用于信號(hào)完整性和可制造性的 PCB 設(shè)計(jì)方法

在通過原理圖正式確定電路的功能、選擇所使用的元件、設(shè)備和技術(shù)之后，下一步是創(chuàng)建功能性的 PCB 布局。這一步的目標(biāo)是將所有元件放置在 PCB 上，并建立所有必要的連接，確保板子的尺寸最小化，并滿足特定應(yīng)用目標(biāo)，例如最小化損耗或最大化信號(hào)完整性。然而，這個(gè)過程可能很復(fù)雜，并不僅僅是繪制電子元件之間的連接。本文涵蓋了在產(chǎn)品生命周期中這一關(guān)鍵階段需要牢記的重要最佳實(shí)踐方法。

利用子電路進(jìn)行最佳元件布局

PCB 設(shè)計(jì)中的子電路識(shí)別顯著影響器件布局和布線策略。通過將電路中的特定功能模塊隔離，設(shè)計(jì)人員可以策略性地定位組件，以確保 PCB 空間的充分利用和短信號(hào)路徑，從而減少串?dāng)_和信號(hào)衰減的可能性。這個(gè)過程直接影響器件布局，敏感的低電壓區(qū)域應(yīng)策略性地遠(yuǎn)離高壓部分，以防止信號(hào)損壞并確保安全可靠的運(yùn)行。

對(duì)于包含數(shù)字 IC 的設(shè)計(jì)，工程師還必須考慮去耦電容和過孔所需的空間，以確保在短暫的需求峰值期間提供可靠的電源。在去耦電容和電源引腳之間增加過孔可以幫助通過利用平面電容來增加電容。

該圖說明了左側(cè)的走線在合并到 IC 引腳時(shí)變細(xì)的情況。該圖還描繪了如何在去耦電容和電源引腳之間放置過孔。

熱管理也會(huì)影響單個(gè)組件或整個(gè)子電路的布局。對(duì)熱敏感的組件會(huì)表現(xiàn)出不同的特性，應(yīng)遠(yuǎn)離產(chǎn)生熱的部件，特別是如果 PCB 用作散熱器。設(shè)計(jì)者應(yīng)考慮外部散熱器所需的間距和空間要求。

布線：不僅僅是放置導(dǎo)線

導(dǎo)線需要在 PCB 上占用大量空間，各種制造約束以及導(dǎo)電材料的物理和電氣特性會(huì)影響布線。當(dāng)正確進(jìn)行時(shí)，PCB 設(shè)計(jì)工程師可以確保可靠運(yùn)行，同時(shí)最大限度地減少所需的板空間。

工程師應(yīng)盡量縮短走線長度，即使在不要求精確阻抗或信號(hào)路徑匹配的非關(guān)鍵設(shè)計(jì)中也是如此。信號(hào)傳輸距離越遠(yuǎn)，衰減越嚴(yán)重。較長的走線表現(xiàn)出更高的電阻，導(dǎo)致信號(hào)衰減和減弱——進(jìn)而使電路更容易受到噪聲的影響。類似地，較長的走線更有可能引入電磁干擾和信號(hào)衰減。它們可以作為天線，拾取或輻射 EMI，影響附近的敏感元件。

導(dǎo)線寬度也會(huì)影響電路的阻抗和抗電磁干擾能力。由于較寬的導(dǎo)線更容易受到干擾，工程師應(yīng)盡可能減小導(dǎo)線寬度。然而，他們必須確保導(dǎo)線滿足電流要求，尤其是在傳輸電源時(shí)。在射頻和高頻應(yīng)用中，導(dǎo)線應(yīng)逐漸變細(xì)至焊盤處，以保持信號(hào)完整性并幫助最小化信號(hào)反射。信號(hào)傳輸導(dǎo)線不應(yīng)在長距離內(nèi)平行運(yùn)行，以減少導(dǎo)線間的信號(hào)串?dāng)_。同樣，導(dǎo)線間距過窄會(huì)增加串?dāng)_，因此工程師應(yīng)確保導(dǎo)線間距至少為介電厚度的三倍。

將信號(hào)線分開布線而不是并行布線可以防止敏感信號(hào)之間的串?dāng)_。

最后，過孔應(yīng)始終成對(duì)放置，設(shè)計(jì)人員應(yīng)始終將接地過孔盡可能靠近信號(hào)和電源過孔，以改善過孔電感并增強(qiáng)電流返回路徑——從而最小化信號(hào)失真和串?dāng)_。

對(duì)多層 PCB 進(jìn)行層堆疊優(yōu)化

同一層的走線并非孤立存在，如果未仔細(xì)布線，它們會(huì)受到其他層走線和焊盤的影響。實(shí)心參考平面和電源平面會(huì)影響 PCB 上其他走線的電容和信號(hào)完整性。工程師應(yīng)確保信號(hào)和電源走線位于實(shí)心參考平面上。通常參考電平為 0V，但在某些情況下也可以是另一個(gè)合適的電源平面。參考平面不應(yīng)有明顯的縫隙。如果有，信號(hào)走線不應(yīng)跨越這些縫隙，以避免在敏感應(yīng)用中產(chǎn)生關(guān)鍵的 EMI 問題。

靠近走線的過孔可以防止受影響的走線跨越下方的整塊銅層。

在放置過孔時(shí)，例如，當(dāng)過孔未連接到參考平面時(shí)，可能會(huì)在平面上產(chǎn)生間隙。當(dāng)放置得太靠近信號(hào)跡線時(shí)，過孔會(huì)在參考平面上產(chǎn)生間隙，并使信號(hào)跡線暴露在外。

摘要

創(chuàng)建功能性的 PCB 布局涉及戰(zhàn)略性的元件布局和高效連接布線，以滿足特定應(yīng)用目標(biāo)。子電路識(shí)別起著關(guān)鍵作用，允許設(shè)計(jì)者優(yōu)化空間利用率，最小化信號(hào)衰減，并防止串?dāng)_。熱管理考慮因素也影響元件布局，特別是對(duì)于熱敏感元件。去耦電容器和過孔對(duì)于可靠的電源至關(guān)重要，在具有數(shù)字 IC 的設(shè)計(jì)中必須仔細(xì)注意它們的布局。

高效的走線設(shè)計(jì)至關(guān)重要，需要考慮制造約束和導(dǎo)電材料的特性。工程師應(yīng)盡量縮短走線長度以減少信號(hào)衰減和電磁干擾。走線寬度會(huì)影響阻抗和抗噪聲能力，需要在寬度和電流需求之間取得平衡。仔細(xì)考慮過孔，特別是它們的配對(duì)和與信號(hào)走線的距離，對(duì)于減少信號(hào)失真和串?dāng)_至關(guān)重要。

多層 PCB 布線涉及層間交互，實(shí)心參考平面會(huì)影響電容和信號(hào)完整性。確保信號(hào)和電源走線位于實(shí)心參考平面上方至關(guān)重要，避免間隙以防止 EMI 問題。如果過孔放置不當(dāng)，可能會(huì)在參考平面上形成間隙。地平面和電源平面，以及去耦電容，在短電流尖峰期間有效緩解上電不穩(wěn)問題。