数字网线测试仪PCB设计

温亮泉

【摘 要】现代电子产品的制造都离不开PCB的设计，PCB设计的质量直接决定着电子产品使用的寿命和安全。本文以数字网线测试仪PCB设计为实例，合理设置PCB元器件的布局及布线，提高数字电路的抗干扰能力和电子产品的使用寿命。

【關键词】PCB设计；设置；布局；布线

0 引言

PCB是电子产品中不可缺少的重要组成部件，支撑着电子元器件，并对电子元器件提供必要的电气连接，影响着电子产品的工作、使用安全及寿命。因此PCB设计至关重要。本文以数字网线测试仪PCB的设计为例，介绍单片机控制电路PCB设计的一般原则和要求，提高电子产品的使用可靠性、安全性，延长电子产品的使用寿命，为企业提高经济效益。

数字网线测试仪是一款常用的网线质量测试工具，可以测量网线的通断、芯线顺序是否正确及是否短路等。电路包括电源电路、单片机控制电路、网线连接电路，程序下载接口电路、双色数码管显示电路等，具有典型性、代表性。

所设计的数字网络测试仪电路有一个PQFP-44封装的STC89C58RD+单片机芯片，体积小，重量轻；二个RJ45网线插座；一个RS232串行通讯接口；16个0.56英寸的一位双色数码管；6个SOP16封装的集成8位移位寄存器74HC595和4个SOP18封装的集成反相驱动器UL2803APG等。在本电路里面大部分元器件采用贴片安装，旨在在减小电路板的体积和重量，方便携带使用。

1 影响PCB设计质量的主要因素

很多技术人员可能感觉PCB设计容易上手，但要设计出高水平的PCB，还是会感觉到存在一定的难度，无法满足电子产品的实用性、可靠性和安全性等性能要求，这需要技术人员长期的实践及不断地学习来积累经验。

笔者从事电子产品设计与开发多年，根据工作经验，在进行PCB设计时，应根据电路的特点和使用要求，首先要考虑的主要因素是元器件的布局。合理布局是PCB设计的关键，如数控机床的电脑控制主板，由于当初PCB设计钮扣电池太靠近微处理器，工作时间一长，电池失效漏液，漏出的液体腐蚀元器件和铜箔导线，造成电路板的损坏，并且很难维修，从而大大缩短了电路板的使用寿命。后经改进，将电池安装位置引出电路板，解决了此问题，延长了电路板的使用寿命，受到了用户的好评。其次是要对PCB布线的优化设计。在PCB布线时要考虑导线流过的电流、导线之间承受的电压、导线之间的相互干扰及导线连接的拓扑结构等。如在高电压的电源电路里面，如果某条导线要流过大电流，除了按要求加宽铜箔的截面积，可能还要求铜箔裸露并上焊锡，使导线有足够大的截面积来承受流过它的电流，保证不烧坏铜箔导线。

2 PCB元器件布局设计

数字网络测试仪的PCB布局设计包括确定电路板尺寸、功能分区及各元器件位置，我们要遵照印制版设计通用标准IPC-2221A，这样才能设计出符合要求、性能优良的电路板。数字网线测试的PCB布局如图1（a）、（b）所示。

2.1 确定PCB的形状及尺寸

根据所有元器件实际尺寸及工艺要求等来确定PCB的形状及尺寸。PCB的长宽比例一般设计为3：2或4：3的长方形，也可以根据实际的需要来确定PCB的形状。尺寸选用方面，若过大，既浪费材料，又使电子产品的重量和体积增大，不方便携带使用；若过小，元器件布局困难，严重影响电路的安装调试、维修及电气安全等。如果是采用机器（波峰焊、回流焊）来装配焊接电路板的，还要考虑机器使用的极限尺寸。数字网线测试仪由于有16个数码管、一个RS232串行通讯接口等元器件，数量多且封装丝印面积较大，所以设计此PCB尺寸为175mm×110mm。

（a） 顶层元器件布局图

（b） 底层元器件布局图

2.2 确定PCB的元器件布局层数

PCB元器件布局的层数与电路的复杂性、电路板的尺寸要求和电气性能等有关，一些比较简单的电路可以将元器件单层布局，而一些比较复杂的电路的元器件进行双层布局。数字网线测试虽然元件多，PCB尺寸要求较小，在此元器件进行双层布局，大部分元器件在PCB的顶层布局，如显示用的双色数码管，布在顶层方便观看。其它一些元器件布在底层，如二个RJ45网线插座，底层布局，用于连接测试用的网线，影响不大。

2.3 确定单元电路分区的布局

单元电路合理分区，有利于电路可靠、稳定地工作，方便电路的检查和维修。单元电路的分区布局一般按信号流程，从左到右，从上到下，同一功能的电路元器件尽量放在一起。各分区电路尽量相互独立，互不干扰。数字网线测试仪按电路的结构、功能进行PCB分区，分成：电源电路区，单片机控制电路区，数码管驱动和显示电路区，程序下载电路区和网线插座电路区等。

