常見的PCB布局困擾分析及精彩案例分享

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在電子設(shè)計中，項目原理圖設(shè)計完成編譯通過之后，就需要進行PCB的設(shè)計。PCB設(shè)計首先在確定了板形尺寸，疊層設(shè)計，整體的分區(qū)構(gòu)想之后，就需要進行設(shè)計的第一步：元件布局。即將各元件擺放在它合適的位置。而布局是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。布局結(jié)果的優(yōu)劣直接影響到布線的效果，從而影響到整個設(shè)計功能。因此，合理有效的布局是PCB設(shè)計成功的第一步。

PCB布局前按照整個功能按模塊對電路進行分區(qū)。 區(qū)域規(guī)劃時依照功能對模擬部分和數(shù)字部分隔離，高頻電路與低頻電路隔離。分區(qū)完成之后考慮每個區(qū)域內(nèi)的關(guān)鍵元件，將區(qū)域內(nèi)其他元件以關(guān)鍵元件為重點放置到合適的位置。當(dāng)放置元件時，同時考慮子系統(tǒng)電路之間的內(nèi)部電路走線，特別是時序及振蕩電路。為了去除電磁干擾的潛在問題，應(yīng)系統(tǒng)地檢查元件放置與布局，以方便走線，降低電磁干擾，滿足功能的前提下盡量做到美觀。

常見的PCB布局方面的問題和困惑

一個產(chǎn)品的成功與否，一方面要求功能質(zhì)量良好，另一方面要求美觀，要像向雕琢一件工藝品一樣布局您的電路板。在PCB元件布局方面經(jīng)常會有這些疑問和困擾。

PCB板形與整機是否匹配？元器件之間是間距是否合理，有無水平上或高度上的沖突？

PCB是否需要拼版，是否要預(yù)留工藝邊，是否預(yù)留安裝孔，如何排列定位孔？

如何考慮阻抗控制，信號完整性，電源信號穩(wěn)定，電源模塊散熱？

需要經(jīng)常更換的元件是否方便替換，可調(diào)元件是否方便調(diào)節(jié)？

熱敏元件與發(fā)熱元件之間是否考慮距離？

整板EMC性能，如何布局能有效增強抗干擾能力？

優(yōu)秀的PCB元件布局原則

首先劃分區(qū)域。根據(jù)電路的功能單元，對電路的全部元器件進行整體考慮，將各個功能電路單元按照模塊劃分大體區(qū)域，使布局適合信號流通，并盡量保持方向一致。

如上圖所示，大體的功能模塊比如電源部分，核心控制部分，信號輸入處理部分，信號輸出處理部分，接插件部分，人機交互部分等等。按照電路板的實際功能需要進行模塊區(qū)域的劃分。一般的原則是電源部分集中布局在板邊，核心控制部分在板中間，信號輸入部分位于核心控制部分的左邊，而信號輸出部分位于核心控制部分右邊。接插件部分盡量布置在板邊，人機交互部分要考慮到人機工程的要求進行合理布局。在保證電氣性能的前提下，各功能模塊的元件應(yīng)放置在柵格上且相互平行或垂直排列，以求整齊、美觀。

然后以每個功能模塊電路的核心元件為中心，圍繞這個中心來進行布局。元器件應(yīng)均勻、整體、緊湊的排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接以方便布線并減少電磁干擾。在PCB中，特殊的元件比如電源器 件、可調(diào)器件、發(fā)熱及熱敏感器件、高頻部分的關(guān)鍵元件、核心芯片、易受干擾的元件、體積或重量大的器件、帶高壓器件，以及一些異性元件，這些特殊元件的位置需要仔細(xì)分析，布局要合乎電路功能的要求及生產(chǎn)的需求。不合適的布局可能產(chǎn)生電路兼容問題、信號完整性問題，從而導(dǎo)致PCB設(shè)計的失敗。特殊元器件的位置在布局時一般要遵守以下原則：

DC/DC 變換器、開關(guān)元件和整流器應(yīng)盡可能靠近變壓器放置，整流二極管盡可能靠近調(diào)壓元件和濾波電容器。以減小其線路長度。

電磁干擾（EMI）濾波器要盡可能靠近 EMI 源。盡可能縮短高頻元器件之間的連接，設(shè)法減少他們的分布參數(shù)及和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互離的太近，輸入和輸出應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。

