高质量PCB设计理论

高质量PCB设计理论

本文为关于PCB图布线的部分经验总结，文中内容主要适用于高精度模拟系统或低频（<50MHz）数字系统。

1.组件布置

    组件布置合理是设计出优质的PCB图的基本前提。关于组件布置的要求主要有安装、受力、受热、信号、美观六方面的要求。
1.1.安装
　　
    指在具体的应用场合下，为了将电路板顺利安装进机箱、外壳、插槽，不致发生空间干涉、短路等事故，并使指定接插件处于机箱或外壳上的指定位置而提出的一系列基本要求。这里不再赘述。

1.2.受力
　　
    电路板应能承受安装和工作中所受的各种外力和震动。为此电路板应具有合理的形状，板上的各种孔（螺钉孔、异型孔）的位置要合理安排。一般孔与板边距离至少要大于孔的直径。同时还要注意异型孔造成的板的最薄弱截面也应具有足够的抗弯强度。板上直接"伸"出设备外壳的接插件尤其要合理固定，保证长期使用的可靠性。

1.3.受热
　　
    对于大功率的、发热严重的器件，除保证散热条件外，还要注意放置在适当的位置。尤其在精密的模拟系统中，要格外注意这些器件产生的温度场对脆弱的前级放大电路的不利影响。一般功率非常大的部分应单独做成一个模块，并与信号处理电路间采取一定的热隔离措施。

1.4.信号
　　
    信号的干扰PCB版图设计中所要考虑的最重要的因素。几个最基本的方面是：弱信号电路与强信号电路分开甚至隔离；交流部分与直流部分分开；高频部分与低频部分分开；注意信号线的走向；地线的布置；适当的屏蔽、滤波等措施。这些都是大量的论着反复强调过的，这里不再重复。

1.5.美观
　　
    不仅要考虑组件放置的整齐有序，更要考虑走线的优美流畅。由于一般外行人有时更强调前者，以此来片面评价电路设计的优劣，为了产品的形象，在性能要求不苛刻时要优先考虑前者。但是，在高性能的场合，如果不得不采用双面板，而且电路板也封装在里面，平时看不见，就应该优先强调走线的美观。下一小节将会具体讨论布线的"美学"。

2.布线原则
　　
    下面详细介绍一些文献中不常见的抗干扰措施。考虑到实际应用中，尤其是产品试制中，仍大量采用双面板，以下内容主要针对双面板。

2.1.布线"美学"
　　
    转弯时要避免直角，尽量用斜线或圆弧过渡。
　　
    走线要整齐有序，分门别类集中排列，不仅可以避免不同性质信号的相互干扰，也便于检查和修改。 对于数字系统，同一阵营的信号线（如数据线、地址线）之间不必担心干扰的问题，但类似读、写、时钟这样的控制性信号，就应该独来独往，最好用地线保护起来。
　　
    大面积铺地（下面会进一步论述）时，地线（其实应该是地"面"）与信号线间尽量保持合理的相等距离，在防止短路、漏电的前提下尽量靠近。
　　
    对于弱电系统，地线与电源线要尽量靠近。
　　
     使用表贴组件的系统，信号线尽量全走正面。

2.2.地线布置
　　
    文献中对地线的重要性及布置原则有很多论述，但关于实际PCB中的地线排布仍然缺乏详细准确的介绍。我的经验是，为了提高系统的可靠性（而不只是做出一个实验样机），对地线无论怎样强调

