高速PCB布局设计技巧

PCB设计是硬件工程师的必备技能之一。现在，工程师常常面临的局面是产品功能越来越强大，而尺寸越来越小，设计周期越来越短的挑战。如果有非常强大的PCB设计技能在身，相信肯定可以轻松搞定。

第四季Back2School的第二节课，邀请到林超文老师教大家制版技能，以及如何快速地依据规则做出PCB设计。

1PCB设计，仅仅是开始

走出误区，PCB设计、功能实现，仅仅完成30%的工作。

很多同学会认为硬件设计指的是电路设计，这样说也没问题的，因为你所有的工作都是围绕电路设计，最终的目标也是产出一个优秀的电路，能够满足各种要求，经历各种考验。但实际上我们要求的是产品，而不是单板。

真正的硬件设计就是根据产品经理的需求PRS(Product Requirement Specification)，在满足性价比的要求下，利用目前业界成熟的芯片方案或者技术，在规定时间内完成符合：要求的硬件产品(注意：是产品，而不是开发板)。

√ PRS功能(Function)

√ 性能(Perrformance)

√ 电源设计(Power Supply)

√ 功耗(Power Consumption)

√ 散热(Thermal/Cooling)

√ 噪音(Noise)

√ 信号完整性(Signal Integrity)

√ 电磁辐射(EMC/EMI)

√ 安规(Safet)

√ 器件采购(Component Sourcing)

√ 可靠性(Reliability)

√ 可测试性(DFT: design for test)

√ 可生产性(DFM：design for manufacture)可以看到，一个成功的硬件设计，主要功能的实现只是所有环节中的一小部分。刚开始工作的时候，觉得板子电路设计完就完成了50%工作，PCB回板主要功能都能实现了，那就完成了80%的工作。实际上不是的，PCB回板主要功能都实现了，连30%工作都没有。所以不管是时间上，还是阶段上，产品的硬件设计是一个漫长的过程。

2工程师技能要求

初级硬件工程师技能要求：√ 熟悉模拟电路、数字电路知识，熟悉常用电子元器件特性√ 熟悉PCB设计流程和规范，熟悉Altium Designer等EDA软件√ 熟练使用测试仪器(示波器、万用表、烙铁、焊台、逻辑分析仪等)√ 熟悉嵌入式硬件架构和通用硬件接口(RAMNAND FLASHEMMCUSBDVIHDMICANI2CI2SUARTLCDLVDS等)

√ 熟悉电子产品开发流程、生产工艺流程

中级硬件工程师技能要求：√ 精通STM32、ARM、DSP、FPGA等处理器硬件设计√ 具有高速数字电路，熟练进行六层或以上层数的PCB设计，有丰富的PCB设计经验√ 独立完成硬件产品的原理图设计、PCB设计、调试、顺利阅读器件datasheet√ 熟悉硬件电路可靠性设计和测试方法，具备RF、SI、PI、EMC的相关知识

√ 负责产品生命周期的硬件开发工作，包括攒写设计规格书、详细设计方案、硬件测试以及产品的维修指导书等工作

高级硬件工程师技能要求：√ 负责硬件产品的战略规划√ 完成产品的开发、测试、版本管理、评审发布、产品上线等相关工作√ 负责与外观、模具、元器件、制板、焊接、外包装、组装、配件等第三方合作厂商深度沟通√ 为产品研发团队拟定明确有竞争力的产品方向，并能够统筹和推动研发执行√ 持续关注并研究行业前沿技术，挖掘新技术在产品上实施的可行性，以保证产品在技术上的持续创新

√ 负责软硬资源整合，把控产品的品质管理、生产成本等

优秀PCB工程师特征：好的PCB设计考虑的技术方面众多，包括电路性能、DFX、热设计、EMC设计、信号完整性、电源完整性、结构设计、可靠性、成本等诸多方面，甚至也需要考虑布局美观。

3高速PCB设计流程

高速PCB设计流程：

4PCB叠层理论基础

多层板层叠的一般原则：1)元件面相邻层为地平面(屏蔽和提供连续的参考平面);2)所有的信号层尽可能与地平面相邻;3)尽量避免两个信号层直接相邻;4)主电源尽可能与其对应地相邻;5)兼顾层压结构结构; (翘曲度<0.75%)

6)采用偶数层结构;(制造工艺，成本，层压，翘曲度)

地和电源平面实现3个功能：为数字信号的转换提供稳定的参考电压、为所有的逻辑器件分配电源、控制信号之间的串扰。

在低速电路中，电流沿着最小电阻路径前进;在高速电路里、高速电流沿着最小电感路径前进。

电源的对地阻抗应该最低：

D为电源平面同地平面之间的间距，W为平面之间的面积。

尽量减小信号线宽度，线距会加大，串扰会减小。信号线的阻抗：

H(介质厚度)对阻抗影响最大。

平面隔离时，应使用额外的地平面而不是电源平面来隔离布线层。

5高速PCB布局设计技巧

布局的好坏往往决定着单板的成败!

快速模块化，高速PCB布局常用的一种方法，根据原理图把一个个小功能模块布好后再往板内整体布局;分清主次，需要特殊处理的地方要提前考虑。

除此之外，还包含交互式布局、飞线引导布局法、Net标注法、位号居中、以及各种结构件对齐。

好的设计习惯是PCB一板成功的基础：

1)优先规划地平面和电源平面

2)先打孔、后走线：布线时候尽量避免过孔让线，漏打孔是初级设计师经常容易犯的问题之一，比如滤波电容。

6设计验证

1)检查整板滤波电容、去耦电容的设计

2)检查每路电源的电源平面是否存在瓶颈

3)3W原则，PCB设计中为了减少线间串扰，应保证线间距足够大，当线中心间距不少于3倍线宽时，则可保持大部分电场不互相干扰

4)20H原则：指电源层相对地层内缩20H的距离，这是为了抑制边缘辐射效应。在板的边缘会向外辐射电磁干扰。将电源层内缩，使得电场只在接地层的范围内传导。

5)环绕地设计，地空越多越好，使每一层紧密的连接在一起

6)跨岛处理，在 PCB 设计过程中，由于平面的分割，可能会导致信号参考平面不连续，对于低频信号，可能没什么关系，而在高频数字系统中，高频信号以参考平面作返回路径，即回流路径，如果参考平面不连续，信号跨分割，这就会带来诸多的问题，如 EMI、串扰等问题。这种情况下，需要对分割进行缝补，为信号提供较短的回流通路。

常见的跨岛处理方式：添加缝补电容(Stiching Capacitor)，跨线桥接。

审核编辑：汤梓红