高質(zhì)量PCB設(shè)計(jì)理論

本文為關(guān)于PCB圖布線的部分經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，文中內(nèi)容主要適用于高精度模擬系統(tǒng)或低頻（<50MHz）數(shù)字系統(tǒng)。

1.組件布置

組件布置合理是設(shè)計(jì)出優(yōu)質(zhì)的PCB圖的基本前提。關(guān)于組件布置的要求主要有安裝、受力、受熱、信號(hào)、美觀六方面的要求。

1.1.安裝

指在具體的應(yīng)用場(chǎng)合下，為了將電路板順利安裝進(jìn)機(jī)箱、外殼、插槽，不致發(fā)生空間干涉、短路等事故，并使指定接插件處于機(jī)箱或外殼上的指定位置而提出的一系列基本要求。這里不再贅述。

1.2.受力

電路板應(yīng)能承受安裝和工作中所受的各種外力和震動(dòng)。為此電路板應(yīng)具有合理的形狀，板上的各種孔（螺釘孔、異型孔）的位置要合理安排。一般孔與板邊距離至少要大于孔的直徑。同時(shí)還要注意異型孔造成的板的最薄弱截面也應(yīng)具有足夠的抗彎強(qiáng)度。板上直接"伸"出設(shè)備外殼的接插件尤其要合理固定，保證長(zhǎng)期使用的可靠性。

1.3.受熱

對(duì)于大功率的、發(fā)熱嚴(yán)重的器件，除保證散熱條件外，還要注意放置在適當(dāng)?shù)奈恢?。尤其在精密的模擬系統(tǒng)中，要格外注意這些器件產(chǎn)生的溫度場(chǎng)對(duì)脆弱的前級(jí)放大電路的不利影響。一般功率非常大的部分應(yīng)單獨(dú)做成一個(gè)模塊，并與信號(hào)處理電路間采取一定的熱隔離措施。

1.4.信號(hào)

信號(hào)的干擾PCB版圖設(shè)計(jì)中所要考慮的最重要的因素。幾個(gè)最基本的方面是：弱信號(hào)電路與強(qiáng)信號(hào)電路分開(kāi)甚至隔離；交流部分與直流部分分開(kāi)；高頻部分與低頻部分分開(kāi)；注意信號(hào)線的走向；地線的布置；適當(dāng)?shù)钠帘?、濾波等措施。這些都是大量的論著反復(fù)強(qiáng)調(diào)過(guò)的，這里不再重復(fù)。

1.5.美觀

不僅要考慮組件放置的整齊有序，更要考慮走線的優(yōu)美流暢。由于一般外行人有時(shí)更強(qiáng)調(diào)前者，以此來(lái)片面評(píng)價(jià)電路設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，為了產(chǎn)品的形象，在性能要求不苛刻時(shí)要優(yōu)先考慮前者。但是，在高性能的場(chǎng)合，如果不得不采用雙面板，而且電路板也封裝在里面，平時(shí)看不見(jiàn)，就應(yīng)該優(yōu)先強(qiáng)調(diào)走線的美觀。下一小節(jié)將會(huì)具體討論布線的"美學(xué)"。

2.布線原則

下面詳細(xì)介紹一些文獻(xiàn)中不常見(jiàn)的抗干擾措施?？紤]到實(shí)際應(yīng)用中，尤其是產(chǎn)品試制中，仍大量采用雙面板，以下內(nèi)容主要針對(duì)雙面板。

2.1.布線"美學(xué)"

轉(zhuǎn)彎時(shí)要避免直角，盡量用斜線或圓弧過(guò)渡。

走線要整齊有序，分門別類集中排列，不僅可以避免不同性質(zhì)信號(hào)的相互干擾，也便于檢查和修改。 對(duì)于數(shù)字系統(tǒng)，同一陣營(yíng)的信號(hào)線（如數(shù)據(jù)線、地址線）之間不必?fù)?dān)心干擾的問(wèn)題，但類似讀、寫、時(shí)鐘這樣的控制性信號(hào)，就應(yīng)該獨(dú)來(lái)獨(dú)往，最好用地線保護(hù)起來(lái)。

