原標(biāo)題：10年老工程師總結(jié)PCB板布線絕招

一、前期規(guī)劃與布局優(yōu)化

1. 模塊化布局

• 原理：將PCB上的電路按照功能劃分為不同的模塊，如電源模塊、信號(hào)處理模塊、通信模塊等。每個(gè)模塊內(nèi)的元件盡量集中放置，模塊之間保持一定的間距，這樣可以減少不同模塊之間的信號(hào)干擾，同時(shí)也便于后續(xù)的布線和調(diào)試。

• 示例：在一個(gè)包含微控制器、傳感器和通信接口的PCB設(shè)計(jì)中，將微控制器及其周邊電路作為一個(gè)模塊，傳感器電路作為另一個(gè)模塊，通信接口單獨(dú)作為一個(gè)模塊。布局時(shí)，讓這三個(gè)模塊在PCB上分布合理，避免信號(hào)線在模塊之間交叉穿越。

2. 關(guān)鍵元件定位

• 原理：對(duì)于高頻元件、大功率元件、敏感元件等關(guān)鍵元件，要根據(jù)其特性和要求進(jìn)行合理定位。高頻元件應(yīng)盡量靠近連接器，以減少信號(hào)傳輸路徑的長(zhǎng)度，降低信號(hào)衰減和干擾；大功率元件要考慮散熱問題，放置在有利于散熱的位置，如靠近散熱片或通風(fēng)良好的區(qū)域；敏感元件要遠(yuǎn)離干擾源，如大功率開關(guān)器件、高頻變壓器等。

• 示例：在一個(gè)射頻電路中，射頻芯片作為高頻元件，應(yīng)將其放置在靠近天線連接器的位置，并且周圍要避免放置大功率的開關(guān)電源電路，以減少對(duì)射頻信號(hào)的干擾。

3. 電源與地線規(guī)劃

• 原理：電源線和地線是PCB布線中非常重要的部分，它們的布局和布線質(zhì)量直接影響電路的性能。電源線要根據(jù)電流大小選擇合適的線寬，以保證足夠的載流能力；地線要盡量寬，并且采用大面積鋪銅的方式，降低地線阻抗，減少地線噪聲。同時(shí)，要將數(shù)字地和模擬地分開，最后通過一個(gè)磁珠或零歐姆電阻單點(diǎn)連接，避免數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾。

• 示例：在一個(gè)包含數(shù)字電路和模擬電路的PCB中，將數(shù)字電路部分的地線和模擬電路部分的地線分別鋪銅，然后在PCB的一個(gè)角落通過一個(gè)零歐姆電阻將它們連接起來。電源線根據(jù)不同模塊的電流需求，分別設(shè)置不同的線寬，如大功率模塊的電源線采用較寬的線寬。

二、布線技巧與規(guī)則

1. 信號(hào)線布線

• 短而直：信號(hào)線應(yīng)盡量短而直，避免過長(zhǎng)和彎曲過多。過長(zhǎng)的信號(hào)線會(huì)增加信號(hào)的傳輸延遲和衰減，同時(shí)也會(huì)增加受到干擾的可能性；過多的彎曲會(huì)導(dǎo)致信號(hào)反射，影響信號(hào)質(zhì)量。

• 差分對(duì)布線：對(duì)于高速差分信號(hào)，如USB、HDMI等，要采用差分對(duì)布線方式。差分對(duì)的兩條信號(hào)線要相互平行、等長(zhǎng)、等距，并且盡量靠近。這樣可以有效減少電磁干擾，提高信號(hào)的抗干擾能力和傳輸質(zhì)量。

• 避免銳角和直角：信號(hào)線在轉(zhuǎn)彎時(shí)應(yīng)避免使用銳角和直角，最好采用45度角或圓弧轉(zhuǎn)彎。銳角和直角轉(zhuǎn)彎會(huì)導(dǎo)致信號(hào)線的阻抗不連續(xù)，產(chǎn)生信號(hào)反射和輻射干擾。

• 示例：在布設(shè)USB差分信號(hào)線時(shí)，將兩條信號(hào)線保持相同的長(zhǎng)度和間距，在轉(zhuǎn)彎處使用45度角過渡，并且盡量讓它們靠近在一起，遠(yuǎn)離其他干擾源。

