PCB设计中所遇到的问题及解决方法研究
摘 要
电子产品硬件的完善往往需要比较长的时间，大问题往往是重点解决目标，而最终干扰我们的却是一些细枝末节的小问题。本文章针对PCB板设计、生产及维修中遇到的一些关于二极管耐压、电磁干扰及焊盘脱落和易损件更换等几个问题，在尽量减少成本增加的原则下，通过一些简易的方式方法完善PCB板。
【关键词】二极管耐压 PCB抗干扰 焊盘脱落 易损件更换
电子产品的硬件设计及完善相较于软件系统的开发设计而言，存在着耗时长、成本高的现实情况，硬件设计中我们往往把重点放在原则性问题上，而最终令我们反复修改的往往是造成比较大的影响的一些细枝末节的小问题，产品没有完美，只有不断的去完善。本文章将针对PCB板设计、生产及维修中遇到的几个问题在尽量减少成本增加的原则下，通过一些简易的方式方法完善PCB板。
1 多路进线电源整流二极管的耐压保护
一产品：楼道公共用电电量均分器，为保障不失电正常工作，引入了多路市电电源给电源模块供电，电源模块为AC-DC模块，参数：Uin=AC85～264V。多路进线输入都采用了1N4007整流二极管串联300Ω 1/2W碳膜电阻进行隔离。附图如图1所示。
理论上没有错误，实际中却存在严重问题：即使不考虑尖峰电压，实际上，多路电源间电压正常情况下也可以达到AC400V，1N4007耐压为1000V，选件没有错误，可是产品在使用中频繁出现因二极管耐压问题引起输入电源间短路爆炸，造成整台产品的报废。这里面既有元件质量问题，也有因长时间工作二极管老化原因。针对此问题，我们想了很多方法，例如：
（1）更换高品质知名品牌二极管；
（2）选用耐压等级更高的二极管。均不理想！
分析如下：考虑到电子元器件质保期内使用过程中存在过早疲劳的质量问题以及出厂时存在产品合格率的问题，任何产品也不能保障百分百的达标率，哪怕达标率达到99.7%，也就是说1000只二极管里面最多出现3只质量不过关，而对于一台需要用到24只整流二极管的设备，换算下来，成品设备最高报废率几乎能达到7.2%，最低也要有2.4%。这样的产品如果销售出去，不说售后服务是个沉重的负担，就是在客户中造成的恶略影响也是无法承受的！如何解决？问题似乎进入了死胡同。其实解决问题的方法很简单：每回路再多串一只1N4007。线路电压也就损失了0.7V，根本不会对输出形成影响，成本也仅仅是增加了一元多钱，然而耐压增加了一倍，故障率却降到了千分之5，事实证明：改进后的产品几乎再无此类因耐压不足而击穿短路爆炸事故发生。一个跳出常规的巧妙的思路以及一个很小很小的成本增加换取了一个稳定的产品质量。
2 小型继电器频繁动作电磁干扰的解决
PCB板上小型继电器频繁分断大电流时的拉弧现象会产生很强的电磁干扰，不仅仅会影响到CPU正常工作，频繁复位；甚至会导致解码器及驱动器产生错误信号和指令，引起执行元件的误动作，形成残次品或造成生产事故。这种现象表现极为明显，一个抗干扰措施不完善的PCB板工作时很容易产生在继电器动作时出现CPU复位或者执行元件的错误动作现象。解决干扰问题的方式方法很多，如需详细了解请参考相关文献或网上搜索相关关键词文章。在这里我仅仅是把我们重点针对因继电器动作产生的电磁干扰采取的的方式方法阐述出来和大家共享，具体措施如下：
2.1 提高芯片抗干扰能力
（1）CPU换用超强抗干扰芯片，我们最终选用的是一款90C52RC单片机。此款CPU抗静电干扰20KV，抗快速脉冲及电磁干扰干扰4KV，相较于常规抗快速脉冲2KV以下的CPU还是有很大的进步；
（2）CPU及解码器电源端和接地端之间加装瓷片去耦电容104，104应尽量靠近芯片，管脚越短越好。
2.2 抑制干扰源
（1）继电器驱动放大器采用自带续流功能的达林顿IC模块（例如ULN2004A），可以有效的消除线圈断电时反电动势产生的干扰；
（2）继电器触点间并接RC吸收电路，及时快速的吸收噪声干扰，电阻选择：2.2K1/2W，瓷片电容选择：472（1KV）；
