PCB布局和布線的設(shè)計(jì)技巧

PCB（edCircuitBoard），中文名稱(chēng)為印制電路板，又稱(chēng)印刷電路板、印刷線路板，是重要的電子部件，是電子元器件的支撐體，是電子元器件電氣連接的提供者。由于它是采用電子印刷術(shù)制作的，故被稱(chēng)為“印刷”電路板。

隨著PCB尺寸要求越來(lái)越小，器件密度要求越來(lái)越高，PCB設(shè)計(jì)的難度也越來(lái)越大。如何實(shí)現(xiàn)PCB高的布通率以及縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，在這筆者談?wù)剬?duì)PCB規(guī)劃、布局和布線的設(shè)計(jì)技巧。

在開(kāi)始布線之前應(yīng)該對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行認(rèn)真的分析以及對(duì)工具軟件進(jìn)行認(rèn)真的設(shè)置，這會(huì)使設(shè)計(jì)更加符合要求。

1、確定PCB的層數(shù)

電路板尺寸和布線層數(shù)需要在設(shè)計(jì)初期確定。布線層的數(shù)量以及層疊（STack-up）方式會(huì)直接影響到印制線的布線和阻抗。板的大小有助于確定層疊方式和印制線寬度，實(shí)現(xiàn)期望的設(shè)計(jì)效果。目前多層板之間的成本差別很小，在開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)最好采用較多的電路層并使敷銅均勻分布。

2、設(shè)計(jì)規(guī)則和限制

要順利完成布線任務(wù)，布線工具需要在正確的規(guī)則和限制條件下工作。要對(duì)所有特殊要求的信號(hào)線進(jìn)行分類(lèi)，每個(gè)信號(hào)類(lèi)都應(yīng)該有優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)越高，規(guī)則也越嚴(yán)格。規(guī)則涉及印制線寬度、過(guò)孔的最大數(shù)量、平行度、信號(hào)線之間的相互影響以及層的限制，這些規(guī)則對(duì)布線工具的性能有很大影響。

認(rèn)真考慮設(shè)計(jì)要求是成功布線的重要一步。

3、組件的布局

在最優(yōu)化裝配過(guò)程中，可制造性設(shè)計(jì)（DFM）規(guī)則會(huì)對(duì)組件布局產(chǎn)生限制。如果裝配部門(mén)允許組件移動(dòng)，可以對(duì)電路適當(dāng)優(yōu)化，更便于自動(dòng)布線。所定義的規(guī)則和約束條件會(huì)影響布局設(shè)計(jì)。自動(dòng)布線工具一次只會(huì)考慮一個(gè)信號(hào)，通過(guò)設(shè)置布線的約束條件以及設(shè)定可布信號(hào)線的層，可以使布線工具能像設(shè)計(jì)師所設(shè)想的那樣完成布線。

比如，對(duì)于電源線的布局：

在PCB布局中應(yīng)將電源退耦電路設(shè)計(jì)在各相關(guān)電路附近，而不要放置在電源部分，否則既影響旁路效果，又會(huì)在電源線和地線上流過(guò)脈動(dòng)電流，造成竄擾；

對(duì)于電路內(nèi)部的電源走向，應(yīng)采取從末級(jí)向前級(jí)供電，并將該部分的電源濾波電容安排在末級(jí)附近；

對(duì)于一些主要的電流通道，如在調(diào)試和檢測(cè)過(guò)程中要斷開(kāi)或測(cè)量電流，在布局時(shí)應(yīng)在印制導(dǎo)線上安排電流缺口。

另外，要注意穩(wěn)壓電源在布局時(shí)，盡可能安排在單獨(dú)的印制板上。當(dāng)電源與電路合用印制板時(shí)，在布局中，應(yīng)該避免穩(wěn)壓電源與電路元件混合布設(shè)或是使電源和電路合用地線。

因?yàn)檫@種布線不僅容易產(chǎn)生干擾，同時(shí)在維修時(shí)無(wú)法將負(fù)載斷開(kāi)，到時(shí)只能切割部分印制導(dǎo)線，從而損傷印制板。

4、扇出設(shè)計(jì)

在扇出設(shè)計(jì)階段，表面貼裝器件的每一個(gè)引腳至少應(yīng)有一個(gè)過(guò)孔，以便在需要更多的連接時(shí)，電路板能夠進(jìn)行內(nèi)層連接、在線測(cè)試和電路再處理。

