布局

在設計中，布局是一個重要的環(huán)節(jié)。布局結果的好壞將直接影響布線的效果，因此可以這樣認為，合理的布局是PCB設計成功的第一步。

尤其是預布局，是思考整個電路板，信號流向、散熱、結構等架構的過程。如果預布局是失敗的，后面的再多努力也是白費。

1、考慮整體

一個產(chǎn)品的成功與否，一是要注重內在質量，二是兼顧整體的美觀，兩者都較完美才能認為該產(chǎn)品是成功的。

在一個PCB板上，元件的布局要求要均衡，疏密有序，不能頭重腳輕或一頭沉。

• PCB是否會有變形？

• 是否預留工藝邊？

• 是否預留MARK點？

• 是否需要拼板？

• 多少層板，可以保證阻抗控制、信號屏蔽、信號完整性、經(jīng)濟性、可實現(xiàn)性？

• 
  

2、排除低級錯誤

• 印制板尺寸是否與加工圖紙尺寸相符？能否符合PCB制造工藝要求？有無定位標記？

• 元件在二維、三維空間上有無沖突？

• 元件布局是否疏密有序，排列整齊？是否全部布完？

• 需經(jīng)常更換的元件能否方便地更換？插件板插入設備是否方便？

• 熱敏元件與發(fā)熱元件之間是否有適當?shù)木嚯x？

• 調整可調元件是否方便？

• 在需要散熱的地方，裝了散熱器沒有？空氣流是否通暢？

• 信號流程是否順暢且互連最短？

• 插頭、插座等與機械設計是否矛盾？

• 線路的干擾問題是否有所考慮？

3、旁路或去耦電容

在布線時，模擬器件和數(shù)字器件都需要這些類型的電容，都需要靠近其電源引腳連接一個旁路電容，此電容值通常為 0.1μF。引腳盡量短，減小走線的感抗，且要盡量靠近器件。

在電路板上加旁路或去耦電容，以及這些電容在板上的布置，對于數(shù)字和模擬設計來說都屬于基本常識，但其功能卻是有區(qū)別的。

在模擬布線設計中旁路電容通常用于旁路電源上的高頻信號，如果不加旁路電容，這些高頻信號可能通過電源引腳進入敏感的模擬芯片。一般來說，這些高頻信號 的頻率超出 模擬器件抑制高頻信號的能力。

如果在模擬電路中不使用旁路電容的話，就可能在信號路徑 上引入噪聲，更嚴重的情況甚至會引起振動。而對于控制器和處理器這樣的數(shù)字器件 來說，同樣需要去耦電容，但原因不同。

這些電容的一個功能是用作“微型”電荷庫，這是因為在數(shù)字電路中，執(zhí)行門狀態(tài)的切換(即開關 切換)通常需要很大的電流，當開關時芯片上產(chǎn)生開關瞬態(tài)電流并流經(jīng)電路板，有這額外的 “備用”電荷是有利的。

如果執(zhí)行開關動作時沒有足夠的電荷，會造成電源電壓發(fā)生很大變化。電壓變化太大，會導致數(shù)字信號電平進入不確定狀態(tài)，并很可能引起數(shù)字器件中的狀態(tài)機錯誤運行。

流經(jīng)電路板走線的開關電流將引起電壓發(fā)生變化，由于電路板走線 存在寄生電感，則可采用如下公式計算電壓的變化：

V=Ldl/dt

其中V=電壓的變化，L=電路板走線感抗，dI=流經(jīng)走線的電流變化，dt=電流變化的時間。

因此，基于多種原因，在供電電源處或有源器件的電源引腳處施加旁路(或去耦)電容是 非常好的做法。

4、輸入電源如果電流比較大，建議減少走線長度和面積，不要滿場跑

輸入上的開關噪聲耦合到了電源輸出的平面。輸出電源的MOS管的開關噪聲影響了前級的輸入電源。

如果電路板上存在大量大電流DCDC，則有不同頻率，大電流高電壓跳變干擾。

所以我們需要減小輸入電源的面積，滿足通流就可以。所以在電源布局的時候，要考慮避免輸入電源滿板跑。

電源線和地線的位置良好配合，可以降低電磁干擾(EMl)的可能性。如果電源線和地線配合不當，會設計出系統(tǒng)環(huán)路，并很可能會產(chǎn)生噪聲。