（3）PCB板敷铜。其实，我们在设计试验时，直到敷铜之前，我们针对继电器的干扰问题还是处理得很不乐观：有效果，但是干扰依然很明显，复位及误动作现象一两天内总要发生一次。直到敷铜样板出来试验后，我们有一种拨开云雾见日月的敞亮感觉，心里反复的问自己：为什么没早早想到敷铜？！为什么这么简单的常识没有考虑？弯路走的太多了！敷铜在处理抗干扰问题上有着一种放之四海而皆准的大智！另，大面积覆铜要设计成栅格状，利于散热。
（4）最后这一点是关于继电器的选择。同一规格的继电器往往有不同线圈功率的选择：线圈功率越大，继电器触头分合动作便越快，触点间拉弧时间便越短，电磁干扰时间相应变短。实践中，在不增加成本的情况下，我们将原来线圈功率0.36W的JZC-22F继电器换成了0.6W的JZC-22F继电器，动作时间由原来的6.2毫秒降低为现在的5.6毫秒，看似仅仅是0.6毫秒的降低，但是每一点点干扰时间的降低都是对产品的完善，质量的提升不一定非要有飞跃，但不积跬步无以至千里！
3 焊盘脱落问题的改进
PCB板维修不可避免的是拆拆焊焊，使用年限过久或者焊盘过小的板子在拆卸元件时总是不免遇到焊盘脱落或者焊盘孔壁焊锡层脱落的问题。
（1）如果是管脚焊盘脱落，我们只需要找到同一条线路上就近的焊盘用一短线将二者连接起来就可以，此短线可根据距离远近及过电流大小进行相应选择：距离近，可考虑采用修剪下来的废弃的管脚或排针进行焊连；距离远，则尽量采用带外绝缘层的铜线连接，以防止连线中途与其他元件管脚相连短路。若此位置焊盘曾多次出现脱落现象，那么说明此位置焊盘存在着设计不合理的原因，必须加大对此焊盘的设计：在可利用的空间把焊盘设计成长圆形或水滴状，甚至加做短粗的敷铜线，以加大对板材的吸附力。
（2）如果是焊盘孔孔壁焊锡层脱落，原因往往是焊盘孔比较狭小，狭小的焊盘孔在拆卸元件时很容易造成元件拆下来了，焊盘孔壁的焊锡层也挂在管脚上被带了下来。所以设计时建议焊盘孔要比管脚尺寸大0.3～0.5mm。焊盘孔壁焊锡层脱落了怎么办？方法如下：新元件管脚先烫锡再安装，焊锡层稍厚一些较好，此时再进行管脚焊接，管脚上的焊锡层很容易的将PCB板两面的焊盘连接上，稳妥起见管脚另一面加补焊，此种方法一般情况下都可以解决问题。
4 易损元件的更换问题
电子产品使用久了，总有一些易损件要出问题，尤其是自制模块、自制小线路板（例如：自制小电源模块）。在维修这些易损模块时焊下来再焊上去很费时间，而且有时也会造成焊盘和焊盘孔焊锡层的脱落，处理起来费时费力烦心，影响工作效率！建议在产品不断改进的同时，易损件加装底座或者用插头、插排进行连接，焊下来焊上去变成了拔下来插上去，问题变得简单多了！一小时烦冗的工作变成三分钟轻松搞定！在这里需要注意的是：在遇到质量比较重的插接件时，由于插接方式抬高了插接件的重心，相应的会造成插接件在位置上的晃动，时间久了很容易造成脱焊或插接部位接触不良，所以质量较大插接件宜采用多管脚相连的插接方式。比如：原插接件有4只独立管脚，在质量比较大时，可以设计成8只管脚，其中两两管脚在印刷线路板上是相连关系，这不仅增加了连接的可靠性，也加强了插接件的稳定性。而这仅仅是一个工作中司空见惯的很小很小的窍门。
PCB设计、完善是一个繁冗复杂的过程，重点考虑大构思、大方向的同时，也不忽略细枝末节的小问题。做足每一项功课，完善每一个细节，这不仅仅是时间的节省，也是成本的降低。
参考文献
[1]金恬.提高单片机抗干扰能力的措施.福建电脑，2010（9）.
[2]李晓辉.继电器电磁干扰的诊断和抑制实例.安全与电磁兼容，2004（05）.
[3]ISBN 7-111-20197-3.Protel 99 SE电路原理图与PCB设计及仿真.
作者简介
杨玉焓，女，河北省邯郸市人。现就读于海南大学信息科学技术学院电子信息工程专业，三年级学生。
作者单位
海南大学信息科学技术学院 海南省海口市 570228