都不为过，尤其是在微弱信号处理中。为此，必须不遗余力地贯彻"大面积铺地"的原则。
　　
    铺地时，一般必须是网格状地，除非那些被其它线路分割出来的零星地盘。网格状地的受热性能和高频导电性能都要大大优于整块的地线。在双面板布线中，有时为了走信号线，不得不将地线分割开，这对于保持足够低的地电阻是极为不利的。为此，必须采用一系列的"小聪明"手段来保证地电流的"通畅"。这些技巧包括：
　　
    大量使用表面贴装组件，省去焊孔所占用的"本来"应属于地线的空间。
　　
    充分利用正面空间：在大量使用表面贴装组件的场合下，设法使信号线尽量走顶层，将底层"无私"地让给地线，这其中又涉及到无数细碎的小窍门，本人拙作《PCB技巧之一：交换管脚》中就有一招，还有很多类似的法术，以后会陆续写出。
　　
    合理安排信号线，将板上的重要地带，尤其是"腹地"（这里关系到整个板地线的沟通）"让"给地线，只要精心设计，这一点还是能做到的。
　　
    正面与反面的配合：有时在板的某一面，地线实在是"走投无路"了，这时可设法使两面的布线相互协调，"此处不留爷，自有留爷处"，在反面的相对应位置空出一块足够的地盘铺设地线，再通过数量足够、位置合理的过孔（考虑到过孔有较大的电阻），通过这?quot;桥梁"将被横行而过的信号线强行分割却又恋恋不舍、盼望统一的两岸连成一个导电性能足够的整体。
　　
    狗急跳墙的着数：实在滕不出地方而又不甘心庞大的地线被区区一根信号线拦腰切断时，就让这个信号委屈一点，走跨接线吧。有时，我不甘心仅仅拉一根光秃秃的导线，这个信号恰好又要经过一个电阻或其它"长脚"的器件，我就可以名正言顺的延长这个器件的管脚，使之兼任跨接线的职务，既通过了信号，又避免了跨接线这个不体面的称呼:-(当然，在大多数情况下，我总可以让这样的信号从合适的地方通过而避免与地线的交叉，唯一需要的是观察力和想象力。
　　
    起码的原则：地电流的路径要合理，大电流与微弱的信号电流决不能并肩前进。有时，选择合理的路径，一个排的地线抵得上不合理配置的一个集团军。
　　
    最后，顺便说明一点，有一句名言："你可以相信你的母亲，但永远不要相信你的地"。在极微弱信号处理的场合（微伏以下），即使不择手段保证了地电位的一致，电路上关键点的地电位差别仍然要超过被处理信号的幅度，至少是同一量级，即使静态电位合适了，瞬时的电位差仍然可能很大。对于这样的场合，首先要在原理上使电路的工作尽可能的不依赖于地电位。

2.3.电源线布置与电源滤波
　　
    一般的文献都认为电源线应尽可能粗，对此我不敢完全苟同。只有在大功率（1秒内平均电源电流可能达到1A）的场合，才必须保证足够的电源线宽度（我的经验，每1A电流对应50mil能够满足大多数场合的需求）。如果只为了防止信号的窜扰的话，电源线的宽度不是关键。甚至，有时细一些的电源线更有利！电源的质量一般主要不在于其绝对值，而在于电源的波动和迭加的干扰。解决电源干扰的关键在于滤波电容！如果你的应用场合对电源质量的确有苛刻的要求，就不要吝啬滤波电容的钱！使用滤波电容时要注意以下几条：
　　
    整个电路的电源输入端应该有"总"的滤波措施，而且各种类型的电容要互相搭配，"一样都不能少"，至少不会坏事的J对于数字系统至少要有100uF电解＋ 10uF片钽＋0.1uF贴片＋1nF贴片。较高频（100kHz）100uF电解＋10uF片钽＋0.47uF贴片＋0.1uF贴片。交流模拟系统：对于直流及低频模拟系统：1000uF｜1000uF电解＋10uF片钽＋1uF贴片＋0.1uF贴片。
　　
    每个重要芯片身边都应该有"一套"滤波电容。对于数字系统，一个0.1uF贴片一般就够了，重要的或工作电流较大的芯片还应并上一个10uF片钽或1uF 贴片，工作频率最高的芯片（CPU、晶振）还要并10nF|470pF或一个1nF。该电容应尽可能接近芯片的电源管脚并尽可能直接连接，越小的应越靠近。
　　
    对于芯片滤波电容，以内（滤波电容至芯片电源管脚）的一段应尽可能粗，如能采用多根细线并排就更好。有了滤波电容提供低（交流）阻抗电压源并抑制交流耦合干扰，电容管脚以外（指从总电源至滤波电容的一段）的电源线就不那幺重要了，线宽不必太粗，至少不必为此占用大量的板面积。某些模拟系统中还要求电源输入采用RC滤波网络以进一步抑制干扰，而较细的电源线有时恰好就兼具RC滤波器中电阻的作用，反而有利。
　　
    对于工作温度变化范围较大的系统，要注意铝电解电容在低温下性能会降低甚至丧失滤波作用，此时要用适当的钽电容代替之。例如，用100uF钽|1000uF铝代替470uF铝，或用22uF片钽代100uF铝。
　　
   注意铝电解电容不要离大功率发热器件太近,否则容易带来损坏电容。