PCB LAYOUT规范
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拟 制： |
XXX |
日 期： |
200X-04-18 |
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审 核： |
—- |
日 期： |
—- |
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批 准： |
XXX |
日 期： |
200X-04-18 |
变 更 记 录
**00版之前的版次以0A,0B,0C…表示，00版后之版次以00A,00B,00C…表示**
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项次 |
版次 |
变更内容 |
制定 |
制定日期 |
生效日期 |
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1 |
0A |
初稿 |
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2?? |
00????? |
增加EMC的内容，修改安规的表格，更换半桥逆变的PCB Layout 案例????? |
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目录及索引
目的及内容： 4
安规 4
1.1 定义： 4
1.2 安规通则： 5
1.3.1 沿面距离： 5
1.3.2 空间距离： 6
1.3.4 高档机间距要求（高档机或欧洲机型需满足如下规定） 7
2 EMC及电气 7
2.1 定义： 7
2.2 Layout 之EMC及电气原则： 8
2.2.1 空间布局基本原则 8
2.2.2平面布局及走线基本原则 8
2.2.3 常用功率变换电路之EMC基本原则 20
2.2.4 控制电路之EMC基本原则 27
2.2.5 MCU电路之EMC基本原则 28
2.2.6字符的标示 29
3 PCB各要素物理特性及电气性能 29
3.1 布线的电气参数 29
3.2 各要素物理特性 29
4 附录：以下操作由硬件工程师负责 30
4.1. PCB LAYOUT中硬件工程师的工作开展 30
4.2.PCB LAYOUT 审查清单 30
目的及内容：
从安全规范/电磁兼容/电气三方面阐述PCB设计中须遵循的基本规范或原则，以确保PCB 布线原则上的合理性。
安规
定义：
9）加强绝缘：一种单一的绝缘结构，其所提供的防电击的保护等级相当于双重绝缘。
10) 附加绝缘：除基本绝缘以外施加的独立的绝缘，用以减小在基本绝缘一旦失效时仍能防止电击。
- 绝缘工作电压：当设备在其额定电压下并在正常使用的条件下工 作时，所考虑的绝缘上所承受到的或能够承受的最高电压。
12） A型可插式设备：预定要通过非工业用插头和插座，或通过电器连接器，或者通过这两者，与建筑物电源配线连接的设备。
安规通则：
注：如下为GB4943-2001 （等同IEC60950-1）在此上的规定，仅作参考，具体情况须取得LAYOUT、安规及客户的三方共识。不同污染等级所要求的最小电气间隙和爬电距离适用范围不同。一般认为，UPS设备属污染等级2范围，依从GB4943-2001（等同IEC60950-1）之条款，原则上应以此作为下限选择，但实际情况应以客户认可的规定为准。
[1] 对A型可插式设备而言，输入线路部分与其它线路(保护地线除外)间作基本绝缘,输入线路内部间作工作绝缘。
[2] 一次侧内部线路间作工作绝缘。
[3] 二次侧内部线路间作工作绝缘。
[4] 一次侧线路与安全特低电压电路间作加强绝缘。
[5]一次侧线路与二次侧线路（安全特低电压电路除外）间作基本绝缘。
[6] 保护地线与一次侧线路间作基本绝缘，保护地线与二次侧线路（安全特低电压电路除外）间作基本绝缘。
[7] 保护地线与安全特低电压电路间作工作绝缘。
[8]如板面限制而无法满足沿面距离时，应以开槽的方式改善，槽宽最小为1mm。
注意：确定基本绝缘和加强绝缘时，其绝缘工作电压应该取输入电源和线路实际工作电压的大者。
焊盘间的安规间距既要符合沿面距离的要求，又要符合空间距离的要求。
