高速PCB布局設(shè)計(jì)技巧

PCB設(shè)計(jì)是硬件工程師的必備技能之一。現(xiàn)在，工程師常常面臨的局面是產(chǎn)品功能越來越強(qiáng)大，而尺寸越來越小，設(shè)計(jì)周期越來越短的挑戰(zhàn)。如果有非常強(qiáng)大的PCB設(shè)計(jì)技能在身，相信肯定可以輕松搞定。

第四季Back2School的第二節(jié)課，邀請到林超文老師教大家制版技能，以及如何快速地依據(jù)規(guī)則做出PCB設(shè)計(jì)。

1PCB設(shè)計(jì)，僅僅是開始

走出誤區(qū)，PCB設(shè)計(jì)、功能實(shí)現(xiàn)，僅僅完成30%的工作。

很多同學(xué)會認(rèn)為硬件設(shè)計(jì)指的是電路設(shè)計(jì)，這樣說也沒問題的，因?yàn)槟闼械墓ぷ鞫际菄@電路設(shè)計(jì)，最終的目標(biāo)也是產(chǎn)出一個優(yōu)秀的電路，能夠滿足各種要求，經(jīng)歷各種考驗(yàn)。但實(shí)際上我們要求的是產(chǎn)品，而不是單板。

真正的硬件設(shè)計(jì)就是根據(jù)產(chǎn)品經(jīng)理的需求PRS(Product Requirement Specification)，在滿足性價比的要求下，利用目前業(yè)界成熟的芯片方案或者技術(shù)，在規(guī)定時間內(nèi)完成符合：要求的硬件產(chǎn)品(注意：是產(chǎn)品，而不是開發(fā)板)。

√ PRS功能(Function)

√ 性能(Perrformance)

√ 電源設(shè)計(jì)(Power Supply)

√ 功耗(Power Consumption)

√ 散熱(Thermal/Cooling)

√ 噪音(Noise)

√ 信號完整性(Signal Integrity)

√ 電磁輻射(EMC/EMI)

√ 安規(guī)(Safet)

√ 器件采購(Component Sourcing)

√ 可靠性(Reliability)

√ 可測試性(DFT: design for test)

√ 可生產(chǎn)性(DFM：design for manufacture)可以看到，一個成功的硬件設(shè)計(jì)，主要功能的實(shí)現(xiàn)只是所有環(huán)節(jié)中的一小部分。剛開始工作的時候，覺得板子電路設(shè)計(jì)完就完成了50%工作，PCB回板主要功能都能實(shí)現(xiàn)了，那就完成了80%的工作。實(shí)際上不是的，PCB回板主要功能都實(shí)現(xiàn)了，連30%工作都沒有。所以不管是時間上，還是階段上，產(chǎn)品的硬件設(shè)計(jì)是一個漫長的過程。

2工程師技能要求

初級硬件工程師技能要求：√ 熟悉模擬電路、數(shù)字電路知識，熟悉常用電子元器件特性√ 熟悉PCB設(shè)計(jì)流程和規(guī)范，熟悉Altium Designer等EDA軟件√ 熟練使用測試儀器(示波器、萬用表、烙鐵、焊臺、邏輯分析儀等)√ 熟悉嵌入式硬件架構(gòu)和通用硬件接口(RAMNAND FLASHEMMCUSBDVIHDMICANI2CI2SUARTLCDLVDS等)

√ 熟悉電子產(chǎn)品開發(fā)流程、生產(chǎn)工藝流程

中級硬件工程師技能要求：√ 精通STM32、ARM、DSP、FPGA等處理器硬件設(shè)計(jì)√ 具有高速數(shù)字電路，熟練進(jìn)行六層或以上層數(shù)的PCB設(shè)計(jì)，有豐富的PCB設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)√ 獨(dú)立完成硬件產(chǎn)品的原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、調(diào)試、順利閱讀器件datasheet√ 熟悉硬件電路可靠性設(shè)計(jì)和測試方法，具備RF、SI、PI、EMC的相關(guān)知識

√ 負(fù)責(zé)產(chǎn)品生命周期的硬件開發(fā)工作，包括攢寫設(shè)計(jì)規(guī)格書、詳細(xì)設(shè)計(jì)方案、硬件測試以及產(chǎn)品的維修指導(dǎo)書等工作

