高質量PCB設計理論

高質量PCB設計理論

本文為關于PCB圖布線的部分經驗總結，文中內容主要適用于高精度模擬系統或低頻（<50MHz）數字系統。

1.組件布置

??? 組件布置合理是設計出優質的PCB圖的基本前提。關于組件布置的要求主要有安裝、受力、受熱、信號、美觀六方面的要求。
1.1.安裝
　　
??? 指在具體的應用場合下，為了將電路板順利安裝進機箱、外殼、插槽，不致發生空間干涉、短路等事故，并使指定接插件處于機箱或外殼上的指定位置而提出的一系列基本要求。這里不再贅述。

1.2.受力
　　
??? 電路板應能承受安裝和工作中所受的各種外力和震動。為此電路板應具有合理的形狀，板上的各種孔（螺釘孔、異型孔）的位置要合理安排。一般孔與板邊距離至少要大于孔的直徑。同時還要注意異型孔造成的板的最薄弱截面也應具有足夠的抗彎強度。板上直接"伸"出設備外殼的接插件尤其要合理固定，保證長期使用的可靠性。

1.3.受熱
　　
??? 對于大功率的、發熱嚴重的器件，除保證散熱條件外，還要注意放置在適當的位置。尤其在精密的模擬系統中，要格外注意這些器件產生的溫度場對脆弱的前級放大電路的不利影響。一般功率非常大的部分應單獨做成一個模塊，并與信號處理電路間采取一定的熱隔離措施。

1.4.信號
　　
??? 信號的干擾PCB版圖設計中所要考慮的最重要的因素。幾個最基本的方面是：弱信號電路與強信號電路分開甚至隔離；交流部分與直流部分分開；高頻部分與低頻部分分開；注意信號線的走向；地線的布置；適當的屏蔽、濾波等措施。這些都是大量的論著反復強調過的，這里不再重復。

1.5.美觀
　　
??? 不僅要考慮組件放置的整齊有序，更要考慮走線的優美流暢。由于一般外行人有時更強調前者，以此來片面評價電路設計的優劣，為了產品的形象，在性能要求不苛刻時要優先考慮前者。但是，在高性能的場合，如果不得不采用雙面板，而且電路板也封裝在里面，平時看不見，就應該優先強調走線的美觀。下一小節將會具體討論布線的"美學"。

2.布線原則
　　
??? 下面詳細介紹一些文獻中不常見的抗干擾措施?？紤]到實際應用中，尤其是產品試制中，仍大量采用雙面板，以下內容主要針對雙面板。

2.1.布線"美學"
　　
??? 轉彎時要避免直角，盡量用斜線或圓弧過渡。
　　
??? 走線要整齊有序，分門別類集中排列，不僅可以避免不同性質信號的相互干擾，也便于檢查和修改。 對于數字系統，同一陣營的信號線（如數據線、地址線）之間不必擔心干擾的問題，但類似讀、寫、時鐘這樣的控制性信號，就應該獨來獨往，最好用地線保護起來。
　　
??? 大面積鋪地（下面會進一步論述）時，地線（其實應該是地"面"）與信號線間盡量保持合理的相等距離，在防止短路、漏電的前提下盡量靠近。
　　
??? 對于弱電系統，地線與電源線要盡量靠近。
　　
???? 使用表貼組件的系統，信號線盡量全走正面。

2.2.地線布置
　　
??? 文獻中對地線的重要性及布置原則有很多論述，但關于實際PCB中的地線排布仍然缺乏詳細準確的介紹。我的經驗是，為了提高系統的可靠性（而不只是做出一個實驗樣機），對地線無論怎樣強調