1.3.1 沿面距离：
表一 最小沿面距离
|
绝缘工作电压小于和等于V有效值或直流值 （V有效值） |
最小沿面距离（毫米） |
|
|
基本绝缘和工作绝缘 |
加强绝缘 |
|
|
10 |
0.4 |
0.8 |
|
12.5 |
0.42 |
0.8 |
|
20 |
0.45 |
0.9 |
|
32 |
0.53 |
1.1 |
|
40 |
1.1 |
2.2 |
|
50 |
1.2 |
2.4 |
|
100 |
1.4 |
2.8 |
|
125 |
1.5 |
3.0 |
|
150 |
1.6 |
3.2 |
|
200 |
2.0 |
4.0 |
|
250 |
2.5 |
5.0 |
|
300 |
3.2 |
6.4 |
|
400 |
4.0 |
8.0 |
|
600 |
6.3 |
12.6 |
|
1000 |
10.0 |
20.0 |
1.3.2 空间距离：
|
绝缘工作电压 小于和等于 |
最小空间距离（毫米） |
|||||||||||||||
|
额定电源电压 V≤150V |
额定电源电压 150V < V ≤300V |
额定电源电压 300V < V ≤600V |
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V峰值或直流值 V |
V有效值（正弦） V |
工作 绝缘 |
基本 绝缘 |
加强 绝缘 |
工作 绝缘 |
基本 绝缘 |
加强 绝缘 |
工作 绝缘 |
基本 绝缘 |
加强 绝缘 |
||||||
|
一次侧电路间或者一次侧与二次侧电路间 |
二次侧电路间 |
一次侧电路间或者一次侧与二次侧电路间 |
二次侧电路间 |
一次侧电路间或者一次侧与二次侧电路间 |
二次侧电路间 |
一次侧电路间或者一次侧与二次侧电路间 |
二次侧电路间 |
一次侧电路间或者一次侧与二次侧电路间 |
二次侧电路间 |
一次侧电路间或者一次侧与二次侧电路间 |
二次侧电路间 |
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71 |
50 |
0.4 |
0.4 |
1.0 |
0.7 |
2.0 |
1.0 |
0.7 |
2.0 |
1.0 |
4.0 |
2.0 |
1.7 |
3.2 |
2.0 |
6.4 |
|
140 |
100 |
— |
0.6 |
— |
0.7 |
— |
— |
0.7 |
— |
1.0 |
— |
— |
1.7 |
— |
2.0 |
— |
|
210 |
150 |
0.5 |
0.6 |
1.0 |
0.9 |
2.0 |
1.4 |
0.7 |
2.0 |
1.0 |
4.0 |
2.0 |
1.7 |
3.2 |
2.0 |
6.4 |
|
280 |
200 |
— |
1.1 |
— |
1.4 |
— |
— |
1.1 |
— |
1.4 |
— |
— |
1.7 |
— |
2.0 |
— |
|
420 |
300 |
1.5 |
1.6 |
2.0 |
1.9 |
4.0 |
1.5 |
1.6 |
2.0 |
1.9 |
4.0 |
2.5 |
1.7 |
3.2 |
2.0 |
6.4 |
|
700 |
500 |
— |
2.5 |
— |
2.5 |
— |
— |
2.5 |
— |
2.5 |
— |
— |
2.5 |
— |
2.5 |
— |
|
840 |
600 |
3.0 |
3.2 |
3.2 |
3.2 |
6.4 |
3.0 |
3.2 |
3.2 |
3.2 |
6.4 |
3.0 |
3.2 |
3.2 |
3.2 |
6.4 |
|
1400 |
1000 |
4.2 |
4.2 |
4.2 |
4.2 |
6.4 |
4.2 |
4.2 |
4.2 |
4.2 |
6.4 |
4.2 |
4.2 |
4.2 |
4.2 |
6.4 |
备注： 1.“—”的部分在标准上没有定义，可以采用插入法，求出最小空间距离。
2. 额定电源电压是指输入电源的输入电压有效值的最大电压，单相电源是指相电压，三相电源是指线电压。假如一次侧电路有隔离变压器，隔离变压器后的电路应以变压器的二次侧作为其输入电源。