高級硬件工程師技能要求：√ 負(fù)責(zé)硬件產(chǎn)品的戰(zhàn)略規(guī)劃√ 完成產(chǎn)品的開發(fā)、測試、版本管理、評審發(fā)布、產(chǎn)品上線等相關(guān)工作√ 負(fù)責(zé)與外觀、模具、元器件、制板、焊接、外包裝、組裝、配件等第三方合作廠商深度溝通√ 為產(chǎn)品研發(fā)團(tuán)隊(duì)擬定明確有競爭力的產(chǎn)品方向，并能夠統(tǒng)籌和推動研發(fā)執(zhí)行√ 持續(xù)關(guān)注并研究行業(yè)前沿技術(shù)，挖掘新技術(shù)在產(chǎn)品上實(shí)施的可行性，以保證產(chǎn)品在技術(shù)上的持續(xù)創(chuàng)新

√ 負(fù)責(zé)軟硬資源整合，把控產(chǎn)品的品質(zhì)管理、生產(chǎn)成本等

優(yōu)秀PCB工程師特征：好的PCB設(shè)計(jì)考慮的技術(shù)方面眾多，包括電路性能、DFX、熱設(shè)計(jì)、EMC設(shè)計(jì)、信號完整性、電源完整性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可靠性、成本等諸多方面，甚至也需要考慮布局美觀。

3高速PCB設(shè)計(jì)流程

高速PCB設(shè)計(jì)流程：

4PCB疊層理論基礎(chǔ)

多層板層疊的一般原則：1)元件面相鄰層為地平面(屏蔽和提供連續(xù)的參考平面);2)所有的信號層盡可能與地平面相鄰;3)盡量避免兩個信號層直接相鄰;4)主電源盡可能與其對應(yīng)地相鄰;5)兼顧層壓結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu); (翹曲度<0.75%)

6)采用偶數(shù)層結(jié)構(gòu);(制造工藝，成本，層壓，翹曲度)

地和電源平面實(shí)現(xiàn)3個功能：為數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換提供穩(wěn)定的參考電壓、為所有的邏輯器件分配電源、控制信號之間的串?dāng)_。

在低速電路中，電流沿著最小電阻路徑前進(jìn);在高速電路里、高速電流沿著最小電感路徑前進(jìn)。

電源的對地阻抗應(yīng)該最低：

D為電源平面同地平面之間的間距，W為平面之間的面積。

盡量減小信號線寬度，線距會加大，串?dāng)_會減小。信號線的阻抗：

H(介質(zhì)厚度)對阻抗影響最大。

平面隔離時，應(yīng)使用額外的地平面而不是電源平面來隔離布線層。

5高速PCB布局設(shè)計(jì)技巧

布局的好壞往往決定著單板的成敗!

快速模塊化，高速PCB布局常用的一種方法，根據(jù)原理圖把一個個小功能模塊布好后再往板內(nèi)整體布局;分清主次，需要特殊處理的地方要提前考慮。

除此之外，還包含交互式布局、飛線引導(dǎo)布局法、Net標(biāo)注法、位號居中、以及各種結(jié)構(gòu)件對齊。

好的設(shè)計(jì)習(xí)慣是PCB一板成功的基礎(chǔ)：

1)優(yōu)先規(guī)劃地平面和電源平面

2)先打孔、后走線：布線時候盡量避免過孔讓線，漏打孔是初級設(shè)計(jì)師經(jīng)常容易犯的問題之一，比如濾波電容。

6設(shè)計(jì)驗(yàn)證

1)檢查整板濾波電容、去耦電容的設(shè)計(jì)

2)檢查每路電源的電源平面是否存在瓶頸

3)3W原則，PCB設(shè)計(jì)中為了減少線間串?dāng)_，應(yīng)保證線間距足夠大，當(dāng)線中心間距不少于3倍線寬時，則可保持大部分電場不互相干擾

4)20H原則：指電源層相對地層內(nèi)縮20H的距離，這是為了抑制邊緣輻射效應(yīng)。在板的邊緣會向外輻射電磁干擾。將電源層內(nèi)縮，使得電場只在接地層的范圍內(nèi)傳導(dǎo)。

5)環(huán)繞地設(shè)計(jì)，地空越多越好，使每一層緊密的連接在一起

6)跨島處理，在 PCB 設(shè)計(jì)過程中，由于平面的分割，可能會導(dǎo)致信號參考平面不連續(xù)，對于低頻信號，可能沒什么關(guān)系，而在高頻數(shù)字系統(tǒng)中，高頻信號以參考平面作返回路徑，即回流路徑，如果參考平面不連續(xù)，信號跨分割，這就會帶來諸多的問題，如 EMI、串?dāng)_等問題。這種情況下，需要對分割進(jìn)行縫補(bǔ)，為信號提供較短的回流通路。

常見的跨島處理方式：添加縫補(bǔ)電容(Stiching Capacitor)，跨線橋接。

審核編輯：湯梓紅