详解八层PCB主板设计要点

今天的文章给同行朋友们重点介绍一款虚拟家用产品的PCB设计，该产品涵盖了目前业界一些常用的主流的电路模块，包含了DCDC开关电源、千兆以太网、无线WIFI射频模块、HDMI高清视频接口、USB3.0高速串行接口、DDR4高速存储器电路、模拟音频（MIC、Audio、Speaker）等。为了让大家更好的理解并掌握这些模块的PCB设计，我将对每个模块的PCB设计要求一一列出并配图说明，希望学习本文 后能提高大家的PCB设计水平。

1.PCB总体设计要求：

（1）PCB外形为长方形，尺寸按照PCB文件中板框设计（130mmX110mm）；

（2）所有电路接口全部放在板左侧（位置已固定，不可移动）；

（3）2个喇叭插座放在板右侧（垂直位置不限）；

（4）板厚1.6mm，层数无要求，但是应尽可能减少层数以降低成本；

（5）DDR4（2400MT/s）以及USB-3.0，HDMI等高速电路设计应满足相应规范要求；

（6）音频电路模块以及无线网络电路模块需要加屏蔽罩保护；

（7）选手应充分考虑加工制造方面的工艺性要求，做好DFM可制造性设计。

该PCB如下图所示

2.层叠阻抗设计

因为该产品是一款消费类产品，在做层叠设计时遵循以下原则即可：

（1）满足各种类型高速信号的阻抗控制要求；

（2）满足DDR信号与高速串行信号的参考层要求；

（3）满足电源供应与地平面的设计要求；

（4）合理设计参考层叠结构以及控制层数和成本；

（5）注意假八层和六层板的成本与性能差异的均衡。

其层叠设计如下图所示

根据层叠结构计算出来的各阻抗线宽线距如下图所示

3.以太网接口设计

常见以太网口集成网络变压器和非集成网络变压器两种：

A.集成在以太网口内部，外面有屏蔽铁壳，对外界抗干扰和自身电磁辐射干扰其他元件的影响减小，也可以节省PCB上的空间:

B.非集成以太网口，如果不同系统需要的网络变压器不同，因为以太网接口却是标准的，只需替换网络变压器，就能满足不同的设计要求，且分离的网络变压器结构更简单，成本更低。

在该项目中网口为非集成以太网接口，其模块电路主要由以太网接口RJ45，网络变压器，PHY芯片三部分组成，如下图所示。

其layout要求如下：

布局要求：

（1）以太网口的位置根据结构要求放置，网络变压器靠近以太网口，PHY芯片靠近变压器，如果以太网口集成了网络变压器，则PHY芯片靠近以太网口放置；

（2）部分网口有ESD要求，布局时考虑布线要先经过ESD器件；

（3）对于网络变压器的中心抽头电容放置在PIN的背面；

（4）机壳地通常采用电阻或磁珠与板内地单点接地处理，要使机壳地的走线尽量短，磁珠的位置应该放置再靠近机壳地的位置。

其接口电路布局如下图所示

布线要求：

（1）以太网口属于外接网口，网络输入到该接口速率较高，会产生较大的干扰，特别是铜皮会产生感应电流。集成网络变压器的以太网口需要将除差分管脚外的信号所有挖空，非集成网络变压器的以太网口需要挖空整个以太网口和网络变压器（除次级端外）

（2）非集成网络变压器以太网口，初级端的差分线可以忽略阻抗要求，线宽根据实际情况加宽，并保持走线最短：次级差分按100欧姆的差分线要求处理

（3）挖空区避免走线，如果实在没有办法需要走线，变压器部分避免打孔以减少干扰

（4）机壳地走线加粗，一般采用1mm，机壳地与板内板的边缘间距需要≥1mm

（5）电源地网络加粗，变压器中心抽头线需要加粗

（6）等长要求，TX与TX做等长，RX与RX做等长，以时钟为基准控制25mil

（7）以太网芯片，TX和RX最好分不同层走，如果同层，间距拉开4W

（8）以太网芯片发热量较大，需要增加散热孔或背面开窗。

其接口电路布线如下图所示

4.USB3.0接口电路PCB设计

USB，是英文Universal Serial Bus（通用串行总线）的缩写，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯，应用在PC领域的接口技术。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB接口电路比较简单，主要由USB3.0接口，ESD器件和共模器件，USB供电模块，如下图所示。

USB3.0接口电路PCB layout设计要求如下：

（1）特性阻抗：差分90欧姆，优先以地平面为参考；

（2）ESD器件靠近接口，信号先经过ESD器件，再接到芯片；

（3）差分线换层时，50mil范围内需要有回流地孔过；

（4）差分线对内长度误差小于5mil；

（5）原理图标注电流2A，线宽大于80mil。

其PCB设计如下图所示。

5.HDMI接口电路PCB设计

HDMI（High-Definition Multimedia Interface）高清多媒体接口，可以提供高达5Gbps的数据传输带宽，可以传送无压缩的音频和高分辨率的视频信号，同时无需在信号传送前进行数模或模数转换，可以保证高质量的影音信号传送HDMI在针脚上和DVI兼容，只是采用了不同的封装，与DVI相比，HDMI可以传输数字音频信号，并增加了对HDCP的支持，同时提供了更好的DC可选功能。