大面積鋪地（下面會(huì)進(jìn)一步論述）時(shí)，地線（其實(shí)應(yīng)該是地"面"）與信號(hào)線間盡量保持合理的相等距離，在防止短路、漏電的前提下盡量靠近。

對(duì)于弱電系統(tǒng)，地線與電源線要盡量靠近。

使用表貼組件的系統(tǒng)，信號(hào)線盡量全走正面。

2.2.地線布置

文獻(xiàn)中對(duì)地線的重要性及布置原則有很多論述，但關(guān)于實(shí)際PCB中的地線排布仍然缺乏詳細(xì)準(zhǔn)確的介紹。我的經(jīng)驗(yàn)是，為了提高系統(tǒng)的可靠性（而不只是做出一個(gè)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)），對(duì)地線無(wú)論怎樣強(qiáng)調(diào)都不為過(guò)，尤其是在微弱信號(hào)處理中。為此，必須不遺余力地貫徹"大面積鋪地"的原則。

鋪地時(shí)，一般必須是網(wǎng)格狀地，除非那些被其它線路分割出來(lái)的零星地盤。網(wǎng)格狀地的受熱性能和高頻導(dǎo)電性能都要大大優(yōu)于整塊的地線。在雙面板布線中，有時(shí)為了走信號(hào)線，不得不將地線分割開(kāi)，這對(duì)于保持足夠低的地電阻是極為不利的。為此，必須采用一系列的"小聰明"手段來(lái)保證地電流的"通暢"。這些技巧包括：

大量使用表面貼裝組件，省去焊孔所占用的"本來(lái)"應(yīng)屬于地線的空間。

充分利用正面空間：在大量使用表面貼裝組件的場(chǎng)合下，設(shè)法使信號(hào)線盡量走頂層，將底層"無(wú)私"地讓給地線，這其中又涉及到無(wú)數(shù)細(xì)碎的小竅門，本人拙作《PCB技巧之一：交換管腳》中就有一招，還有很多類似的法術(shù)，以后會(huì)陸續(xù)寫出。

合理安排信號(hào)線，將板上的重要地帶，尤其是"腹地"（這里關(guān)系到整個(gè)板地線的溝通）"讓"給地線，只要精心設(shè)計(jì)，這一點(diǎn)還是能做到的。

正面與反面的配合：有時(shí)在板的某一面，地線實(shí)在是"走投無(wú)路"了，這時(shí)可設(shè)法使兩面的布線相互協(xié)調(diào)，"此處不留爺，自有留爺處"，在反面的相對(duì)應(yīng)位置空出一塊足夠的地盤鋪設(shè)地線，再通過(guò)數(shù)量足夠、位置合理的過(guò)孔（考慮到過(guò)孔有較大的電阻），通過(guò)這？quot;橋梁"將被橫行而過(guò)的信號(hào)線強(qiáng)行分割卻又戀戀不舍、盼望統(tǒng)一的兩岸連成一個(gè)導(dǎo)電性能足夠的整體。

狗急跳墻的著數(shù)：實(shí)在滕不出地方而又不甘心龐大的地線被區(qū)區(qū)一根信號(hào)線攔腰切斷時(shí)，就讓這個(gè)信號(hào)委屈一點(diǎn)，走跨接線吧。有時(shí)，我不甘心僅僅拉一根光禿禿的導(dǎo)線，這個(gè)信號(hào)恰好又要經(jīng)過(guò)一個(gè)電阻或其它"長(zhǎng)腳"的器件，我就可以名正言順的延長(zhǎng)這個(gè)器件的管腳，使之兼任跨接線的職務(wù)，既通過(guò)了信號(hào)，又避免了跨接線這個(gè)不體面的稱呼：-（當(dāng)然，在大多數(shù)情況下，我總可以讓這樣的信號(hào)從合適的地方通過(guò)而避免與地線的交叉，唯一需要的是觀察力和想象力。

