种是人工设计，另一种是计算机辅助设计，简单不需要批量生产的印制电路板可采用人工设计的方法。

印制电路板的电路设计时，需要考虑电路的复杂程度、元器件的外形和重量、工作电流的大小、电路电压的高低等，以便选择合适的基板材料并确定印制电路板的类型，在设计印制导线的走向时，还要考虑到电路的工作频率，尽量减少导线间的分布电容和分布电感等。

2.2.1 印制电路板的设计原则

为了使电路获得最佳性能，印制电路板设计时，应遵循以下几方面的原则。

1.元器件布局原则

元器件布局时，首先要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时，印制线路长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后，再确定特殊元器件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。

（1）确定特殊元器件的位置

1）在板面上的元器件应按照电路原理图的顺序尽量成直线排列，力求电路安装紧凑和密集，以缩短引线，减少分布电容，尽可能缩短高频元器件之间的连线，减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。

2）某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引起意外短路。带强电的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。

3）重量超过15g的元器件用支架加以固定，然后焊接。体积大而重、发热量多的元器件不宜装在印制电路板上，而应装在整机的机箱底板上，并考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。

4）电位器、可调电感线圈、可变电容器和微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制电路板上方便于调节的地方；若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。

5）应留出印制电路板的定位孔和固定支架所占用的位置。

（2）根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局

1）按照电路信号流程来安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。如果电路要求必须将整个电路分成几块进行安装，则应使每一块装配好的印制电路板成为具有独立功能的电路，以便于单独进行调试和维护。

2）以每个功能电路的核心元器件为中心，围绕它来进行布局。元器件要均匀、整齐和紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。

3）在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且焊接容易，易于批量生产。

4）位于印制电路板边缘的元器件，离印制电路板边缘一般不小于2mm。印制电路板的最佳形状为矩形，长宽比为3∶2或4∶3。印制电路板面尺寸大于200mm×150mm时，应考虑印制电路板所受的机械强度。

2.布线原则

（1）地线的布设

1）一般将公共地线布置在印制电路板的边缘，便于将印制电路板安装在机架上，也便于与机架地相连接。导线与印制电路板的边缘应留有一定的距离（不小于板厚），便于安装导轨和进行机械加工，还能提高电路的绝缘性能。

2）在各级电路的内部，应防止因局部电流而产生的地阻抗干扰，采用一点接地是最好的办法。但在实际布线时并不一定能绝对做到，而是尽量使它们安排在一个公共区域之内。

3）当电路工作频率在30MHz以上或是工作在高速开关的数字电路中，为了减少地阻抗，常采用大面积覆盖地线，这时各级的内部元件接地也应贯彻一点接地的原则，即在一个小的区域内接地。

（2）输入、输出端导线的布设

为了减小导线间的寄生耦合，在布线时要按照信号的流通顺序进行排列，电路的输入端和输出端应尽可能远离，输入端和输出端之间最好用地线隔开。在图2-1a中，由于输入端和输出端靠得过近且输出导线过长，将会产生寄生耦合，图2-1b的布局就比较合理。

（3）高频电路导线的布设

对于高频电路必须保证高频导线、晶体管各电极的引线、输入和输出线短而直，若线间距离较小要避免导线相互平行。高频电路应避免用外接导线跨接，若需要交叉的导线较多，最好采用双面印制电路板，将交叉的导线印制在板的两面，这样可使连接导线短而直，在双面板两面的印制线应避免互相平行，以减小导线间的寄生耦合，最好成垂直布置或斜交，如图2-2所示。

（4）印制电路板的对外连接

印制电路板对外的连接有多种形式，可根据整机结构要求而确定。一般采用以下两种方法。

1）用导线互连。将需要对外进行连接的接点，先用印制导线引到印制电路板的一端，导线应从被焊点的背面穿入焊接孔，如图2-3所示。

对于电路有特殊需要如连接高频高压外导线时，应在合适的位置引出，不应与其他导线一起走线，以避免相互干扰，图2-4所示为高频屏蔽导线的外接方法。

2）用印制电路板接插式互连。图2-5所示为印制电路板接插的簧片式互连，将印制电路板的一端制成插头形状，以便插入有接触簧片的插座中去。图2-6所示是采用针孔式插头与插座的连接，在针孔式插头的两边设有固定孔与印制电路板固定，在插头上有90 °的弯针，其一端与印制电路板接点焊接，另一端可插入插座内。

