詳解八層PCB主板設計要點

今天的文章給同行朋友們重點介紹一款虛擬家用產品的PCB設計，該產品涵蓋了目前業界一些常用的主流的電路模塊，包含了DCDC開關電源、千兆以太網、無線WIFI射頻模塊、HDMI高清視頻接口、USB3.0高速串行接口、DDR4高速存儲器電路、模擬音頻（MIC、Audio、Speaker）等。為了讓大家更好的理解并掌握這些模塊的PCB設計，我將對每個模塊的PCB設計要求一一列出并配圖說明，希望學習本文 后能提高大家的PCB設計水平。

1.PCB總體設計要求：

（1）PCB外形為長方形，尺寸按照PCB文件中板框設計（130mmX110mm）；

（2）所有電路接口全部放在板左側（位置已固定，不可移動）；

（3）2個喇叭插座放在板右側（垂直位置不限）；

（4）板厚1.6mm，層數無要求，但是應盡可能減少層數以降低成本；

（5）DDR4（2400MT/s）以及USB-3.0，HDMI等高速電路設計應滿足相應規范要求；

（6）音頻電路模塊以及無線網絡電路模塊需要加屏蔽罩保護；

（7）選手應充分考慮加工制造方面的工藝性要求，做好DFM可制造性設計。

該PCB如下圖所示

2.層疊阻抗設計

因為該產品是一款消費類產品，在做層疊設計時遵循以下原則即可：

（1）滿足各種類型高速信號的阻抗控制要求；

（2）滿足DDR信號與高速串行信號的參考層要求；

（3）滿足電源供應與地平面的設計要求；

（4）合理設計參考層疊結構以及控制層數和成本；

（5）注意假八層和六層板的成本與性能差異的均衡。

其層疊設計如下圖所示

根據層疊結構計算出來的各阻抗線寬線距如下圖所示

3.以太網接口設計

常見以太網口集成網絡變壓器和非集成網絡變壓器兩種：

A.集成在以太網口內部，外面有屏蔽鐵殼，對外界抗干擾和自身電磁輻射干擾其他元件的影響減小，也可以節省PCB上的空間:

B.非集成以太網口，如果不同系統需要的網絡變壓器不同，因為以太網接口卻是標準的，只需替換網絡變壓器，就能滿足不同的設計要求，且分離的網絡變壓器結構更簡單，成本更低。

在該項目中網口為非集成以太網接口，其模塊電路主要由以太網接口RJ45，網絡變壓器，PHY芯片三部分組成，如下圖所示。

其layout要求如下：

布局要求：

（1）以太網口的位置根據結構要求放置，網絡變壓器靠近以太網口，PHY芯片靠近變壓器，如果以太網口集成了網絡變壓器，則PHY芯片靠近以太網口放置；

（2）部分網口有ESD要求，布局時考慮布線要先經過ESD器件；

（3）對于網絡變壓器的中心抽頭電容放置在PIN的背面；

（4）機殼地通常采用電阻或磁珠與板內地單點接地處理，要使機殼地的走線盡量短，磁珠的位置應該放置再靠近機殼地的位置。

其接口電路布局如下圖所示

布線要求：

（1）以太網口屬于外接網口，網絡輸入到該接口速率較高，會產生較大的干擾，特別是銅皮會產生感應電流。集成網絡變壓器的以太網口需要將除差分管腳外的信號所有挖空，非集成網絡變壓器的以太網口需要挖空整個以太網口和網絡變壓器（除次級端外）

（2）非集成網絡變壓器以太網口，初級端的差分線可以忽略阻抗要求，線寬根據實際情況加寬，并保持走線最短：次級差分按100歐姆的差分線要求處理

（3）挖空區避免走線，如果實在沒有辦法需要走線，變壓器部分避免打孔以減少干擾

（4）機殼地走線加粗，一般采用1mm，機殼地與板內板的邊緣間距需要≥1mm

（5）電源地網絡加粗，變壓器中心抽頭線需要加粗

（6）等長要求，TX與TX做等長，RX與RX做等長，以時鐘為基準控制25mil

（7）以太網芯片，TX和RX最好分不同層走，如果同層，間距拉開4W

（8）以太網芯片發熱量較大，需要增加散熱孔或背面開窗。

其接口電路布線如下圖所示

4.USB3.0接口電路PCB設計

USB，是英文Universal Serial Bus（通用串行總線）的縮寫，是一個外部總線標準，用于規范電腦與外部設備的連接和通訊，應用在PC領域的接口技術。USB接口支持設備的即插即用和熱插拔功能。USB接口電路比較簡單，主要由USB3.0接口，ESD器件和共模器件，USB供電模塊，如下圖所示。

USB3.0接口電路PCB layout設計要求如下：

（1）特性阻抗：差分90歐姆，優先以地平面為參考；

（2）ESD器件靠近接口，信號先經過ESD器件，再接到芯片；

（3）差分線換層時，50mil范圍內需要有回流地孔過；

（4）差分線對內長度誤差小于5mil；

（5）原理圖標注電流2A，線寬大于80mil。

其PCB設計如下圖所示。

5.HDMI接口電路PCB設計

HDMI（High-Definition Multimedia Interface）高清多媒體接口，可以提供高達5Gbps的數據傳輸帶寬，可以傳送無壓縮的音頻和高分辨率的視頻信號，同時無需在信號傳送前進行數?；蚰缔D換，可以保證高質量的影音信號傳送HDMI在針腳上和DVI兼容，只是采用了不同的封裝，與DVI相比，HDMI可以傳輸數字音頻信號，并增加了對HDCP的支持，同時提供了更好的DC可選功能。