HDMI支持5Gbps的数据传输，最远可以传输15米，足以应付一个1080P的视频和一个8声道的音频信号，而这些信号需求少于4GB/S，因此HDMI还有很大的余量。这允许它可以用一个电缆分别接DVD播放器。接收器和PRR，此外HDMI还支持EDID，DDC2B，因此HDMI的设备具有“即插即用”的特点，信号源和显示设备之间会自动进行“协商”，自动选择最合适的视频/音频格式。

HDMI接口电路比较简单，主要由HDMI接口，ESD器件和共模器件，HDMI供电等。如下图所示。

HDMI接口电路PCB layout设计要求如下：

（1）特性阻抗控制100 Ω；

（2）ESD器件靠近HDMI输入接口，共模电感靠近ESD器件，匹配电阻并排放置；

（3）差分对组内误差控制5mil；

（4）组与组间距要求20mil以上；

（5）有完整的参考地平面。

PCB设计如下图所示

6.音频模拟电路PCB设计

音频电路主要包含MIC、耳机、喇叭等音频接口、音频IC模块，如下图所示。

Layout设计要求如下：

（1）布局按照正确的信号流向和先后顺序，让每个器件都发挥其作用，ESD器件最靠近接口放置；

（2）MIC/耳机/喇叭是模拟信号，走线加粗至8～15mil；

（3）MIC/耳机分开包地处理，喇叭+/-两个信号走类差分包地处理；

（4）远离敏感的数字信号和电源；

（5）音频集成模块需添加屏蔽罩；

（6）注意数模分区.

PCB设计如下图所示

7.无线WIFI视频电路PCB设计

无线wifi射频电路主要包括射频收发电路和AD芯片模块，射频收发电路是需要我们需要重点关注的部分，AD芯片模块如下图所示。

8.射频收发模块如下图所示。

无线wifi射频电路layout设计要求如下：

（1）RF主通路要顺且直，在同一屏蔽腔内布局时可按信号由小到大一字布局，空间不足时可以采用L型布局，布局空间限制时，RF电路采用45度角放置；

（2）布局时需要给射频区域预留屏蔽罩或隔金的空间，一般屏蔽罩宽度要大于2mm，最小要大于1mm。屏蔽罩的形状需要采用规则的正方形或长方形，有利于加工，降低开模成本。有些屏蔽罩只加一面，但有些屏蔽罩是表底两面都加；

（3）对于RF电路PCB布线层面优先选择表底层布线，利用中间平面作为电源和地线层，这样可以起到一定的屏蔽作用，可以有效的降低寄生电感，减少信号间的交叉干扰；

（4）RF信号转弯时需要采用圆弧布线，这样可以减少高频信号的反射及信号能量的相互耦合；

（5）RF布线长度需要越短越好，且布线两边需要严格做包地处理，包地线上需要多打地孔，两边的过孔没必要打的太整齐，两边的过孔尽量交错的打孔，这样shield效果更好；

（6）包地线离RF太近会降低RF的阻抗，为了让其周围的包地平面不影响RF的阻抗，包地离RF信号至少在20mil以上，推荐30mil以上；

（7）线宽突变的地方需要采用渐进线设计，采用渐进线设计可以减少阻抗突变带来的反射和能量损耗。

Layout设计如下图所示。

9.主电源模块DCDC PCB设计

该电源电路模块包含外置MOS管，双通道输出1V和5V电源，相位互补，DRC电流检测等特点，layout时需要重点关注大电流地，开关管和续流管的输入输出，电流检测的差分采样等。其电源原理如下图所示。

DCDC电路的布局要求如下：

（1）确定模块在板上的位置：是一个强烈的EMI辐射源！应远离时钟、接口等敏感器件摆放；

（2）确定原理框图中各个部分的核心器件：输入整流（可选）、输入滤波、开关管、控制电路、输出滤波；

（3）开关管：布局紧凑，布局考虑大电流通道，输入输出的地能够直接相连，且环路面积最小；

（4）输入滤波：紧凑开关管，确保能做到大电流先滤波再进入开关管；

（5）输出滤波：紧靠开关管，确保大电流吸纳滤波在进入单板平面；

（6）控制电路的采样电路：采样电阻放在输出滤波与比较电路的中间，布局时保证采样电路尽量靠近芯片管脚，靠近比较电路；

（7）控制电路的比较电路，靠近控制芯片摆放；

（8）控制电路本身的滤波网络：电容尽量靠近相应管脚。

布线要求如下：

（1）开关管部分尽量粗短，一般用铺铜实现；

（2）输入输出滤波：注意到电源平面的过孔数目和位置，在滤波电容之后；

（3）控制电路的采样：模拟信号，采样点在输出滤波之后，如果有电流采样和电压采样，布成差分线的紧耦合形式，采样线尽量短，减 小受干扰的空间；

（4）控制电路的调制输出：模拟信号，不要在开关管下走长线，远离大电流的电源和地的区域

（5）输入输出的地：用大铜皮连接到一起；

（6）控制电路的地：模拟地，与大电流地分开，远端单点接地；

（7）芯片的GATE信号要走15以上，最好不打孔，允许有两个孔，远离干扰。

Layout设计如下图所示

10.DDR4模块的设计

DDR4模块在往期的文章已有详细的介绍，相信很多小伙伴已经看过并掌握了，这里就不再介绍。

好了，整板电路模块的PCB设计已经都介绍完了，该产品最终完成的PCB如下图所示。