電源線和地線配合不當?shù)腜CB 設計示例如圖所示。在此電路板上，使用不同的路線來布電源線和地線，由于這種不恰當?shù)呐浜希?/span>電路板的電子元器件和線路受電磁干擾 (EMI)的可能性比較大。

5、數(shù)模分離

在每個 PCB 設計中，電路的噪聲部分和“安靜”部分(非噪聲部分)要分隔開。

一般來說，數(shù)字電路可以容忍噪聲干擾，而且對噪聲不敏感(因為數(shù)字電 路有較大的電壓噪聲容限)；相反，模擬電路的電壓噪聲容限就小得多。兩者之中，模擬電路對開關噪聲最為敏感。在混合信號系統(tǒng)的布線中，這兩種電路要分隔開。

6、散熱考慮

在布局過程中，需要考慮散熱風道，散熱死角；熱敏感器件不要放在熱源風后面。

優(yōu)先考慮DDR這樣散熱困難戶的布局位置。避免由于熱仿真不通過，導致反復調整。

布線

在PCB設計中，布線是完成產(chǎn)品設計的重要步驟，可以說前面的準備工作都是為它而做的，在整個PCB中，以布線的設計過程限定最高，技巧最細、工作量最大。

PCB布線有單面布線、雙面布線及多層布線。布線的方式也有兩種：自動布線及交互式布線，在自動布線之前， 可以用交互式預先對要求比較嚴格的線進行布線，輸入端與輸出端的邊線應避免相鄰平行，以免產(chǎn)生反射干擾。必要時應加地線隔離，兩相鄰層的布線要互相垂直，平行容易產(chǎn)生寄生耦合。

自動布線的布通率，依賴于良好的布局，布線規(guī)則可以預先設定， 包括走線的彎曲次數(shù)、導通孔的數(shù)目、步進的數(shù)目等。一般先進行探索式布經(jīng)線，快速地把短線連通，然后進行迷宮式布線，先把要布的連線進行全局的布線路徑優(yōu)化，它可以根據(jù)需要斷開已布的線。并試著重新再布線，以改進總體效果。

對目前高密度的PCB設計已感覺到貫通孔不太適應了， 它浪費了許多寶貴的布線通道，為解決這一矛盾，出現(xiàn)了盲孔和埋孔技術，它不僅完成了導通孔的作用，還省出許多布線通道使布線過程完成得更加方便，更加流暢，更為完善，PCB 板的設計過程是一個復雜而又簡單的過程，要想很好地掌握它，還需廣大電子工程設計人員去自已體會，才能得到其中的真諦。

1、電源、地線的處理

既使在整個PCB板中的布線完成得都很好，但由于電源、 地線的考慮不周到而引起的干擾，會使產(chǎn)品的性能下降，有時甚至影響到產(chǎn)品的成功率。所以對電、地線的布線要認真對待，把電、地線所產(chǎn)生的噪音干擾降到最低限度，以保證產(chǎn)品的質量。

對每個從事電子產(chǎn)品設計的工程人員來說都明白地線與電源線之間噪音所產(chǎn)生的原因， 現(xiàn)只對降低式抑制噪音作以表述：

• 眾所周知的是在電源、地線之間加上去耦電容。

• 盡量加寬電源、地線寬度，最好是地線比電源線寬，它們的關系是：地線＞電源線＞信號線，通常信號線寬為：0.2～0.3mm,最經(jīng)細寬度可達0.05～0.07mm,電源線為1.2～2.5 mm
  對數(shù)字電路的PCB可用寬的地導線組成一個回路, 即構成一個地網(wǎng)來使用(模擬電路的地不能這樣使用)