2. 電源線與地線布線

• 電源線加粗：根據(jù)電源電流的大小，適當(dāng)加粗電源線的線寬。一般來說，電源線的線寬可以通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，或者參考PCB設(shè)計(jì)軟件中的電流承載能力表格。加粗電源線可以降低電源線的阻抗，減少電壓降和發(fā)熱。

• 地線鋪銅：在PCB的空余區(qū)域進(jìn)行大面積的地線鋪銅，這樣可以降低地線阻抗，提高地線的導(dǎo)通性能。同時(shí)，鋪銅還可以起到屏蔽干擾的作用，減少外界電磁場(chǎng)對(duì)PCB內(nèi)部電路的影響。

• 去耦電容布線：在每個(gè)芯片的電源引腳附近放置去耦電容，去耦電容的引線要盡量短，直接連接到芯片的電源引腳和地引腳。這樣可以有效濾除電源噪聲，為芯片提供穩(wěn)定的電源。

• 示例：對(duì)于一個(gè)功耗較大的芯片，其電源線采用較寬的線寬（如20mil），并且在芯片周圍進(jìn)行大面積的地線鋪銅。在芯片的電源引腳和地引腳之間放置一個(gè)0.1μF的去耦電容，電容的引線長(zhǎng)度控制在1mm以內(nèi)。

3. 布線間距與隔離

• 信號(hào)線間距：不同信號(hào)線之間要保持一定的間距，以減少信號(hào)之間的耦合干擾。一般來說，信號(hào)線間距應(yīng)根據(jù)信號(hào)的頻率和電壓等級(jí)來確定。對(duì)于高頻信號(hào)，間距要適當(dāng)增大；對(duì)于高壓信號(hào)，也要增加間距以防止擊穿。

• 敏感信號(hào)隔離：對(duì)于敏感信號(hào)，如模擬信號(hào)、小信號(hào)等，要與其他干擾信號(hào)進(jìn)行隔離?？梢圆捎玫鼐€隔離、電源隔離或物理隔離的方式。例如，在模擬信號(hào)線和數(shù)字信號(hào)線之間增加一條地線作為隔離帶。

• 示例：在一個(gè)包含模擬信號(hào)采集電路和數(shù)字控制電路的PCB中，將模擬信號(hào)線和數(shù)字信號(hào)線分別布置在PCB的不同區(qū)域，并且在它們之間用一條較寬的地線進(jìn)行隔離。同時(shí)，模擬信號(hào)部分的電源和數(shù)字信號(hào)部分的電源也分開供電，通過磁珠進(jìn)行隔離。

三、特殊情況處理

1. 高頻信號(hào)處理

• 阻抗匹配：對(duì)于高頻信號(hào)，要進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計(jì)。根據(jù)信號(hào)線的特性阻抗（一般為50Ω或75Ω），調(diào)整信號(hào)線的線寬、線距和介質(zhì)厚度等參數(shù)，使信號(hào)線的阻抗與前后級(jí)電路的阻抗相匹配。這樣可以減少信號(hào)反射，提高信號(hào)的傳輸效率。

• 屏蔽與接地：高頻信號(hào)容易受到外界電磁干擾，因此需要對(duì)高頻信號(hào)線進(jìn)行屏蔽處理。可以采用金屬屏蔽罩或屏蔽線的方式。同時(shí)，屏蔽層要良好接地，以將干擾信號(hào)引入大地。

• 示例：在一個(gè)射頻發(fā)射電路中，射頻信號(hào)線采用特性阻抗為50Ω的微帶線設(shè)計(jì)，并且在信號(hào)線周圍包裹一層金屬屏蔽罩，屏蔽罩通過多個(gè)過孔與地線連接，實(shí)現(xiàn)良好的接地。

2. 大功率電路處理

• 散熱設(shè)計(jì)：大功率電路在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，因此需要進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。可以采用增加散熱片、風(fēng)扇或優(yōu)化PCB布局等方式來提高散熱效率。例如，將大功率元件放置在PCB的邊緣或通風(fēng)良好的位置，并且在元件下方增加散熱銅箔。