2.2.2 印制导线的尺寸和图形

设计印制电路板时，当元器件布局和布线初步确定后，就要具体地设计与绘制印制电路图形。将会遇到确定印制导线宽度、导线间距和图形的格式等问题，印制电路的设计尺寸和图形格式关系到印制电路板的总尺寸和电路性能，不能随便选择，应遵循以下原则。

1.印制导线的宽度

一般情况下，印制导线应尽可能宽一些，这有利于承受电流和制造方便。建议导线宽度优先采用0.5mm、1.0mm、1.5mm和2.0mm。

印制导线具有一定的电阻，通过电流时将产生热量和电压降。通过导线的电流越大，温度越高。导线长期受热后，铜箔会因粘贴强度降低而脱落。因此，要控制工作温度就要控制导线的电流。一般可采用导线的最大电流密度不超过20A/mm²。

0.05mm厚的导线宽度与允许电流量、电阻的关系见表2-1。

2.印制导线的间距

导线间距与焊接工艺有关，采用浸焊或波峰焊时，间距要大些，手工焊间距可小些。一般情况下，建议导线间距等于导线宽度，最小导线间距应不小0.4mm。

在高压电路中，相邻导线间存在着高电位梯度，必须考虑其影响，印制导线间的击穿将导致基板表面炭化、腐蚀和破裂。在高频电路中，导线间距将影响分布电容的大小，从而影响着电路的损耗和稳定性。因此导线间距的选择应根据基板材料、工作环境和分布电容大小等因素来确定。最小导线间距还同印制板的加工方法有关，选用时应综合考虑。

3.印制导线的形状

印制导线的形状可分为平直均匀形、斜线均匀形、曲线均匀形和曲线非均匀形，如图2-7所示。

印制导线的图形除要考虑机械因素、电气因素外，还要考虑美观大方。所以在设计印制导线的形状时，应遵循图2-8所示的原则。具体原则如下所述。

① 同一印制电路板的导线宽度（除地线外）最好一样。

② 印制导线应走向平直，不应有急剧的弯曲和出现尖角，所有弯曲与过渡部分均须用圆弧连接。

③ 印制导线应尽可能避免有分支，如必须有分支，分支处应圆滑。

④ 印制导线尽避免长距离平行，对双面布设的印制线不能平行，应交叉布设。

⑤ 如果印制电路板面需要有大面积的铜箔，例如电路中的接地部分，则整个区域应镂空成栅状，见图2-9。这样在浸焊时能迅速加热，并保证涂锡均匀。此外还能防止板受热变形，防止铜箔翘起和剥脱。

⑥ 当导线宽度超过3mm时，最好在导线中间开槽成两根并行的连接线，见图2-10。

4.印制焊盘

焊盘是指印制导线在焊接孔周围的金属部分，连接盘的尺寸取决于焊接孔的尺寸。焊接孔是指固定元器件引线或跨接线贯穿基板的孔。显然，焊接孔的直径应该稍大于焊接元器件的引线直径。连接盘的直径D应大于焊接孔内径d，一般取D=（2～3）d，如图2-11所示。

连接盘的形状有不同选择，圆形连接盘用得最多，因为圆焊盘在焊接时，焊锡将自然堆焊成光滑的圆锥形，结合牢固、美观。但有时，为了增加连接盘的黏附强度，也采用正方形、椭圆形和长圆形连接盘。连接盘的常用形状如图2-12所示。

若焊盘与焊盘间的连线合为一体，如水上小岛，故称为岛形焊盘，如图2-13所示。岛形焊盘常用于元器件的不规则排列中，有利于元器件的密集和固定，并可大量减少印制导线的长度与数量。此外，焊盘与印制导线合为一体后，铜箔面积加大，使焊盘和印制线的抗剥离强度大大增加。岛形焊盘多用在高频电路中，它可以减少接点和印制导线的电感，增大地线的屏蔽面积，减少接点间的寄生耦合。

2.2.3 印制电路板电路的干扰及抑制

干扰现象在整机调试中经常出现，其原因是多方面的。不仅有外界因素造成的干扰（如电磁波），而且印制电路板绝缘基板的选择、布线不合理和元器件布局不当等都可能造成干扰，这些干扰在电路设计和PCB设计中如果予以重视，则可避免。相反，如果不在设计中考虑，便会出现干扰，使设计失败。