2.3.1 电源电路尽量与单片机控制电路、存储器电路分开，越远越好，以防电源电路的大电压、大电流电磁干扰单片机、存储器电路的正常工作，提高电路工作的可靠性。

2.3.2 晶体振荡器和二个负载电容尽量靠近单片机，避免单片机工作用的时钟振荡脉冲受干扰，影响单片机的正常工作。

2.3.3 相同结构的电路，尽量采用对称的结构进行元器件的布局，如数字网线测试仪发射数据用的8个双色数码管显示电路与接收数据用的8个双色数码管显示电路采用上下对称布局。

2.4 确定各元器件的具体位置

确定了单元电路的布局后，还要确定各元器件的具体摆放位置。原则是先将体积较大的核心元器件先摆放好，后根据核心元器件来合理放置体积较小的元器件，并要根据电路信号流程和元器件引脚的连接关系等来摆放。

2.4.1 同一单元电路的同一类元器件（如0805封装的贴片电阻）尽量在X或Y方向按顺序放在一起，方便安装和使用，如R3-R4、R6-R7、R9-R10这几个电阻采用Y的方向摆放并按顺序排列。

2.4.2 元器件之间在X或Y方向上对齐及均匀分布，疏密有序，多采用左右对齐或上下对齐、水平分布或垂直分布，使各元器件的排列有规律。

2.4.3 各種连接端口（如RJ45网线插座、RS232串行通讯接口）一般摆放在电路板的边缘，方便连接使用。

3 PCB元器件的布线设计

布线是PCB设计重要的一环。布线要根据工艺要求来确定布线的层数、导线的宽度、安全间距等。数字网线测试的PCB布线如图2（a）、（b）所示。

（a）元器件顶层布线图

（b）元器件底层布线图

3.1 确定PCB布线的层数

PCB布线的层数与电路的复杂性、电路板的尺寸要求和电气性能等有关。数字网线测试虽然元件多，元器件封装的丝面积较大，但电路要求不高，在此进行双层布线。

3.2 确定导线的宽度

导线的宽度设置一定要考虑导线中流过的最大电流，如果导线宽度过小会烧掉线路板；导线过宽会影响布线，使布线困难，甚至布不了线。在条件允许的情况下，电源线、地线尽量宽，最好地线比电源线宽，以保证电气性能。它们之间的关系为：地线>电源线>信号线。如有可能，地线的宽度最好大于3mm；电源线的宽度一般为1.2-2.5mm；信号线为0.2-0.3mm，最细宽度可达0.05-0.07mm。数字电路PCB地线可用粗导线来构成一个回路，即组成一个地网络来使用，但模拟电路不可以使用这样的地。

3.3 确定导线之间的安全间距

导线的安全间距（即导线最小间距）与导线间的电压有密切关系，可根据IPC-2221标准推算出。安全间距过小，有可能导线间击穿短路；安全间距过大，也会造成PCB布线困难。要计算导线之间的电压比较困难，在实际应用时，导线之间的安全间距可采用“3W规则”来确定，即两相邻导线的中心间距要大于3倍的导线宽度。要使电路达到优良的抗干扰性能，相邻导线间距要大于10W。

3.4 导线与过孔的设置

布线不要采用90°，尽可能采用45°折线，以减小高频信号的干扰，必要时，我们还可以采用弧形布线。过孔大小和数量的合理设置，提高布线效率。过孔的大小一般设置为0.7-1.27mm，如果布线的密度较高时，可适当减小过孔的大小，但不要太小，一般可采用0.6-1.0mm。信号线的过孔要尽量少，以减少对信号的干扰。

3.5 电气规则检查

PCB布完线后要进行DRC电气规则检查，以保证PCB布线的电气性能。主要检查PCB有无漏掉布线、安全间距违规等，发现有违规，需要及时排除，保证PCB的质量。

3.6 覆铜

在DRC电气规则检查没有问题后，可以进行覆铜，以减少地线阻抗，提高电路的抗干扰能力；降低压降，提高电源效率；以及覆铜与地线相连，减小环路面积。

4 结束语

本文通过介绍了数字网络测试仪的PCB布局和布线设计过程、要求和规则，并经过实际的制板、元器件安装、调试、测试及使用，完全可以达到实际产品使用的要求。PCB设计合理，符合工艺规范，为其它技术人员设计PCB提供了一定的参考价值。

【参考文献】

[1]黄智伟.印制电路板（PCB）设计技术与实践[M].北京：电子工业出版社.2009.

[2]郑振宇，林超文，徐龙俊，等.Altium Designer PCB画板速成[M].北京：电子工业出版社，2016.

[责任编辑：张涛]