电路板工作原理及图解

电路板工作原理及图解

PCB板是印刷的电路板板，其上放置电子元件并具有布线。通过印刷在镀铜基板上印制防腐线，线蚀刻、冲洗掉。电路板的工作原理相信大家都很好理解：利用基板的绝缘材料隔离表面铜箔的导电层，使电流可以沿着设计好的路线在各个元器件中传播进，从而实现工作、放大、衰减、调制、解调、编码等功能。

一、电容相关知识：

铝电解电容器容量大，额定电压高，但对工作温度环境适应性差，适用于低频滤波场合；

钽电容温度特性好，ESR和ESL小，高频滤波特性好，但抗浪涌电流能力不好，设计时一般降额50%以上使用；

陶瓷电容具有体积小、价格低、稳定性好等优点。广泛用于电源的高频滤波，电容较小。当需要大容量电容器时，需要考虑其他类型的电容器。

电容的去耦存在去耦半径的问题：电容和封装越小，去耦半径越小。PCB布局中，为保证小封装和小电容对电源的有效去耦，电容应尽可能靠近去耦电源管脚放置；电容值和封装越大，去耦半径越大，可以在更大的面积上对电源进行有效去耦。在布局大封装、大值的去耦电容时，可以同时控制多个电源管脚的去耦。

2、电感相关知识：

电感在电路设计中的特性主要有：滤除高频谐波，通直流阻交流；阻碍电流的变化，保持器件工作电流的稳定性。

选择电感时需要检查的电感参数包括电感值、直流电阻、额定电流和自谐振频率（Q值最大的频率）

一般电感值越大，对应的直流电阻也越大；电感值越大，对应的谐振频率越小；电感值越大，对应的额定电流越小。

3、磁珠知识：

磁珠专门用于抑制信号线和电源线上的高频噪声和尖峰干扰，同时还具有吸收静电脉冲的能力。

在转折点频率以下，磁珠呈感性，反射噪声；在转折点频率以上，磁珠呈阻性，磁珠吸收噪声并将其转化为热能。

电感和磁珠的区别：

(1)处理噪声的方式不同。电感和电容组成LC低通滤波电路。电容器在电感器和地之间建立一条低阻抗路径，允许高频噪声通过低阻抗路径将噪声引导至地平面。在LC低通滤波电路中，电感在处理噪声时，并没有从根本上去除噪声；磁珠对噪声的处理方式是，在低频时，磁珠是感性的，反射噪声，而在高频时，电阻特性是主要特性，磁珠中的电阻吸收高频噪声并将其转换转化为热能，可从根本上消除噪音。

（二）是否自行产生有害影响。电感和电容组成LC滤波电路时，由于LC是储能元件，两者可能产生自激，对电路造成影响；而磁珠是耗能元件，不会自激，不会影响电路。带来噪音的效果。

(3)滤波的频率范围不同。当电感在低频段不超过50MHz时，具有较好的滤波特性。频率较高时，滤波效果不好；而磁珠利用其电阻特性吸收高频噪声，滤除频率范围远大于磁珠。

(4)装置的直流压降不同。电感和磁珠都有直流电阻。同级别的滤波器，磁珠的直流电阻比电感小，磁珠的压降也比同级别的电感小。

4.静电放电

设计PCB时，应考虑ESD防护，走线应遵循水平和垂直走线方向，在空间允许的情况下走线尽量粗；不要在PCB的边缘布置对噪声敏感的信号，如时钟信号、复位信号等；当PCB由多层组成时，敏感走线应尽可能有良好的参考地平面；对于滤波器、光耦合器、弱信号走线等，应尽可能增加走线间距；远距离迹线需要过滤；根据对ESD的防护，应适当增加屏蔽罩。