• 用大面積銅層作地線用,在印制板上把沒被用上的地方都與地相連接作為地線用。或是做成多層板，電源，地線各占用一層。

2、數(shù)字電路與模擬電路的共地處理

現(xiàn)在有許多PCB不再是單一功能電路（數(shù)字或模擬電路），而是由數(shù)字電路和模擬電路混合構成的。因此在布線時就需要考慮它們之間互相干擾問題，特別是地線上的噪音干擾。

數(shù)字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強，對信號線來說，高頻的信號線盡可能遠離敏感的模擬電路器件，對地線來說，整人PCB對外界只有一個結點，所以必須在PCB內部進行處理數(shù)、模共地的問題，而在板內部數(shù)字地和模擬地實際上是分開的它們之間互不相連，只是在PCB與外界連接的接口處（如插頭等）。

數(shù)字地與模擬地有一點短接，請注意，只有一個連接點。也有在PCB上不共地的，這由系統(tǒng)設計來決定。

3、信號線布在電（地）層上

在多層印制板布線時，由于在信號線層沒有布完的線剩下已經(jīng)不多，再多加層數(shù)就會造成浪費也會給生產(chǎn)增加一定的工作量，成本也相應增加了，為解決這個矛盾，可以考慮在電（地）層上進行布線。

首先應考慮用電源層，其次才是地層。因為最好是保留地層的完整性。

4、大面積導體中連接腿的處理

在大面積的接地（電）中，常用元器件的腿與其連接，對連接腿的處理需要進行綜合的考慮，就電氣性能而言，元件腿的焊盤與銅面滿接為好，但對元件的焊接裝配就存在一些不良隱患如：

• 焊接需要大功率加熱器。

• 容易造成虛焊點。所以兼顧電氣性能與工藝需要，做成十字花焊盤，稱之為熱隔離（heat shield）俗稱熱焊盤（Thermal），

這樣，可使在焊接時因截面過分散熱而產(chǎn)生虛焊點的可能性大大減少。多層板的接電（地）層腿的處理相同。

5、布線中網(wǎng)絡系統(tǒng)的作用

在許多CAD系統(tǒng)中，布線是依據(jù)網(wǎng)絡系統(tǒng)決定的。網(wǎng)格過密，通路雖然有所增加，但步進太小，圖場的數(shù)據(jù)量過大，這必然對設備的存貯空間有更高的要求，同時也對象計算機類電子產(chǎn)品的運算速度有極大的影響。

而有些通路是無效的，如被元件腿的焊盤占用的或被安裝孔、定們孔所占用的等。網(wǎng)格過疏，通路太少對布通率的影響極大。所以要有一個疏密合理的網(wǎng)格系統(tǒng)來支持布線的進行。

標準元器件兩腿之間的距離為0.1英寸(2.54mm),所以網(wǎng)格系統(tǒng)的基礎一般就定為0.1英寸(2.54 mm)或小于0.1英寸的整倍數(shù)，如：0.05英寸、0.025英寸、0.02英寸等。

6、設計規(guī)則檢查（DRC）

布線設計完成后，需認真檢查布線設計是否符合設計者所制定的規(guī)則，同時也需確認所制定的規(guī)則是否符合印制板生產(chǎn)工藝的需求，一般檢查有如下幾個方面：