對于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動開關(guān)等可調(diào)元器件的布局應(yīng)考慮整塊扳子的結(jié)構(gòu)要求，一些經(jīng)常用到的開關(guān)，在結(jié)構(gòu)允許的情況下，應(yīng)放置到手容易接觸到的地方。元器件的布局到均衡，疏密有度。

發(fā)熱元件應(yīng)該布置在 PCB 的邊緣，以利散熱。如果 PCB 為垂直安裝，發(fā)熱元件應(yīng) 該布置在 PCB 的上方。熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。

在電源布局時，盡量讓器件布局方便電源線布線走向。布局時需要考慮減小輸入電源回路的面積。滿足流通的情況下，避免輸入電源線滿板跑，回路圈起來的面積過大。電源線與地線的位置良好配合，可降低電磁干擾的影響。如果電源線和地線配合不當(dāng)，會出現(xiàn)很多環(huán)路，并可能產(chǎn)生噪聲。

高、低頻電路由于頻率不同，其干擾以及抑制干擾的方法也不相同。所以在元件布局時，應(yīng)將數(shù)字電路、模擬電路以及電源電路按模塊分開布局。將高頻電路與低頻電路有效隔離，或者分成小的子電路模塊板，之間用接插件連接。

此外，布局中還應(yīng)特別注意強、弱信號的器件分布及信號傳輸方向路徑等問題。 為將干擾減輕到最小程度，模擬電路部分和數(shù)字電路部分分隔開之后，保持高、中、低速邏輯電路在 PCB 上也要用不同區(qū)域，PCB 板按頻率和電流開關(guān)特性分區(qū)。 噪聲元件與非噪聲元件要距離遠(yuǎn)一些。熱敏元件與發(fā)熱元件距離遠(yuǎn)一些。低電平信號通道遠(yuǎn)離高電平信號通道和無濾波的電源線。將低電平的模擬電路和數(shù)字電路分開，避免模擬電路、數(shù)字電路和電源公共回線產(chǎn)生公共阻抗耦合。

精巧PCB元件布局的案例分享

EMC考慮：旁路或去耦電容增強穩(wěn)定性，降低干擾

在PCB設(shè)計中，模擬器件和數(shù)字器件都需要這種電容，在靠近其電源引腳連接旁路電容，此電容通常為0.1uF。布局時要求引腳盡量短，并且盡量靠近器件，減小走線的感抗。

模擬電路設(shè)計中旁路電容常用于旁路電源上的高頻信號。一般來說，這些高頻信號的頻率超出模擬器件抑制高頻信號的能力。如果不使用旁路電容，就可能再信號路徑上引入噪聲，更嚴(yán)重的情況甚至?xí)鹫駝雍驼`響應(yīng)。

數(shù)字電路設(shè)計像控制器和處理器這樣的數(shù)字器件，也需要去耦電容。該電容功能之一是用作“微型”電荷庫。因為數(shù)字電路中進行門狀態(tài)切換或開關(guān)切換時，通常需要很大的電流，而開關(guān)時產(chǎn)生的瞬態(tài)電流，如果執(zhí)行開關(guān)動作時沒有足夠的電荷，會造成電源電壓發(fā)生很大的變化。電壓變化太大，會導(dǎo)致數(shù)字信號電平進入不穩(wěn)定狀態(tài)，很可能引起數(shù)字器件的狀態(tài)誤執(zhí)行。因此，在數(shù)字器件的供電電源管腳或電源引腳處添加旁路或去耦電容是非常好的做法。

在微控制器（MCU）為主的系統(tǒng)中最敏感的信號是時序、復(fù)位和中斷信號。振蕩器在開關(guān)時尤其敏感。這些電路與高電流走線不能平行，以免引起信號干擾和誤判。振蕩器或陶瓷共振時鐘是一種射頻電路，必須有效布局為距離最近，走線最短以減少其敏感性。下圖以DIP封裝的振蕩器或陶瓷共振器為例，應(yīng)盡量將振蕩電路靠近微控制器布局，位置對稱，使得走線距離最短。振蕩電路的地線應(yīng)該連接元件可能使用最短路徑的接地管腳，電源和接地管腳應(yīng)該直接連接到PCB的電源部分。