都不為過，尤其是在微弱信號處理中。為此，必須不遺余力地貫徹"大面積鋪地"的原則。
　　
??? 鋪地時，一般必須是網格狀地，除非那些被其它線路分割出來的零星地盤。網格狀地的受熱性能和高頻導電性能都要大大優于整塊的地線。在雙面板布線中，有時為了走信號線，不得不將地線分割開，這對于保持足夠低的地電阻是極為不利的。為此，必須采用一系列的"小聰明"手段來保證地電流的"通暢"。這些技巧包括：
　　
??? 大量使用表面貼裝組件，省去焊孔所占用的"本來"應屬于地線的空間。
　　
??? 充分利用正面空間：在大量使用表面貼裝組件的場合下，設法使信號線盡量走頂層，將底層"無私"地讓給地線，這其中又涉及到無數細碎的小竅門，本人拙作《PCB技巧之一：交換管腳》中就有一招，還有很多類似的法術，以后會陸續寫出。
　　
??? 合理安排信號線，將板上的重要地帶，尤其是"腹地"（這里關系到整個板地線的溝通）"讓"給地線，只要精心設計，這一點還是能做到的。
　　
??? 正面與反面的配合：有時在板的某一面，地線實在是"走投無路"了，這時可設法使兩面的布線相互協調，"此處不留爺，自有留爺處"，在反面的相對應位置空出一塊足夠的地盤鋪設地線，再通過數量足夠、位置合理的過孔（考慮到過孔有較大的電阻），通過這?quot;橋梁"將被橫行而過的信號線強行分割卻又戀戀不舍、盼望統一的兩岸連成一個導電性能足夠的整體。
　　
??? 狗急跳墻的著數：實在滕不出地方而又不甘心龐大的地線被區區一根信號線攔腰切斷時，就讓這個信號委屈一點，走跨接線吧。有時，我不甘心僅僅拉一根光禿禿的導線，這個信號恰好又要經過一個電阻或其它"長腳"的器件，我就可以名正言順的延長這個器件的管腳，使之兼任跨接線的職務，既通過了信號，又避免了跨接線這個不體面的稱呼:-(當然，在大多數情況下，我總可以讓這樣的信號從合適的地方通過而避免與地線的交叉，唯一需要的是觀察力和想象力。
　　
??? 起碼的原則：地電流的路徑要合理，大電流與微弱的信號電流決不能并肩前進。有時，選擇合理的路徑，一個排的地線抵得上不合理配置的一個集團軍。
　　
??? 最后，順便說明一點，有一句名言："你可以相信你的母親，但永遠不要相信你的地"。在極微弱信號處理的場合（微伏以下），即使不擇手段保證了地電位的一致，電路上關鍵點的地電位差別仍然要超過被處理信號的幅度，至少是同一量級，即使靜態電位合適了，瞬時的電位差仍然可能很大。對于這樣的場合，首先要在原理上使電路的工作盡可能的不依賴于地電位。

2.3.電源線布置與電源濾波
　　
??? 一般的文獻都認為電源線應盡可能粗，對此我不敢完全茍同。只有在大功率（1秒內平均電源電流可能達到1A）的場合，才必須保證足夠的電源線寬度（我的經驗，每1A電流對應50mil能夠滿足大多數場合的需求）。如果只為了防止信號的竄擾的話，電源線的寬度不是關鍵。甚至，有時細一些的電源線更有利！電源的質量一般主要不在于其絕對值，而在于電源的波動和迭加的干擾。解決電源干擾的關鍵在于濾波電容！如果你的應用場合對電源質量的確有苛刻的要求，就不要吝嗇濾波電容的錢！使用濾波電容時要注意以下幾條：
　　
??? 整個電路的電源輸入端應該有"總"的濾波措施，而且各種類型的電容要互相搭配，"一樣都不能少"，至少不會壞事的J對于數字系統至少要有100uF電解＋ 10uF片鉭＋0.1uF貼片＋1nF貼片。較高頻（100kHz）100uF電解＋10uF片鉭＋0.47uF貼片＋0.1uF貼片。交流模擬系統：對于直流及低頻模擬系統：1000uF｜1000uF電解＋10uF片鉭＋1uF貼片＋0.1uF貼片。
　　
??? 每個重要芯片身邊都應該有"一套"濾波電容。對于數字系統，一個0.1uF貼片一般就夠了，重要的或工作電流較大的芯片還應并上一個10uF片鉭或1uF 貼片，工作頻率最高的芯片（CPU、晶振）還要并10nF|470pF或一個1nF。該電容應盡可能接近芯片的電源管腳并盡可能直接連接，越小的應越靠近。
　　
??? 對于芯片濾波電容，以內（濾波電容至芯片電源管腳）的一段應盡可能粗，如能采用多根細線并排就更好。有了濾波電容提供低（交流）阻抗電壓源并抑制交流耦合干擾，電容管腳以外（指從總電源至濾波電容的一段）的電源線就不那幺重要了，線寬不必太粗，至少不必為此占用大量的板面積。某些模擬系統中還要求電源輸入采用RC濾波網絡以進一步抑制干擾，而較細的電源線有時恰好就兼具RC濾波器中電阻的作用，反而有利。
　　
??? 對于工作溫度變化范圍較大的系統，要注意鋁電解電容在低溫下性能會降低甚至喪失濾波作用，此時要用適當的鉭電容代替之。例如，用100uF鉭|1000uF鋁代替470uF鋁，或用22uF片鉭代100uF鋁。
　　
?? 注意鋁電解電容不要離大功率發熱器件太近,否則容易帶來損壞電容。