起碼的原則：地電流的路徑要合理，大電流與微弱的信號(hào)電流決不能并肩前進(jìn)。有時(shí)，選擇合理的路徑，一個(gè)排的地線抵得上不合理配置的一個(gè)集團(tuán)軍。

最后，順便說(shuō)明一點(diǎn)，有一句名言："你可以相信你的母親，但永遠(yuǎn)不要相信你的地"。在極微弱信號(hào)處理的場(chǎng)合（微伏以下），即使不擇手段保證了地電位的一致，電路上關(guān)鍵點(diǎn)的地電位差別仍然要超過(guò)被處理信號(hào)的幅度，至少是同一量級(jí)，即使靜態(tài)電位合適了，瞬時(shí)的電位差仍然可能很大。對(duì)于這樣的場(chǎng)合，首先要在原理上使電路的工作盡可能的不依賴于地電位。

2.3.電源線布置與電源濾波

一般的文獻(xiàn)都認(rèn)為電源線應(yīng)盡可能粗，對(duì)此我不敢完全茍同。只有在大功率（1秒內(nèi)平均電源電流可能達(dá)到1A）的場(chǎng)合，才必須保證足夠的電源線寬度（我的經(jīng)驗(yàn)，每1A電流對(duì)應(yīng)50mil能夠滿足大多數(shù)場(chǎng)合的需求）。如果只為了防止信號(hào)的竄擾的話，電源線的寬度不是關(guān)鍵。甚至，有時(shí)細(xì)一些的電源線更有利！電源的質(zhì)量一般主要不在于其絕對(duì)值，而在于電源的波動(dòng)和迭加的干擾。解決電源干擾的關(guān)鍵在于濾波電容！如果你的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)電源質(zhì)量的確有苛刻的要求，就不要吝嗇濾波電容的錢！使用濾波電容時(shí)要注意以下幾條：

整個(gè)電路的電源輸入端應(yīng)該有"總"的濾波措施，而且各種類型的電容要互相搭配，"一樣都不能少"，至少不會(huì)壞事的J對(duì)于數(shù)字系統(tǒng)至少要有100uF電解＋ 10uF片鉭＋0.1uF貼片＋1nF貼片。較高頻（100kHz）100uF電解＋10uF片鉭＋0.47uF貼片＋0.1uF貼片。交流模擬系統(tǒng)：對(duì)于直流及低頻模擬系統(tǒng)：1000uF｜1000uF電解＋10uF片鉭＋1uF貼片＋0.1uF貼片。

每個(gè)重要芯片身邊都應(yīng)該有"一套"濾波電容。對(duì)于數(shù)字系統(tǒng)，一個(gè)0.1uF貼片一般就夠了，重要的或工作電流較大的芯片還應(yīng)并上一個(gè)10uF片鉭或1uF 貼片，工作頻率最高的芯片（CPU、晶振）還要并10nF|470pF或一個(gè)1nF。該電容應(yīng)盡可能接近芯片的電源管腳并盡可能直接連接，越小的應(yīng)越靠近。

對(duì)于芯片濾波電容，以內(nèi)（濾波電容至芯片電源管腳）的一段應(yīng)盡可能粗，如能采用多根細(xì)線并排就更好。有了濾波電容提供低（交流）阻抗電壓源并抑制交流耦合干擾，電容管腳以外（指從總電源至濾波電容的一段）的電源線就不那幺重要了，線寬不必太粗，至少不必為此占用大量的板面積。某些模擬系統(tǒng)中還要求電源輸入采用RC濾波網(wǎng)絡(luò)以進(jìn)一步抑制干擾，而較細(xì)的電源線有時(shí)恰好就兼具RC濾波器中電阻的作用，反而有利。

對(duì)于工作溫度變化范圍較大的系統(tǒng)，要注意鋁電解電容在低溫下性能會(huì)降低甚至喪失濾波作用，此時(shí)要用適當(dāng)?shù)你g電容代替之。例如，用100uF鉭|1000uF鋁代替470uF鋁，或用22uF片鉭代100uF鋁。

注意鋁電解電容不要離大功率發(fā)熱器件太近，否則容易帶來(lái)?yè)p壞電容。