3.按以上表格参数，当所查绝缘工作电压值对应的最小空间距离数值大于对应的最小沿面距离数值时，最小空间距离数值应以最小沿面距离数值作为考量值。
4.一次侧和二次侧之间如要采用加强绝缘时，一次侧元器件与二次侧元器件在承受10N±1N的恒定作用力后的空间距离须满足加强绝缘所要求的最小空间距离。
1.3.4 高档机间距要求（高档机或欧洲机型需满足如下规定）
如下附件是其依从IEC60950-1在其UPS上所规定的详细（供参考）
略
2 EMC及电气
2.1 定义：
① EMC(Electro Magnetic Compatibility)：电磁兼容性，指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。
② EMI(Electromagnetic Interference)：电磁干扰，指装置或系统正常工作过程中出现的不利于功能的信号，可能来自外界，也可能来自自身。
③ 单点接地：所有单元电路的地线都有连接到系统地的一个节点上。又分为并联单点接地及串联单点接地。
④ 多点接地：各单元电路的地线直接连接到系统地或地平面上，有多个节点接地。
⑤ 脏点区域：电路中dv/dt或di/dt较大而容易对其周围电路或空间产生干扰的区域。
2.2 Layout 之EMC及电气原则：
首先需要对所选用元器件及各种插座的规格、尺寸、面积等有完全的了解；对各部件的位置安排作合理、仔细的考虑；清楚了解电路各部分参数–包括各环路电流，线路电压、频率等；对电磁场兼容性、抗干扰性、电源、地的路径、去耦及安全规格的硬性规定等方面进行详细考虑。下面主要为LAYOUT在EMC及电气上基本规范。
2.2.1 空间布局基本原则
2.2.1.1 机构设计考量
包括PCB尺寸大小，高度等的限制，PCB固定位置，含有插座的PCB的位置等。确认PCB的机构限制条件,作为PCB layout及元器件选择和设计的标准以完成PCB 的外形轮廓。
2.2.1.2热流设计考量
*热性能参数与风向流动位置基本关系：耐热性及热性能差的器件（如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容及参数温漂教大的器件等）置于冷却气流的上游（入口处）；耐热性及热性能好的器件（如功率晶体管、大规模集成电路等）放在冷却气流下游；耐热性及热性能相当者，发热大或散热性差的元器件设计在冷却气流的上游，反之置于下游处。
*热源均衡原则：均衡布局，适当分散排列高发热元件以改善PCB半成品的散热性。
*散热通畅原则：在需要散热之处须确保空气的流畅性。
*温度独立原则：需要保持温度独立性如热敏电阻等器件须与无关的发热或散热器件保持适当距离，并与其所感应器件保持良好接触及最小温差。
*热敏感器件布置原则：电解电容及因温度会引起关键参数较大变化（包括寿命参数）的元器件，须远离大发热源并注意其有效散热性。
*PCB的散热： PCB板的散热主要依靠空气流动，而空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动，故在PCB Layout上配置器件时，要避免在某个区域留有较大的空域；用导热系数大的材料（如铜板，铝板）作散热板，或适当增加PCB上铜箔散热的表面积（如提高铜箔利用率，和PCB焊锡面加防焊条）使PCB上高发热元件产生的热量向PCB上的铜箔的表面扩散，以消除局部过热，改善PCB的散热能力；如因为PCB厚度方向的导热系数比表面的导热系数小得多，可以在PCB的铜箔上增加贯通孔(孔径一般为0.4mm～0.8mm)， IC的正下方可以增加多个贯通孔。
2.2.2平面布局及走线基本原则
*平面布局原则：以电流回路面积最小化及独立性为基本原则。按功能模块/电路级别/工作频率分开，间隔距离以干扰源强度和受扰源敏感度为主要考量依据。配合空间布局就近走线。避免回路相互跨越（光耦/变压隔离及差分信号可不作为回流路径）。在多层板的层布局，应尽量用填满的地线层和电源层把数字信号层隔开。一般地，内层分别用做电源层、地线层：以降低供电线路的阻抗，抑制公共阻抗噪声；对信号线形成均匀的接地面；加大信号线和接地面间的分布电容，抑制其向空间辐射的能力。
*方向原则：从焊接面看，元件的排列次序尽可能保持与原理图相一致。