• 布線載流能力：大功率電路的電源線和地線要具有足夠的載流能力，以承受大電流的通過。要根據(jù)電流大小選擇合適的線寬和銅箔厚度，并且要考慮線溫升的問題。

• 示例：在一個(gè)大功率開關(guān)電源電路中，功率開關(guān)管的散熱片通過導(dǎo)熱硅膠與PCB上的大面積銅箔連接，銅箔的寬度和厚度根據(jù)電源的輸出功率和電流大小進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，在PCB上設(shè)置多個(gè)散熱過孔，將熱量傳遞到PCB的背面，提高散熱效果。

3. 電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)

• 濾波設(shè)計(jì)：在PCB的輸入輸出端口、電源接口等位置添加濾波電路，如濾波電容、電感、磁珠等，以濾除外界的電磁干擾和內(nèi)部電路產(chǎn)生的噪聲。

• 接地設(shè)計(jì)：良好的接地設(shè)計(jì)是提高電磁兼容性的關(guān)鍵。除了前面提到的數(shù)字地和模擬地分開、大面積鋪銅等措施外，還要注意接地的連續(xù)性和低阻抗?？梢圆捎枚帱c(diǎn)接地或混合接地的方式，根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。

• 示例：在一個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)的PCB中，在電源輸入端添加一個(gè)π型濾波電路，由兩個(gè)電容和一個(gè)電感組成，用于濾除電源中的高頻噪聲。同時(shí)，在PCB的各個(gè)關(guān)鍵部位設(shè)置多個(gè)接地過孔，將地線連接到PCB的底層大面積鋪銅上，保證接地的低阻抗。

四、布線后檢查與優(yōu)化

1. 電氣規(guī)則檢查（ERC）

• 原理：使用PCB設(shè)計(jì)軟件中的電氣規(guī)則檢查功能，對(duì)布線后的PCB進(jìn)行電氣規(guī)則檢查。檢查內(nèi)容包括信號(hào)線短路、斷路、間距不足、電源和地線連接錯(cuò)誤等問題。通過ERC可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正布線中的電氣錯(cuò)誤，提高PCB的可靠性。

• 示例：在Altium Designer軟件中，運(yùn)行電氣規(guī)則檢查命令，軟件會(huì)根據(jù)設(shè)定的規(guī)則對(duì)PCB進(jìn)行檢查，并標(biāo)記出存在的錯(cuò)誤。工程師可以根據(jù)標(biāo)記的錯(cuò)誤信息，對(duì)布線進(jìn)行修改。

2. 信號(hào)完整性分析（SI）

• 原理：對(duì)于高速信號(hào)或?qū)π盘?hào)質(zhì)量要求較高的電路，需要進(jìn)行信號(hào)完整性分析。通過仿真軟件模擬信號(hào)在PCB上的傳輸過程，分析信號(hào)的波形、延遲、反射、串?dāng)_等參數(shù)，評(píng)估信號(hào)的質(zhì)量。根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)布線進(jìn)行優(yōu)化，如調(diào)整信號(hào)線的長(zhǎng)度、間距、阻抗等。

• 示例：使用HyperLynx等信號(hào)完整性分析軟件，對(duì)PCB上的高速差分信號(hào)進(jìn)行仿真分析。如果發(fā)現(xiàn)信號(hào)存在反射或串?dāng)_問題，可以通過調(diào)整差分對(duì)的長(zhǎng)度匹配或增加隔離帶等方式進(jìn)行優(yōu)化。

3. 熱分析

• 原理：對(duì)于大功率電路或發(fā)熱量較大的PCB，需要進(jìn)行熱分析。通過熱分析軟件模擬PCB在工作時(shí)的溫度分布情況，找出熱點(diǎn)區(qū)域。根據(jù)熱分析結(jié)果，對(duì)PCB的布局和散熱設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，如調(diào)整元件的位置、增加散熱措施等，以保證PCB在正常工作溫度范圍內(nèi)。

• 示例：使用FloTHERM等熱分析軟件，對(duì)PCB進(jìn)行熱仿真分析。如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)大功率元件周圍的溫度過高，可以調(diào)整該元件的位置，或者在其周圍增加散熱銅箔和散熱過孔，改善散熱條件。

通過以上這些布線絕招，老工程師可以有效地提高PCB板的質(zhì)量和性能，減少電磁干擾和信號(hào)問題，確保電路的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。在實(shí)際的PCB設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)具體的電路要求和設(shè)計(jì)規(guī)范，靈活運(yùn)用這些技巧和方法