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一文了解印刷电路板(PCB)结构以及相关术语

2020-04-13
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摘要 一般来说,简单的原理图通常可以在试验板上实现,但是绝大多数电路设计都以印刷电路板(简称PCB)的形式进入物理领域。

  我们通常使用原理图来学习、分析和设计电气或电子电路,该原理图通常由直线连接的组件符号组成,组件符号代表“从基本的无源组件(例如电阻器或电容器)到复杂的集成电路(例如微控制器)”的所有内容,而直线表示“允许电流从电路的一部分自由流到另一部分的导电路径”。

  只是,所有原理图的共同点就是他们完全无法驱动电动机、无法使LED闪烁、无法滤除噪声、或者无法执行我们希望电气系统执行的任何其他有用和有趣的事情。因为原理图毕竟只是一张图纸,而为了使电路实际完成某件事,我们需要将其原理图转换为物理组件和物理互连。一般来说,简单的原理图通常可以在试验板上实现,但是绝大多数电路设计都以印刷电路板(简称PCB)的形式进入物理领域。

  PCB的结构

  基本的PCB一般是一种扁平的、刚性的绝缘材料,其一面粘有薄的导电结构,这些导电结构产生例如由矩形、圆形和正方形组成的几何图案,长而细的矩形充当互连(即等效于导线),而其他各种形状充当组件的连接点。

  这是一个非常基本的PCB的示例。该板实际上是自制的。

  比如以上示例的PCB仅具有一个导电层,单层PCB的限制非常严格,电路实现将无法有效利用可用面积,设计人员可能难以创建必要的互连。

  因此结合额外的导电层可使PCB更加紧凑且更易于设计,两层板是对单层板的一项重大改进。不过,大多数应用至少要求四层板,四层板由顶层、底层和两个内部层组成。(“顶部”和“底部”可能看起来不像是典型的科学术语,但它们仍然是PCB设计和制造领域的正式名称。)

  PCB堆叠

  以上叠层是导电层和绝缘层在多层印刷电路板的布置,侧视图显示了四层板的堆叠。选择的导电材料是铜(copper),预浸料(Prepreg)是一种绝缘材料,预先用树脂浸渍(因此得名),芯(core)(也绝缘)的成分与预浸料相似。

  尽可能使用四层结构,四层板可以将一个内部层专用于参考电势(即接地),将另一个内部层专用于电源电压,顶部(如有必要底部)将是组件层,这种布置有助于PCB设计,还可以帮助提高电路性能。

  了解PCB功能和术语

  有关PCB的讨论中有很多专门的词汇,以上文章描述了PCB上的物理结构,那么以下我们就提供用于识别它们的词语。

  首先,导电互连被称为跟踪(trace),用于部件的连接点被称为衬垫(pads)(用于引脚其余部分的板的表面上)和通孔(through-holes )(对于被插入到孔中的销的板钻孔)。基本的PCB设计包括布置衬垫和通孔,以便可以正确安装组件,然后使用走线连接这些衬垫和通孔。

  其次,并非所有钻孔都用于通孔部件,我们经常需要将一个信号或电源电压从一个PCB层传输到另一个PCB层,这是通过称为过孔(vias)的导电小孔来实现的。

  第三,许多PCB还包括安装孔(mounting holes),这些安装孔具有机械而非电子功能,因此无需电镀。在本文中,术语“电镀”是指已经沉积到钻孔内部的导电材料。

  第四,铜浇注(copper pour )是填充有导电材料的PCB层的相对较大的部分,铜浇注可以用来在元件之间提供非常低的电阻或电感连接,并提高热性能。

  第五,一个完全由一个大的铜浇注组成的印刷电路板层称为平面层(plane layer),我们经常使用内部层作为接地层(ground plane),并通过在元件接点旁边放置过孔来创建接地连接。

  第六,通孔或过孔从铜的圆开始,然后在钻头穿过圆(理想情况下穿过圆的中心)时变成一个孔,术语“ 环形圈”( annular ring )是指在钻孔后剩余的铜的宽度。

  另外,印刷电路板包含各种“补充”信息,这些信息对设备的电气功能没有影响。例如,“参考标记”可唯一标识组件,“点”表示组件的正确方向,“项目标题或序列号”可帮助我们跟踪实验室中积聚的许多电路板,我们将PCB上的信息称为“丝网印刷”(silkscreen)。

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