為了使自動(dòng)布線工具效率最高，一定要盡可能使用最大的過(guò)孔尺寸和印制線，間隔設(shè)置為50mil較為理想。要采用使布線路徑數(shù)最大的過(guò)孔類(lèi)型。經(jīng)過(guò)慎重考慮和預(yù)測(cè)，電路在線測(cè)試的設(shè)計(jì)可在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行，在生產(chǎn)過(guò)程后期實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)布線路徑和電路在線測(cè)試來(lái)確定過(guò)孔扇出類(lèi)型，電源和接地也會(huì)影響到布線和扇出設(shè)計(jì)。

5、手動(dòng)布線以及關(guān)鍵信號(hào)的處理

手動(dòng)布線在現(xiàn)在和將來(lái)都是印刷電路板設(shè)計(jì)的一個(gè)重要過(guò)程，采用手動(dòng)布線有助于自動(dòng)布線工具完成布線工作。

通過(guò)對(duì)挑選出的網(wǎng)絡(luò)（net）進(jìn)行手動(dòng)布線并加以固定，可以形成自動(dòng)布線時(shí)可依據(jù)的路徑。

首先對(duì)關(guān)鍵信號(hào)進(jìn)行布線，手動(dòng)布線或結(jié)合自動(dòng)布線工具均可。布線完成后，再由有關(guān)的工程技術(shù)人員對(duì)這些信號(hào)布線進(jìn)行檢查，檢查通過(guò)后，將這些線固定，然后開(kāi)始對(duì)其余信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)布線。

由于地線中阻抗的存在，會(huì)給電路帶來(lái)共阻抗干擾。因此，在布線時(shí)不可將凡有接地符號(hào)的點(diǎn)隨意連接，這可能會(huì)產(chǎn)生有害的耦合，影響電路的工作。

頻率較高時(shí)，導(dǎo)線的感抗將比導(dǎo)線本身的電阻大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這時(shí)導(dǎo)線上即使只流過(guò)很小的高頻電流，也會(huì)產(chǎn)生一定的高頻電壓降。因此，對(duì)高頻電路來(lái)說(shuō)，PCB布局盡可能排列緊湊，使印制導(dǎo)線盡可能短。

印制導(dǎo)線之間還有互感和電容，當(dāng)工作頻率較大時(shí)，會(huì)對(duì)其它部分產(chǎn)生干擾，稱(chēng)為寄生耦合干擾?？梢圆扇〉囊种品绞接校?/p>

盡量縮短各級(jí)間的信號(hào)走線；

按信號(hào)的順序排列各級(jí)電路，避免各級(jí)信號(hào)線相互跨越；

相鄰的兩面板的導(dǎo)線要垂直或交叉，不能平行；

當(dāng)板內(nèi)要平行布設(shè)信號(hào)導(dǎo)線時(shí)，應(yīng)使這些導(dǎo)線盡可能間隔一定的距離，或用地線、電源線隔開(kāi)，達(dá)到屏蔽的目的。

6、自動(dòng)布線

對(duì)關(guān)鍵信號(hào)的布線需要考慮在布線時(shí)控制一些電參數(shù)，比如減小分布電感等，在了解自動(dòng)布線工具有哪些輸入?yún)?shù)以及輸入?yún)?shù)對(duì)布線的影響后，自動(dòng)布線的質(zhì)量在一定程度上可以得到保證。

在對(duì)信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)布線時(shí)應(yīng)該采用通用規(guī)則。通過(guò)設(shè)置限制條件和禁止布線區(qū)來(lái)限定給定信號(hào)所使用的層以及所用到的過(guò)孔數(shù)量，布線工具就能按照工程師的設(shè)計(jì)思想來(lái)自動(dòng)布線。在設(shè)置好約束條件和應(yīng)用所創(chuàng)建的規(guī)則后，自動(dòng)布線將會(huì)達(dá)到與預(yù)期相近的結(jié)果，在一部分設(shè)計(jì)完成以后，將其固定下來(lái)，以防止受到后邊布線過(guò)程的影響。

布線次數(shù)取決于電路的復(fù)雜性和所定義的通用規(guī)則的多少。現(xiàn)在的自動(dòng)布線工具功能非常強(qiáng)大，通常可完成100%的布線。但是，當(dāng)自動(dòng)布線工具未完成全部信號(hào)布線時(shí)，就需對(duì)余下的信號(hào)進(jìn)行手動(dòng)布線。

7、布線的整理

一些約束條件很少的信號(hào)，布線的長(zhǎng)度很長(zhǎng)，這時(shí)可以先判斷出哪些布線合理，哪些布線不合理，再通過(guò)手動(dòng)編輯來(lái)縮短信號(hào)布線長(zhǎng)度和減少過(guò)孔數(shù)量。