1.电源干扰及抑制

任何电子产品都需要供电，并且绝大多数直流电源是由交流电源通过变压、整流和稳压后供电的。供电电源的整流、滤波效果会直接影响整机的技术指标。如果电源电路的工艺布线和印制电路板设计不合理都会产生干扰，这里主要包含交流电源的干扰和直流电源电路产生的电场对其他电路造成的干扰。所以印制电路布线时，交直流回路不能彼此相连，电源线不要平行大环线走线；电源线与信号线不要靠得太近，并避免平行等。

2.热干扰及抑制

元器件在工作中都有一定程度的发热，尤其是功率较大的器件所发出的热量会对周边温度比较敏感的器件产生干扰，若热干扰得不到很好的抑制，那么整个电路的电性能就会发生变化。为了对热干扰进行抑制，可采取以下措施。

（1）发热元器件的放置

不要贴板放置，可以移到机壳之外，也可以单独设计为一个功能单元，放在靠近边缘容易散热的地方。比如微型计算机电源、贴于机壳外的功放管等。另外，发热量大的器件与小热量的器件应分开放置。

（2）大功率元器件的放置

应尽量靠近印制电路板边缘布置，在垂直方向时应尽量布置在印制电路板上方。

（3）温度敏感元器件的放置

对温度比较敏感的元器件应安置在温度最低的区域，千万不要将它放在发热元器件的正上方。

（4）元器件的排列与气流

非特定要求，一般设备内部均以空气自由对流进行散热，故元器件应以纵式排列；若强制散热，元器件可横式排列。另外，为了改善散热效果，可添加与电路原理无关的零部件以引导热量对流。元器件的排列与气流关系如图2-14所示。

3.共阻抗干扰及抑制

共阻干扰是由PCB上大量的地线造成。当两个或两个以上的回路共用一段地线时，不同的回路电流在共用地线上产生一定压降，此压降经放大就会影响电路性能；当电流频率很高时，会产生很大的感抗而使电路受到干扰。为了抑制共阻抗干扰，可采用如下措施。

（1）一点接地

使同级单元电路的几个接地点尽量集中，以避免其他回路的交流信号窜入本级，或本级中的交流信号窜入其他回路中去。适应于信号频率小于1MHz的低频电路，如果信号频率为1～10MHz，而采用一点接地时，其地线长度应不超过波长的1/20。总之，一点接地是消除地线共阻抗干扰的基本原则。

（2）就近多点接地

PCB上有大量公共地线分布在板的边缘，且呈现半封闭回路（防磁场干扰）各级电路采取就近接地，以防地线太长，适用于信号频率大于10MHz的高频电路。

（3）汇流排接地

汇流排是由铜箔板镀银而成，PCB上所有集成电路的地线都接到汇流排上。汇流排具有条形对称传输线的低阻抗特性，在高速电路里，可提高信号传输速度，减少干扰。汇流排接地示意图如图2-15所示。

（4）大面积接地

在高频电路中将PCB上所有不用面积均布设为地线，以减少地线中的感抗，从而削弱在地线上产生的高频信号，并对电场干扰起到屏蔽作用。

（5）加粗接地线

若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏，其宽度至少应大于3mm。

（6）D/A（数/模）电路的地线分开

两种电路的地线各自独立，然后分别与电源端地线相连，以抑制它们相互干扰。

4.电磁干扰及抑制

电磁干扰是由电磁效应而造成的干扰，由于PCB上的元器件及布线越来越密集，如果设计不当就会产生电磁干扰。为了抑制电磁干扰，可采取如下措施。

（1）合理布设导线

印制线应远离干扰源且不能切割磁力线；避免平行走线，双面板可以交叉通过，单面板可以通过“飞线”跨过；避免成环，防止产生环形天线效应；时钟信号布线应与地线靠近，对于数据总线的布线应在每两根之间夹一根地线或紧挨着地址引线放置；为了抑制出现在印制导线终端的反射干扰，可在传输线的末端对地和电源端各加接一个相同阻值的匹配电阻。

（2）采用屏蔽措施

可设置大面积的屏蔽地线和专用屏蔽线以屏蔽弱信号不受干扰，屏蔽线防止电磁干扰。

（3）去耦电容的配置

在直流供电电路中，负载的变化会引起电源噪声并通过电源及配线对电路产生干扰。为抑制这种干扰，可在单元电路的供电端接一个10～100μF的电解电容器；可在集成电路的供电端配置一个680pF～0.1μF的陶瓷电容器或4～10个芯片配置一个l～10μF的电解电容器；对ROM、RAM等芯片应在电源线（U_CC ）和地线（GND）间直接接入去耦电容等。