*参数清晰原则：清楚了解电路各部分参数–包括各环路电流、电压、频率等。提供于Layout部进行布线的原理图纸，在需注意的高频/高压/大电流/高敏感的原理图地方进行相关参数标识，必须包括有：所有功率变换电路的功率路径电压电流标识；脏点区域的电流电压峰值及dv/dt、di/dt值标识；驱动支路的敏感标识；取样反馈放大支路的敏感标识。
*宽度原则：地线宽>电源线宽>信号线宽。根据线路载流量确定宽度尺寸，TRACE宽度与电流承载量的关系图见本节后附图。（目前在使用的TRACE线宽主要有0.2mm 、0.25mm、0.33mm、0.5mm、0.76mm、1.02mm、1.52mm、1.78mm、2.03mm、2.28mm、2.54mm）。在设计中根据使用环境、铜箔温度及负载作适当选择。尽量保持路径宽度的一致性（改变路径宽度会对路径阻抗产生改变，从而能产生反射和造成线路阻抗不平衡）。（载流量与宽度关系图表如下：）
附图： TRACE宽度与电流承载量的关系图
（附注：上面曲线以45℃的曲线作为参考标准。）
*走线原则：以近、短、简为基本。信号线应少拐弯少用外接跨线，改变方向时应走斜线并取半径大者，不可产生锐角。避免走线交叉，对于不可避免的交叉线条，可以用“钻”、“绕”两种办法解决（即让某引线从别的电阻、电容、三极管脚下的空隙处“钻”过去，或从可能交叉的某条引线的一端“绕”过去）。在电路复杂情况下，可斟酌用导线跨接或过孔以解决交叉电路问题并同时简化设计。模拟信号避免长距离平行走线数字信号与模拟信号如须混合，走线互相以90度交叉，以减少交叉耦合影响。
1)环路面积最小原则
环面积越小，对外的辐射越少。针对这一规则，在地平面分割时，要考虑到地平面与重要信号走线的分布，防止由于地平面开槽等带来的问题；在双层板设计中，在为电源留下足够空间的情况下，应该将双面留下的部分用地信号填充，且增加一些必要的孔，将双面地信号有效连接起来，对一些关键信号尽量采用地线隔离，对一些频率较高的设计，需特别考虑其地平面回路问题，建议采用多层板为宜。
2)窜扰分析与控制规则
主要针对比较长的平行走线而言，一般来说，采用差分信号方式设计，能产生比较理想的效果；在背板设计中，一般采用中间隔地方式；对普通的印制板设计来说，应该尽量将线间距离尽量隔开一些，以减低窜扰。
3)走线屏蔽规则
对应地线回路规则，实际上也是为了尽量减小信号的回路面积，多见于一些比较重要的信号，如时钟信号，同步信号；对一些特别重要，频率特别高的信号，应该考虑采用铜轴电缆屏蔽结构设计，即将所布的线上下左右用地线隔离，而且还要考虑好如何有效的让屏蔽地与实际地平面有效结合
4)走线的方向控制规则
即相邻层的走线方向成正交结构，这是设计的基本要求，但在实际设计中很难做到，在设计中应该尽量去做。不要将不同的信号线在相邻层走成同一方向，以减少不必要的窜扰；对背板上出现该情况，特别是信号速率又高时，应考虑用地平面隔离各布线层，用地信号线隔离各信号线
5)走线的开环检查规则
主要是为了避免产生”天线效应”，我们知道，在天线的末端面积越小，其发射效果越显著。对一些高频信号，一定要避免这样的设计产生，否则可能带来不可预知的结果。
6) 阻抗匹配检查规则
主要是为了防止产生反射，在设计中应该尽量避免这样的设计发生，有时设计无法避免类似的结构时，我们应该尽量减少中间不一致部分的有效长度，对诸如BGA之类的器件，这类问题将可能难以避免。
7) 走线闭环检查规则
即布线自环规则，主要是一些设计由于层数太多而没有注意到这类问题的发生，在设计中，务必使重要信号不要产生类似的结构，尽量减少信号由于形成环状而产生的辐射大增情况。
8) 走线的分枝长度控制规则
9) 走线的谐振规则
主要针对高频信号设计而言，即布线长度不得与其波长成整数倍关系，以免产生谐振现象。
10) 走线长度控制规则
即短线规则，也就是说在设计时应该尽量让布线长度尽量短，以减少由于走线过长带来的干扰问题，特别是一些重要信号线，如时钟线，我们务必将其振荡器放在离器件很近的地方。对驱动多个器件的情况，一定要考虑好采用何种布局方式。必要时必须牺牲布局来满足特定的要求
11) 倒角规则
主要是防止尖角处阻抗太大，产生辐射，同时工艺性能也不好。一般将此作为一项必须遵守的规则。
12) 器件去耦规则
也就是增加必要的去耦电容，滤除电源上的干扰信号，使电源信号稳定。在多层板中，对去耦电容的位置一般要求不太高，但对双层板，去耦电容的布局及电源的布线方式将直接影响到整个系统的稳定性，有时甚至关系到设计的成败。
