詳解八層PCB主板設(shè)計(jì)要點(diǎn)

今天的文章給同行朋友們重點(diǎn)介紹一款虛擬家用產(chǎn)品的PCB設(shè)計(jì)，該產(chǎn)品涵蓋了目前業(yè)界一些常用的主流的電路模塊，包含了DCDC開關(guān)電源、千兆以太網(wǎng)、無線WIFI射頻模塊、HDMI高清視頻接口、USB3.0高速串行接口、DDR4高速存儲(chǔ)器電路、模擬音頻（MIC、Audio、Speaker）等。為了讓大家更好的理解并掌握這些模塊的PCB設(shè)計(jì)，我將對(duì)每個(gè)模塊的PCB設(shè)計(jì)要求一一列出并配圖說明，希望學(xué)習(xí)本文 后能提高大家的PCB設(shè)計(jì)水平。

1.PCB總體設(shè)計(jì)要求：

（1）PCB外形為長(zhǎng)方形，尺寸按照PCB文件中板框設(shè)計(jì)（130mmX110mm）；

（2）所有電路接口全部放在板左側(cè)（位置已固定，不可移動(dòng)）；

（3）2個(gè)喇叭插座放在板右側(cè)（垂直位置不限）；

（4）板厚1.6mm，層數(shù)無要求，但是應(yīng)盡可能減少層數(shù)以降低成本；

（5）DDR4（2400MT/s）以及USB-3.0，HDMI等高速電路設(shè)計(jì)應(yīng)滿足相應(yīng)規(guī)范要求；

（6）音頻電路模塊以及無線網(wǎng)絡(luò)電路模塊需要加屏蔽罩保護(hù)；

（7）選手應(yīng)充分考慮加工制造方面的工藝性要求，做好DFM可制造性設(shè)計(jì)。

該P(yáng)CB如下圖所示

2.層疊阻抗設(shè)計(jì)

因?yàn)樵摦a(chǎn)品是一款消費(fèi)類產(chǎn)品，在做層疊設(shè)計(jì)時(shí)遵循以下原則即可：

（1）滿足各種類型高速信號(hào)的阻抗控制要求；

（2）滿足DDR信號(hào)與高速串行信號(hào)的參考層要求；

（3）滿足電源供應(yīng)與地平面的設(shè)計(jì)要求；

（4）合理設(shè)計(jì)參考層疊結(jié)構(gòu)以及控制層數(shù)和成本；

（5）注意假八層和六層板的成本與性能差異的均衡。

其層疊設(shè)計(jì)如下圖所示

根據(jù)層疊結(jié)構(gòu)計(jì)算出來的各阻抗線寬線距如下圖所示

3.以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

常見以太網(wǎng)口集成網(wǎng)絡(luò)變壓器和非集成網(wǎng)絡(luò)變壓器兩種：

A.集成在以太網(wǎng)口內(nèi)部，外面有屏蔽鐵殼，對(duì)外界抗干擾和自身電磁輻射干擾其他元件的影響減小，也可以節(jié)省PCB上的空間:

B.非集成以太網(wǎng)口，如果不同系統(tǒng)需要的網(wǎng)絡(luò)變壓器不同，因?yàn)橐蕴W(wǎng)接口卻是標(biāo)準(zhǔn)的，只需替換網(wǎng)絡(luò)變壓器，就能滿足不同的設(shè)計(jì)要求，且分離的網(wǎng)絡(luò)變壓器結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，成本更低。

在該項(xiàng)目中網(wǎng)口為非集成以太網(wǎng)接口，其模塊電路主要由以太網(wǎng)接口RJ45，網(wǎng)絡(luò)變壓器，PHY芯片三部分組成，如下圖所示。

其layout要求如下：

布局要求：

（1）以太網(wǎng)口的位置根據(jù)結(jié)構(gòu)要求放置，網(wǎng)絡(luò)變壓器靠近以太網(wǎng)口，PHY芯片靠近變壓器，如果以太網(wǎng)口集成了網(wǎng)絡(luò)變壓器，則PHY芯片靠近以太網(wǎng)口放置；

（2）部分網(wǎng)口有ESD要求，布局時(shí)考慮布線要先經(jīng)過ESD器件；

（3）對(duì)于網(wǎng)絡(luò)變壓器的中心抽頭電容放置在PIN的背面；

（4）機(jī)殼地通常采用電阻或磁珠與板內(nèi)地單點(diǎn)接地處理，要使機(jī)殼地的走線盡量短，磁珠的位置應(yīng)該放置再靠近機(jī)殼地的位置。

其接口電路布局如下圖所示

布線要求：

（1）以太網(wǎng)口屬于外接網(wǎng)口，網(wǎng)絡(luò)輸入到該接口速率較高，會(huì)產(chǎn)生較大的干擾，特別是銅皮會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。集成網(wǎng)絡(luò)變壓器的以太網(wǎng)口需要將除差分管腳外的信號(hào)所有挖空，非集成網(wǎng)絡(luò)變壓器的以太網(wǎng)口需要挖空整個(gè)以太網(wǎng)口和網(wǎng)絡(luò)變壓器（除次級(jí)端外）