同樣，電路板上邏輯開關(guān)時，在電源線上會產(chǎn)生瞬態(tài)派生電流，由于電源線多少具有微小的電感性，電源線的電感性可以通多多層印刷電路板（電源平面）來降低，或者使用較慢的邏輯降低開關(guān)速度。但前者增加成本，后者會降低系統(tǒng)的性能。在此情況下，電源線的通訊干擾可通過去耦電容來降低。PCB板上對于數(shù)字芯片的去耦電容（也叫削尖電容）在布局時，應(yīng)當(dāng)盡量靠近芯片的電源管腳，使其走線距離最短，回路面積最小。下圖左所示是不合理的去耦電容布局，應(yīng)該像圖右那樣布局。 ???

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??????2. ??3D器件檢查避免沖突——接插件?

在PCB布局時因為不能實時直觀地看到真正的元器件放在上面的樣子，包括元件的體積，高度。整塊電路板是否與外殼相匹配，電路板內(nèi)部的各元件之間水平方向是否有沖突，而造成安裝不下的情況？最要命的是，元件的高度是否合適，會不會與外殼有沖突？這就需要有3D狀態(tài)下實時逼真的模擬和展現(xiàn)來盡早發(fā)現(xiàn)問題。以保證電路板與外殼形狀匹配，高度匹配，安裝固定孔匹配。

PCB板的接插件布局也是至關(guān)重要的，好的接插件布局要考慮到將來插拔連接的方便性。一般來說，接插件需要靠近板邊并且接口往板外，千萬不能太靠近板內(nèi)，以至于連接線端的插頭被PCB板邊阻礙，插不上去。如下所示DB9串口不合理的接插件布局，造成線纜接頭處連接不上。

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對于這個接插件的失敗案例，如果在做PCB板之前就能通過3D視圖直觀地發(fā)現(xiàn)問題，及時修改，就會免去很多不必要的時間和精力。而不會在做好PCB板，裝貼好器件，在最后連接的時候才發(fā)現(xiàn)問題。

3. ?柵格的應(yīng)用：將元件進行圓形擺放

前不久，一電子行業(yè)的同行跟我聊起，他想要將LED燈按照標(biāo)準(zhǔn)的圓形擺放，保持相同的間距。說在放置的過程中非常傷腦筋，總也不能保證精確的圓形位置，其間距也很難計算。不知道有哪種工具能輕松地實現(xiàn)這個想法。說實話，我也沒試過這種擺放方式，不過突然想起Altium Designer中有設(shè)置極坐標(biāo)柵格的功能，還附帶有其他幾種柵格形式。用這種極坐標(biāo)扇形柵格來試試。不試不知道，一試嚇一跳。借助這一塊扇形柵格，竟然非常輕松地將LED元件按照圓形擺放在PCB上！如下圖所示。

在這塊板子中，一顆 ARM7微處理器放在板子的正中央，以45°角度放置。然后以此芯片中心為原點，設(shè)置45°角傾斜的常規(guī)矩形柵格。

在外圈另設(shè)極坐標(biāo)扇形柵格，讓LED環(huán)繞一圈，在這種柵格上排列的LED準(zhǔn)確無誤而且精細(xì)美觀。同時在放置元件的時候，鼠標(biāo)光標(biāo)會自動捕捉到柵格點，定位精確，而且操作極其簡單。

不管是在原理圖設(shè)計中，還是PCB設(shè)計中，使用柵格來放置目標(biāo)對象使得您設(shè)計出來的圖紙非常整潔，干凈，有條理。而在PCB設(shè)計中，放置元件時采用多重柵格組合應(yīng)用，你可以按照自己的意圖隨心所欲地擺放元器件到想要的位置。你這個設(shè)計魔術(shù)師能想到的，它就能幫你實現(xiàn)。這對于每天枯燥畫圖的工程師來說，是一種多么美妙又有價值的感覺！如下圖為該設(shè)計項目PCB在3D狀態(tài)下正面和反面的裸板視圖。

上面圓形PCB板為另一個巧妙使用柵格的案例。綠色圈出來的板中央5個安裝孔環(huán)繞中心點對稱分布。板外沿4個安裝孔精準(zhǔn)對稱。

下圖為PCB裸板制造出來的圖片。其中板兩側(cè)分別有4個半孔排列。用于板對板安裝，該小板作為一個模塊器件安裝到母板上。