• 線與線，線與元件焊盤，線與貫通孔，元件焊盤與貫通孔，貫通孔與貫通孔之間的距離是否合理，是否滿足生產(chǎn)要求。

• 電源線和地線的寬度是否合適，電源與地線之間是否緊耦合（低的波阻抗）？在PCB中是否還有能讓地線加寬的地方。

• 對于關鍵的信號線是否采取了最佳措施，如長度最短，加保護線，輸入線及輸出線被明顯地分開。

• 模擬電路和數(shù)字電路部分，是否有各自獨立的地線。

• 后加在PCB中的圖形（如圖標、注標）是否會造成信號短路。

• 對一些不理想的線形進行修改。

• 在PCB上是否加有工藝線？阻焊是否符合生產(chǎn)工藝的要求，阻焊尺寸是否合適，字符標志是否壓在器件焊盤上，以免影響電裝質量。

• 多層板中的電源地層的外框邊緣是否縮小，如電源地層的銅箔露出板外容易造成短路。

7、檢查是否有銳角、阻抗不連續(xù)點等

1）對于高頻電流來說，當導線的拐彎處呈現(xiàn)直角甚至銳角時，在靠近彎角的部位，磁通密度及電場強度都比較高，會輻射較強的電磁波，而且此處的電感量會比較大，感抗便也比鈍角或圓角要大一些。

2）對于數(shù)字電路的總線布線來說，布線拐彎呈現(xiàn)鈍角或圓角，布線所占的面積比較小。在相同的線間距條件下，總的線間距所占的寬度要比直角拐彎的少0.3倍。

8、檢查3W、3H原則

1）時鐘、復位、100M以上信號以及一些關鍵的總線信號等與其他信號線布線必須滿足3W原則，同層和相鄰層無較長平行走線，且鏈路上過孔盡量少。

2）高速信號的過孔數(shù)量問題，有些器件指導書上一般對高速信號的過孔數(shù)量要求比較嚴格，咨詢互連的原則的是除了必須的管腳fanout過孔外，嚴禁在內層打多余的過孔，他們布過8G的PCIE 3.0的走線，也打過4個過孔，沒有問題。

3）同層時鐘及高速信號中心距需嚴格滿足3H（H為走線層到回流平面間距）；相鄰層的信號嚴禁重疊，建議也滿足3H的原則，關于上述的串擾問題，有工具可以檢查的。

布線約束

布線約束：層分布布線約束：層分布

RF單板的層疊結構

布線約束：基本要求

1）走線要求盡量最短，不走閉環(huán)，不走銳角直角，線的寬度一致，沒有浮空線。

2）差分信號線一般都是走的高速信號，其要滿足阻抗的對稱性，差分線不能交叉走線，線長相差不能超過100mil，差分線之間和單個差分線到地之間都要滿足阻抗要求。差分走線過孔不能超過4個，差分線對間的間距滿足3W規(guī)則。

3）一般晶振、pll濾波器件、模擬處理信號處理芯片、電感、變壓器下禁止走時鐘線、控制線、電磁敏感線。

4）模擬信號與數(shù)字信號，電源線與控制信號線，弱信號與其他任何信號都不能并排走線，應該分層（最好有地隔離）或相距較遠走線。如果分層相鄰層的線與線之間要交叉走線，不能并行走線。為了減少線間串擾，應保證線間距足夠大，當線中心間距不少于3倍線寬時，則可保持70%的電場不互相干擾，稱為3W規(guī)則。如要達到98%的電場不互相干擾，可使用10W的間距。（注：時鐘布線的時候，一定要注意和數(shù)據(jù)線、控制信號線的有效隔離，距離越遠越好，盡可能不要布在同層。）

5）強輻射信號線（高頻、高速，尤以時鐘線為甚）不要靠近接口、拉手條等以防對外輻射。

6）敏感信號（主要指：弱信號、復位信號、比較器的輸入信號、AD的參考電源、鎖相環(huán)濾波信號、芯片內部的PLL電路的濾波部分。）布線應該盡可能短，不靠近強輻射信號，不放在板的邊緣，離外金屬框架15mm以上。長距離走線時可以包地（應注意包地可能會引起阻抗變化）、內層走線。另外，對于ESD較弱的芯片的走線，建議內層走線，可以減弱芯片損壞的概率。