（2）非集成網(wǎng)絡(luò)變壓器以太網(wǎng)口，初級(jí)端的差分線可以忽略阻抗要求，線寬根據(jù)實(shí)際情況加寬，并保持走線最短：次級(jí)差分按100歐姆的差分線要求處理

（3）挖空區(qū)避免走線，如果實(shí)在沒有辦法需要走線，變壓器部分避免打孔以減少干擾

（4）機(jī)殼地走線加粗，一般采用1mm，機(jī)殼地與板內(nèi)板的邊緣間距需要≥1mm

（5）電源地網(wǎng)絡(luò)加粗，變壓器中心抽頭線需要加粗

（6）等長(zhǎng)要求，TX與TX做等長(zhǎng)，RX與RX做等長(zhǎng)，以時(shí)鐘為基準(zhǔn)控制25mil

（7）以太網(wǎng)芯片，TX和RX最好分不同層走，如果同層，間距拉開4W

（8）以太網(wǎng)芯片發(fā)熱量較大，需要增加散熱孔或背面開窗。

其接口電路布線如下圖所示

4.USB3.0接口電路PCB設(shè)計(jì)

USB，是英文Universal Serial Bus（通用串行總線）的縮寫，是一個(gè)外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊，應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。USB接口支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能。USB接口電路比較簡(jiǎn)單，主要由USB3.0接口，ESD器件和共模器件，USB供電模塊，如下圖所示。

USB3.0接口電路PCB layout設(shè)計(jì)要求如下：

（1）特性阻抗：差分90歐姆，優(yōu)先以地平面為參考；

（2）ESD器件靠近接口，信號(hào)先經(jīng)過ESD器件，再接到芯片；

（3）差分線換層時(shí)，50mil范圍內(nèi)需要有回流地孔過；

（4）差分線對(duì)內(nèi)長(zhǎng)度誤差小于5mil；

（5）原理圖標(biāo)注電流2A，線寬大于80mil。

其PCB設(shè)計(jì)如下圖所示。

5.HDMI接口電路PCB設(shè)計(jì)

HDMI（High-Definition Multimedia Interface）高清多媒體接口，可以提供高達(dá)5Gbps的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，可以傳送無壓縮的音頻和高分辨率的視頻信號(hào)，同時(shí)無需在信號(hào)傳送前進(jìn)行數(shù)?；蚰?shù)轉(zhuǎn)換，可以保證高質(zhì)量的影音信號(hào)傳送HDMI在針腳上和DVI兼容，只是采用了不同的封裝，與DVI相比，HDMI可以傳輸數(shù)字音頻信號(hào)，并增加了對(duì)HDCP的支持，同時(shí)提供了更好的DC可選功能。

HDMI支持5Gbps的數(shù)據(jù)傳輸，最遠(yuǎn)可以傳輸15米，足以應(yīng)付一個(gè)1080P的視頻和一個(gè)8聲道的音頻信號(hào)，而這些信號(hào)需求少于4GB/S，因此HDMI還有很大的余量。這允許它可以用一個(gè)電纜分別接DVD播放器。接收器和PRR，此外HDMI還支持EDID，DDC2B，因此HDMI的設(shè)備具有“即插即用”的特點(diǎn)，信號(hào)源和顯示設(shè)備之間會(huì)自動(dòng)進(jìn)行“協(xié)商”，自動(dòng)選擇最合適的視頻/音頻格式。

HDMI接口電路比較簡(jiǎn)單，主要由HDMI接口，ESD器件和共模器件，HDMI供電等。如下圖所示。

HDMI接口電路PCB layout設(shè)計(jì)要求如下：

（1）特性阻抗控制100 Ω；

（2）ESD器件靠近HDMI輸入接口，共模電感靠近ESD器件，匹配電阻并排放置；

（3）差分對(duì)組內(nèi)誤差控制5mil；

（4）組與組間距要求20mil以上；

（5）有完整的參考地平面。

PCB設(shè)計(jì)如下圖所示

6.音頻模擬電路PCB設(shè)計(jì)

音頻電路主要包含MIC、耳機(jī)、喇叭等音頻接口、音頻IC模塊，如下圖所示。

Layout設(shè)計(jì)要求如下：

（1）布局按照正確的信號(hào)流向和先后順序，讓每個(gè)器件都發(fā)揮其作用，ESD器件最靠近接口放置；

（2）MIC/耳機(jī)/喇叭是模擬信號(hào)，走線加粗至8～15mil；

（3）MIC/耳機(jī)分開包地處理，喇叭+/-兩個(gè)信號(hào)走類差分包地處理；

（4）遠(yuǎn)離敏感的數(shù)字信號(hào)和電源；

（5）音頻集成模塊需添加屏蔽罩；

（6）注意數(shù)模分區(qū).