HDMI支持5Gbps的數據傳輸，最遠可以傳輸15米，足以應付一個1080P的視頻和一個8聲道的音頻信號，而這些信號需求少于4GB/S，因此HDMI還有很大的余量。這允許它可以用一個電纜分別接DVD播放器。接收器和PRR，此外HDMI還支持EDID，DDC2B，因此HDMI的設備具有“即插即用”的特點，信號源和顯示設備之間會自動進行“協商”，自動選擇最合適的視頻/音頻格式。

HDMI接口電路比較簡單，主要由HDMI接口，ESD器件和共模器件，HDMI供電等。如下圖所示。

HDMI接口電路PCB layout設計要求如下：

（1）特性阻抗控制100 Ω；

（2）ESD器件靠近HDMI輸入接口，共模電感靠近ESD器件，匹配電阻并排放置；

（3）差分對組內誤差控制5mil；

（4）組與組間距要求20mil以上；

（5）有完整的參考地平面。

PCB設計如下圖所示

6.音頻模擬電路PCB設計

音頻電路主要包含MIC、耳機、喇叭等音頻接口、音頻IC模塊，如下圖所示。

Layout設計要求如下：

（1）布局按照正確的信號流向和先后順序，讓每個器件都發揮其作用，ESD器件最靠近接口放置；

（2）MIC/耳機/喇叭是模擬信號，走線加粗至8～15mil；

（3）MIC/耳機分開包地處理，喇叭+/-兩個信號走類差分包地處理；

（4）遠離敏感的數字信號和電源；

（5）音頻集成模塊需添加屏蔽罩；

（6）注意數模分區.

PCB設計如下圖所示

7.無線WIFI視頻電路PCB設計

無線wifi射頻電路主要包括射頻收發電路和AD芯片模塊，射頻收發電路是需要我們需要重點關注的部分，AD芯片模塊如下圖所示。

8.射頻收發模塊如下圖所示。

無線wifi射頻電路layout設計要求如下：

（1）RF主通路要順且直，在同一屏蔽腔內布局時可按信號由小到大一字布局，空間不足時可以采用L型布局，布局空間限制時，RF電路采用45度角放置；

（2）布局時需要給射頻區域預留屏蔽罩或隔金的空間，一般屏蔽罩寬度要大于2mm，最小要大于1mm。屏蔽罩的形狀需要采用規則的正方形或長方形，有利于加工，降低開模成本。有些屏蔽罩只加一面，但有些屏蔽罩是表底兩面都加；

（3）對于RF電路PCB布線層面優先選擇表底層布線，利用中間平面作為電源和地線層，這樣可以起到一定的屏蔽作用，可以有效的降低寄生電感，減少信號間的交叉干擾；

（4）RF信號轉彎時需要采用圓弧布線，這樣可以減少高頻信號的反射及信號能量的相互耦合；

（5）RF布線長度需要越短越好，且布線兩邊需要嚴格做包地處理，包地線上需要多打地孔，兩邊的過孔沒必要打的太整齊，兩邊的過孔盡量交錯的打孔，這樣shield效果更好；

（6）包地線離RF太近會降低RF的阻抗，為了讓其周圍的包地平面不影響RF的阻抗，包地離RF信號至少在20mil以上，推薦30mil以上；

（7）線寬突變的地方需要采用漸進線設計，采用漸進線設計可以減少阻抗突變帶來的反射和能量損耗。

Layout設計如下圖所示。

9.主電源模塊DCDC PCB設計

該電源電路模塊包含外置MOS管，雙通道輸出1V和5V電源，相位互補，DRC電流檢測等特點，layout時需要重點關注大電流地，開關管和續流管的輸入輸出，電流檢測的差分采樣等。其電源原理如下圖所示。

DCDC電路的布局要求如下：

（1）確定模塊在板上的位置：是一個強烈的EMI輻射源！應遠離時鐘、接口等敏感器件擺放；

（2）確定原理框圖中各個部分的核心器件：輸入整流（可選）、輸入濾波、開關管、控制電路、輸出濾波；

（3）開關管：布局緊湊，布局考慮大電流通道，輸入輸出的地能夠直接相連，且環路面積最??；

（4）輸入濾波：緊湊開關管，確保能做到大電流先濾波再進入開關管；

（5）輸出濾波：緊靠開關管，確保大電流吸納濾波在進入單板平面；

（6）控制電路的采樣電路：采樣電阻放在輸出濾波與比較電路的中間，布局時保證采樣電路盡量靠近芯片管腳，靠近比較電路；

（7）控制電路的比較電路，靠近控制芯片擺放；

（8）控制電路本身的濾波網絡：電容盡量靠近相應管腳。

布線要求如下：

（1）開關管部分盡量粗短，一般用鋪銅實現；

（2）輸入輸出濾波：注意到電源平面的過孔數目和位置，在濾波電容之后；

（3）控制電路的采樣：模擬信號，采樣點在輸出濾波之后，如果有電流采樣和電壓采樣，布成差分線的緊耦合形式，采樣線盡量短，減 小受干擾的空間；

（4）控制電路的調制輸出：模擬信號，不要在開關管下走長線，遠離大電流的電源和地的區域

（5）輸入輸出的地：用大銅皮連接到一起；

（6）控制電路的地：模擬地，與大電流地分開，遠端單點接地；

（7）芯片的GATE信號要走15以上，最好不打孔，允許有兩個孔，遠離干擾。

Layout設計如下圖所示

10.DDR4模塊的設計

DDR4模塊在往期的文章已有詳細的介紹，相信很多小伙伴已經看過并掌握了，這里就不再介紹。

好了，整板電路模塊的PCB設計已經都介紹完了，該產品最終完成的PCB如下圖所示。