在双层板设计中，一般应该使电流先经过滤波电容滤波再供器件使用，同时还要充分考虑到由于器件产生的电源噪声对下游的器件的影响，一般来说，采用总线结构设计比较好，在设计时，我们还要考虑到由于传输距离过长而带来的电压跌落给器件造成的影响，必要时增加一些电源环路，避免产生电位差。
在高速电路设计中，能否正确地使用去耦电容，关系到整个板的稳定性。
13) 孤立铜区控制规则
孤立铜区的出现，将带来一些不可预知的问题，因此将孤立铜区与别的信号相接，有助于改善信号质量，通常是将孤立铜区接地或删除。在实际的设计中，有时我们会看见厂家将一些板的空置部分增加了一些小小的铜薄，这主要是为了方便印制板加工，同时对防止引制板翘曲也有一定的作用。
14) PCB板层定义规则
该规则主要目的是尽量隔离布线层，有效地降低信号间的干扰。
15)电源与地线层的阻抗匹配规则
实际上该规则与地线回路规则的本质是一样的，都是为了有效减少信号环面积，减少干扰。
16) 3W规则
对一些带强烈高频成分的时钟信号，如果别的线与之靠得过近时，这些已达RF频率的能量将传到其它的信号上，为了有效的改善这类问题，经过实验证实，如果在相邻的信号之间增加一条接地的隔离线，那么信号之间的影响将大大减少，也就是说，如果保持两信号线中间的距离大于3倍信号宽度的距离，将有效改善相邻信号线之间的EMI干扰，这就是通常所说的3W规则。3W规则可保持70%的电场不互相干扰，如要达到98%的电场不互相干扰，可使用10W的间距
17)20H规则
电源平面和地平面间的RF耦合可能进入自由空间，如图1中的左图所示。很高速的PCB中，为了避免电源平面层向自由空间辐射能量，因此所有的电源平面必须小于地平面，向内缩进20H。为了更好地实行20H规则，就要使电源和地平面间的厚度最小，接近电源平面的走线层可布线区，就等于电源平面铜皮实体投影区。（从另外一个图中可看出，接近地平面的走线层可布线区，就是地平面铜皮实体投影区）
遵从20H规则会使PCB的电源层与地层间的电容的自谐振频率提高约2-3倍。20H规则会使边缘效应减小70%，如果要想达到98%的效果，必须遵从100H规则。
如果在PCB上存在分区，后面章节会考虑到，也要在高频率带宽区（CPU、以太 、SCSI等）实行20H规则，当数字和模拟区之间提供隔离或滤波时，在分界线上也要适用20H规则。如图2所示。
18) 五-五规则
印制板层数选择规则，即时钟频率到5MHz或脉冲上升时间小于5ns，则PCB板须采用多层板，这是一般的规则，有的时候出于成本等因素的考虑，采用双层板结构时，这种情况下，最好将印制板的一面做为一个完整的地平面层，这是比较常见的。
*大电流线路原则：公共地线、功率电源引线、功率电路等大电流走线应尽可能宽大，以降低路径电阻及其电压降，减小寄生耦合而产生的自激。
*差分信号原则：差分信号走线应遵循基本原则“等长、等距”和“尽量靠近”原则。
*接地原则：以阻抗最小化及回路独立为基本原则。同一级电路的接地点应尽量靠近，本级电路的电源滤波电容亦须接于该级地点上。模拟放大部分应注意因接地阻抗引入之干扰（例如晶体管基极、发射极过长的接地点引起干扰与自激）。低频回路在信号源端单点接地，高频电路考虑采用多点接地（电路尺寸大于0.15*工作波长）。控制部分的地系统与功率变换部分地系统保持单点接地。总地线须严格按高频－中频－低频一级级地按弱电到强电的顺序排列原则，切不可随便翻来复去乱接，级与级间宁肯可接线长点，也要遵守这一规定。高频电路考虑采用大面积包围式地线，以保证有良好的屏蔽效果。
电子设备中有三种基本的接地 方式：单点接地、多点接地、浮地。
1） 单点接地
单点接地适用于频率较低的电路中（1MHZ以下）。若系统的工作频率很高，以致工作波长与系统接地引线的长度可比拟时，单点接地方式就有问题了。当地线的长度接近于1/4波长时，它就象一根终端短路的传输线，地线的电流、电压呈驻波分布，地线变成了辐射天线，而不能起到“地”的作用。为了减少接地阻抗，避免辐射，地线的长度应小于1/20波长。在电源电路的处理上，一般可以考虑单点接地。
2 多点接地
多点接地是指设备中各个接地点都直接接到距它最近的地平面上，使接地引线的长度最短。多点接地电路结构简
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