ESD接口和保护可以遵循以下设计规则：

(1)一般电源防雷元器件的排列顺序为压敏电阻、保险丝、抑制二极管、EMI滤波器、电感或共模电感。原理图中缺少上述任何一个元件的，将顺延布局。

(2)一般接口信号保护器件的排列顺序为ESD(TVS管)、隔离变压器、共模电感、电容、电阻。原理图中缺少上述任何一种器件的，将顺延布局。

(3)严格按照示意图顺序“一线”布置

(4) 电平转换芯片应靠近连接器放置。

(5) 易受ESD干扰的器件，如NMOS、CMOS器件，判断是否尽可能远离易受ESD干扰的区域（如单板边缘）。

(6) 浪涌抑制器件（TVS管、压敏电阻）对应的信号线应短而表面粗（一般距离10mil以上）

(7) 不同接口之间的布线要清晰，不能相互交叉。接口线与连接的保护滤波装置之间的距离应尽可能短。接口线必须经过保护或滤波装置，然后到信号接收芯片。

(8) 接口装置的固定孔应接保护地，与外壳连接的定位孔和扳手应直接接信号地。

(9)变压器、光耦合器等器件的输入、输出信号地应分开。

5.PCB散热处理

一些发热量大的器件一般都有专用的散热垫，散热垫上要适当加过孔。

6. PCB板框

无论是布局、布线还是在内平面上镀铜，都必须相对于板框退缩一定的距离。缩孔的大小可根据设计要求选择。如无特殊说明，贴铜时，相应的板框应缩回0.5。mm会做的。

对于四层板设计，如果中间两层是电源层和地层，设置压痕以减少电磁辐射。

在实际的PCB设计中，主要有两种走线模型：微带线和带状线。微带线是走在电路板顶层或底层的信号线，带状线是走在电路板内层的信号线。

蛇形线会破坏信号质量和改变传输延迟，所以布线时尽量避免使用。但是在实际设计中，为了保证信号有足够的保持时间，或者为了减少同一组信号之间的时间偏移，往往需要刻意进行绕线。信号在蛇形线上传输时，平行线段之间会发生耦合，耦合形式为差模。S 越小，Lp 越大，耦合度越大，这可能会导致传输延迟的降低，并且由于 会大大降低信号质量。

处理蛇形线时的几点建议：

(1)尽量增大平行线段的距离(S)，至少要大于3H，其中H是指信号走线到参考平面的距离。通俗地说，就是绕一个大弯走。只要S足够大，几乎可以完全避免互耦合效应。

(2) 减小耦合长度Lp。当双Lp延迟接近或超过信号上升时间时，产生的串扰将达到饱和。

(3) 带状线或埋地微带线的蛇形线造成的信号传输延迟比微带线小。理论上，带状线不会因差模串扰而影响传输速率。

(4)对于速度高、时序要求严格的信号线，尽量不要走蛇形线，尤其是在小范围内。

(5) 在空间允许的情况下，可采用任意角度的蛇形布线，可有效降低相互耦合。

(6) 在高速PCB设计中，蛇形线没有所谓的滤波或抗干扰能力，可能只会降低信号质量，所以只用于时序匹配，没有其他作用目的

(7) 有时可以考虑螺旋走线进行绕线，仿真表明其效果优于普通蛇形走线。

(8)蛇形线转角采用45°转角或圆角。

在最基本的 PCB电路板 上，零件基本上分组在一侧，电线分组在另一侧。此 PCB 被称为单面板，因为电线仅存在于一侧。多层板，其中多层有导线，两层之间必须有正确的电路连接。电路之间的桥称为过孔。电路板 的基本设计过程可以分为以下四个步骤：

(1)电路原理图设计---电路原理图设计主要是利用原理图编辑器绘制原理图。

(2) 生成网络报告——网络报告：显示电路原理和电路中各元件的连接关系。它是原理图设计和电路板设计之间的桥梁和纽带。通过电路原理图的网络报告，可以快速找到元件之间的连接，为以后的PCB设计提供方便。

(3)印刷电路板设计---印刷电路板设计就是我们通常所说的PCB设计，是电路原理图转化的最终形式。该设计比电路原理图的设计难度更大。我们可以借助强大的设计功能来完成这部分的设计。

(4)生成打印的电路板报告——打印电路板设计完成后，还有最后一个过程要完成，就是生成报告：电路板信息报告，生成管脚报告、网络状态报告等，最后印刷电路图。

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