2.2.4 印制电路板的设计步骤和方法

1.印制电路板材料选择

印制电路板的材料选择要考虑电气、机械特性以及价格、制造成本等因素。电气特性是指基材的绝缘电阻、抗电弧性、印制导线电阻、击穿强度、抗剪强度和硬度。机械特性是指基材的吸水性、热膨胀系数、耐热性、抗挠曲强度、抗冲击强度、抗剪强度和硬度。

酚醛纸基层压板的机械强度低，易吸水及耐高温性能较差，表面绝缘电阻较低，但价格便宜。一般适用于民用电子产品。环氧酚醛玻璃布层压板的电气及机械性能好，耐化学溶剂，耐高温、耐潮湿，表面绝缘电阻高，但价格较贵。一般适用于仪器、仪表及军用电子产品。以上两种基材均可制成单面的、双面的或多层的、阻燃型的或是可燃型的印制电路板。可根据电路的要求选用。

2.印制电路板的厚度

印制电路板厚度的确定，主要是考虑对印制电路板上元器件重量的承受能力和使用中承受机械负荷的能力。如果只在印制电路板上装配集成电路、小功率晶体管、电阻和电容等小功率元器件，在没有较强的负荷振动条件下，使用厚度为1.5mm（尺寸在500mm×500mm之内）的印制电路板即可。如果板面较大或支撑强度不够，应选择2～2.5mm厚的板。印制电路板的厚度已标准化，其尺寸为1.0、1.5、2.0和2.5mm几种，最常用的是1.5mm和2.0mm。

对于尺寸很小的印制电路板如计算器、电子表等，为了减小重量和降低成本，可选用更薄一些的敷铜箔层压板来制作。对于多层印制电路板的厚度也要根据电路的电气性能和结构要求来决定。

3.印制电路板形状和尺寸的确定

印制电路板的尺寸与印制电路板的加工和装配有密切关系，从装配工艺的角度考虑：一方面是便于自动化组装，使设备的性能得到充分利用，能使用通用化、标准化的工具和夹具，另一方面是便于将印制电路板组装成不同规格的产品，安装方便，固定可靠。

印制电路板的外形应尽量简单，一般为长方形，应尽量避免采用异形板。印制电路板的尺寸应尽量靠近标准系列的尺寸，以便简化工艺，降低加工成本。

4.印制电路板坐标尺寸图的设计

用手工绘制PCB图时，可借助于坐标纸上的方格正确地表达在印制电路板上元器件的坐标位置。在设计和绘制坐标尺寸图时，应根据电路图并考虑元器件布局和布线的要求。

典型元器件是全部安装元器件中在几何尺寸上具有代表性的元器件，它是布置元器件时的基本单元。估算一下典型元器件的尺寸和其他大元器件尺寸相当于典型元器件的倍数（即一个大元器件在几何尺寸上相当于几个典型元器件），将它们尺寸加在一起，就可以算出整个印制电路板需要多大尺寸。

阻容元器件、晶体管等应尽量使用标准跨距，以适应元器件引线的自动成型。各元器件的安装孔的圆心必须设置于坐标格的交点上。

5.根据电原理图绘制印制排版连线图

排版连线图是用简单线条表示印制导线的走向和元器件的连接，在排版连线图中应尽量避免导线的交叉，但可以在元器件处交叉。在印制电路板几何尺寸已确定的情况下，从排版连线图中可以看出元器件的基本位置，当然，当电路比较简单时，也可以不画排版连线图，而直接画排版设计草图。

排版设计草图一般应用方格纸绘制，所用比例一般选用2∶1或4∶1。首先，根据已给的印制电路板尺寸及各安装孔尺寸画出印制制板的外轮廓。然后查元器件手册（或测量实物），确定有关元器件的尺寸及跨距。在具体绘制时，可将各元器件剪成纸型，放置在方格纸上以确定其位置，也可应用绘图模板来绘制。再根据排版连线图上元器件大体位置及其连线方向，精确布置元器件及孔的位置（最好放在坐标格的交点上），并用单线画出印制导线的走向。