PCB設(shè)計(jì)如下圖所示

7.無線WIFI視頻電路PCB設(shè)計(jì)

無線wifi射頻電路主要包括射頻收發(fā)電路和AD芯片模塊，射頻收發(fā)電路是需要我們需要重點(diǎn)關(guān)注的部分，AD芯片模塊如下圖所示。

8.射頻收發(fā)模塊如下圖所示。

無線wifi射頻電路layout設(shè)計(jì)要求如下：

（1）RF主通路要順且直，在同一屏蔽腔內(nèi)布局時(shí)可按信號(hào)由小到大一字布局，空間不足時(shí)可以采用L型布局，布局空間限制時(shí)，RF電路采用45度角放置；

（2）布局時(shí)需要給射頻區(qū)域預(yù)留屏蔽罩或隔金的空間，一般屏蔽罩寬度要大于2mm，最小要大于1mm。屏蔽罩的形狀需要采用規(guī)則的正方形或長(zhǎng)方形，有利于加工，降低開模成本。有些屏蔽罩只加一面，但有些屏蔽罩是表底兩面都加；

（3）對(duì)于RF電路PCB布線層面優(yōu)先選擇表底層布線，利用中間平面作為電源和地線層，這樣可以起到一定的屏蔽作用，可以有效的降低寄生電感，減少信號(hào)間的交叉干擾；

（4）RF信號(hào)轉(zhuǎn)彎時(shí)需要采用圓弧布線，這樣可以減少高頻信號(hào)的反射及信號(hào)能量的相互耦合；

（5）RF布線長(zhǎng)度需要越短越好，且布線兩邊需要嚴(yán)格做包地處理，包地線上需要多打地孔，兩邊的過孔沒必要打的太整齊，兩邊的過孔盡量交錯(cuò)的打孔，這樣shield效果更好；

（6）包地線離RF太近會(huì)降低RF的阻抗，為了讓其周圍的包地平面不影響RF的阻抗，包地離RF信號(hào)至少在20mil以上，推薦30mil以上；

（7）線寬突變的地方需要采用漸進(jìn)線設(shè)計(jì)，采用漸進(jìn)線設(shè)計(jì)可以減少阻抗突變帶來的反射和能量損耗。

Layout設(shè)計(jì)如下圖所示。

9.主電源模塊DCDC PCB設(shè)計(jì)

該電源電路模塊包含外置MOS管，雙通道輸出1V和5V電源，相位互補(bǔ)，DRC電流檢測(cè)等特點(diǎn)，layout時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注大電流地，開關(guān)管和續(xù)流管的輸入輸出，電流檢測(cè)的差分采樣等。其電源原理如下圖所示。

DCDC電路的布局要求如下：

（1）確定模塊在板上的位置：是一個(gè)強(qiáng)烈的EMI輻射源！應(yīng)遠(yuǎn)離時(shí)鐘、接口等敏感器件擺放；

（2）確定原理框圖中各個(gè)部分的核心器件：輸入整流（可選）、輸入濾波、開關(guān)管、控制電路、輸出濾波；

（3）開關(guān)管：布局緊湊，布局考慮大電流通道，輸入輸出的地能夠直接相連，且環(huán)路面積最?。?/p>

（4）輸入濾波：緊湊開關(guān)管，確保能做到大電流先濾波再進(jìn)入開關(guān)管；

（5）輸出濾波：緊靠開關(guān)管，確保大電流吸納濾波在進(jìn)入單板平面；

（6）控制電路的采樣電路：采樣電阻放在輸出濾波與比較電路的中間，布局時(shí)保證采樣電路盡量靠近芯片管腳，靠近比較電路；

（7）控制電路的比較電路，靠近控制芯片擺放；

（8）控制電路本身的濾波網(wǎng)絡(luò)：電容盡量靠近相應(yīng)管腳。

布線要求如下：

（1）開關(guān)管部分盡量粗短，一般用鋪銅實(shí)現(xiàn)；

（2）輸入輸出濾波：注意到電源平面的過孔數(shù)目和位置，在濾波電容之后；

（3）控制電路的采樣：模擬信號(hào)，采樣點(diǎn)在輸出濾波之后，如果有電流采樣和電壓采樣，布成差分線的緊耦合形式，采樣線盡量短，減 小受干擾的空間；

（4）控制電路的調(diào)制輸出：模擬信號(hào)，不要在開關(guān)管下走長(zhǎng)線，遠(yuǎn)離大電流的電源和地的區(qū)域

（5）輸入輸出的地：用大銅皮連接到一起；

（6）控制電路的地：模擬地，與大電流地分開，遠(yuǎn)端單點(diǎn)接地；

（7）芯片的GATE信號(hào)要走15以上，最好不打孔，允許有兩個(gè)孔，遠(yuǎn)離干擾。

Layout設(shè)計(jì)如下圖所示

10.DDR4模塊的設(shè)計(jì)

DDR4模塊在往期的文章已有詳細(xì)的介紹，相信很多小伙伴已經(jīng)看過并掌握了，這里就不再介紹。

好了，整板電路模塊的PCB設(shè)計(jì)已經(jīng)都介紹完了，該產(chǎn)品最終完成的PCB如下圖所示。