布線約束：電源

1）注意電源退耦、濾波，防止不同單元通過電源線產(chǎn)生干擾，電源布線時電源線之間應相互隔離。電源線與其它強干擾線（如CLK）用地線隔離。

2）小信號放大器的電源布線需要地銅皮及接地過孔隔離，避免其它EMI干擾竄入，進而惡化本級信號質量。

3）不同電源層在空間上要避免重疊。主要是為了減少不同電源之間的干擾，特別是一些電壓相差很大的電源之間，電源平面的重疊問題一定要設法避免，難以避免時可考慮中間隔地層。

布線約束：電源過流能力

1）電源部分導線印制線在層間轉接的過孔數(shù)符合通過電流的要求（1A/Ф0.3mm 孔）

2）PCB的POWER部分的銅箔尺寸符合其流過的最大電流，并考慮余量（一般參考為1A/mm線寬）

布線約束：接地方法

1）接地線要短而直，減少分布電感，減小公共地阻抗所產(chǎn)生的干擾。

調整各組內濾波電容方向，縮小地回路。如圖15所示的三個濾波電容，接地偏向于相關的RF 器件方向，尤其是高頻濾波電容。

2）RF 主信號路徑上的接地器件和電源濾波電容需要接地時，為減小器件接地電感，要求就近接地。

3）有些元件的底部是接地的金屬殼，要在元件的投影區(qū)內加一些接地孔，投影區(qū)內的表面層不得布信號線和過孔；

4）接地線需要走一定的距離時，應加粗走線線寬、縮短走線長度，禁止接近和超過1/4導引波長，以防止天線效應導致信號輻射；

5）除特殊用途外，不得有孤立銅皮，銅皮上一定要加地線過孔

6）對某些敏感電路、有強烈輻射源的電路分別放在屏蔽腔內，裝配時屏蔽腔壓在PCB表面。PCB在設計時要加上“過孔屏蔽墻”，就是在PCB上與屏蔽腔壁緊貼的部位加上接地的過孔。如下圖12所示，要有兩排以上的過孔，兩排過孔相互錯開，同一排的過孔間距在100mils左右。

布線約束：通用規(guī)則

1）PCB頂層走RF信號，RF信號下面的平面層必須是完整的接地平面，形成微帶線結構。如圖13所示。要保證微帶線的結構完整性，必須做到：同層內微帶線要做包地銅皮處理，建議地銅皮邊緣離微帶線邊緣有3H的寬度。H表示介質層厚度。在3H范圍內，不得有其它信號過孔。禁止RF 信號走線跨第二層的地平面縫隙。非耦合微帶線間要加地銅皮，并在地銅皮上加地過孔。

微帶線至屏蔽壁距離應保持為3H以上。微帶線不得跨第二層地平面的分割線。

微帶線結構圖

2）要求地銅皮到信號走線間隔≥3H。

3）地銅皮邊緣加地線孔，孔間距約在100mils左右，均勻整齊排列；

4）地線銅皮邊緣要光滑、平整，禁止尖銳毛刺；

5）RF信號布線周圍如果存在其它RF信號線，就要在兩者之間輔地銅皮，并在地銅皮上間隔100mils左右加一個接地過孔，起隔離作用。

6）RF信號布線周圍如果存在其它不相關的非RF信號（如過路電源線），要在兩者間輔地銅皮，并每隔100mils左右加一個接地過孔。

7）RF信號過孔與內層的其它布線靠近，如左圖所示的過路電源線靠近了RF信號過孔，電源線上的EMI 干擾會竄入RF布線，所以要采用圖14右圖正確的布線方法，在電源線與RF信號過孔間輔地并加地過孔，起隔離作用。有時內層的RF信號線與其它有較強干擾的信號（如過路電源線）過孔靠近，也采用同樣的方法輔地并加地過孔。

8）器件安裝孔是非金屬化孔時，RF 信號布線要遠離器件安裝孔。需要在RF信號布線與安裝孔間輔進地銅皮，并加接地過孔。