十條最有效的PCB設(shè)計法則

盡管目前半導(dǎo)體集成度越來越高，許多應(yīng)用也都有隨時可用的片上系統(tǒng)，同時許多功能強大且開箱即用的開發(fā)板也越來越可輕松獲取，但許多使用案例中電子產(chǎn)品的應(yīng)用仍然需要使用定制PCB。在一次性開發(fā)當(dāng)中，即使一個普通的PCB都能發(fā)揮非常重要的作用。

PCB是進行設(shè)計的物理平臺，也是用于原始組件進行電子系統(tǒng)設(shè)計的最靈活部件。本文將介紹幾種PCB設(shè)計黃金法則，這些法則自25年前商用PCB設(shè)計誕生以來，大多沒有任何改變，且廣泛適用于各種PCB設(shè)計項目，無論是對年輕的電子設(shè)計工程師還是更為成熟的電路板制造商，都具有極大的指導(dǎo)性作用。

十條最有效的設(shè)計法則

下面是電子設(shè)計工程師在使用設(shè)計軟件進行PCB布局設(shè)計及商業(yè)制造時應(yīng)牢記并踐行的十條最有效的設(shè)計法則。工程師無需按時間先后或相對重要性依次執(zhí)行這些法則，只需全部遵循便可極大地改變產(chǎn)品設(shè)計。

法則一：選擇正確的網(wǎng)格。設(shè)置并始終使用能夠匹配最多元件的網(wǎng)格間距。雖然多重網(wǎng)格看似效用顯著，但工程師若在PCB布局設(shè)計初期能夠多思考一些，便能夠避免間隔設(shè)置時遇到難題并可最大限度地應(yīng)用電路板。由于許多器件都采用多種封裝尺寸，工程師應(yīng)使用最利于自身設(shè)計的產(chǎn)品。此外，多邊形對于電路板敷銅至關(guān)重要，多重網(wǎng)格電路板在進行多邊形敷銅時一般會產(chǎn)生多邊形填充偏差，雖然不如基于單個網(wǎng)格那么標準，但卻可提供超越所需的電路板使用壽命。

法則二：保持路徑最短最直接。這一點聽起來簡單尋常，但應(yīng)在每個階段，即便意味著要改動電路板布局以優(yōu)化布線長度，都應(yīng)時刻牢記。這一點還尤其適用于系統(tǒng)性能總是部分受限于阻抗及寄生效應(yīng)的模擬及高速數(shù)字電路。

法則三：盡可能利用電源層管理電源線和地線的分布。電源層敷銅對大多數(shù)PCB設(shè)計軟件來說是較快也較簡單的一種選擇。通過將大量導(dǎo)線進行共用連接，可保證提供最高效率且具最小阻抗或壓降的電流，同時提供充足的接地回流路徑?？赡艿脑?，還可在電路板同一區(qū)域內(nèi)運行多條供電線路，確認接地層是否覆蓋了PCB某一層的大部分層面，這樣有利于相鄰層上運行線路之間的相互作用。

法則四：將相關(guān)元件與所需的測試點一起進行分組。例如：將OpAmp運算放大器所需的分立元件放置在離器件較近的部位以便旁路電容及電阻能夠與其同地協(xié)作，從而幫助優(yōu)化法則二中提及的布線長度，同時還使測試及故障檢測變得更加簡便。

法則五：將所需的電路板在另一個更大的電路板上重復(fù)復(fù)制多次進行PCB拼版。選擇最適合制造商所使用設(shè)備的尺寸有利于降低原型設(shè)計及制造成本。首先在面板上進行電路板布局，聯(lián)系電路板制造商獲取他們每個面板的首選尺寸規(guī)格，然后修改你的設(shè)計規(guī)格，并盡力在這些面板尺寸內(nèi)多次重復(fù)進行你的設(shè)計。

法則六：整合元件值。作為設(shè)計師，你會選擇一些元件值或高或低，但效能一樣的分立元件。通過在較小的標準值范圍內(nèi)進行整合，可簡化物料清單，并可能降低成本。如果你擁有基于首選器件值的一系列PCB產(chǎn)品，那么從更長遠角度來說，也更利于你做出正確的庫存管理決策。

法則七：盡可能多地執(zhí)行設(shè)計規(guī)則檢查(DRC)。盡管在PCB軟件上運行DRC功能只需花費很短時間，但在更復(fù)雜的設(shè)計環(huán)境中，只要你在設(shè)計過程中始終執(zhí)行檢查便可節(jié)省大量時間，這是一個值得保持的好習(xí)慣。每個布線決定都很關(guān)鍵，通過執(zhí)行DRC可隨時提示你那些最重要的布線。

法則八：靈活使用絲網(wǎng)印刷。絲網(wǎng)印刷可用于標注各種有用信息，以便電路板制造者、服務(wù)或測試工程師、安裝人員或設(shè)備調(diào)試人員將來使用。不僅標示清晰的功能和測試點標簽，還要盡可能標示元件和連接器的方向，即使是將這些注釋印刷在電路板使用的元件下表面(在電路板組裝后)。在電路板上下表面充分應(yīng)用絲網(wǎng)印刷技術(shù)能夠減少重復(fù)工作并精簡生產(chǎn)過程。

法則九：必選去耦電容。不要試圖通過避免解耦電源線并依據(jù)元件數(shù)據(jù)表中的極限值優(yōu)化你的設(shè)計。電容器價格低廉且堅固耐用，你可以盡可能多地花時間將電容器裝配好，同時遵循法則六，使用標準值范圍以保持庫存整齊。

法則十：生成PCB制造參數(shù)并在報送生產(chǎn)之前核實。雖然大多數(shù)電路板制造商很樂意直接下載并幫你核實，但你自己最好還是先輸出Gerber文件，并用免費閱覽器檢查是否和預(yù)想的一樣，以避免造成誤解。通過親自核實，你甚至還會發(fā)現(xiàn)一些疏忽大意的錯誤，并因此避免按照錯誤的參數(shù)完成生產(chǎn)造成損失。

由于電路設(shè)計共享越來越廣泛，且內(nèi)部團隊越來越依靠參考設(shè)計，類似以上的基本規(guī)則將仍是印刷電路板設(shè)計的一個特色，我們相信這對于PCB設(shè)計十分重要。明確了這些基本規(guī)則，開發(fā)人員便可非常靈活地提升其產(chǎn)品的價值并從其制造的電路板獲得最大收益。即使是電路板設(shè)計新手，只要牢記這些基本規(guī)則便能加快學(xué)習(xí)過程，增強信心。

工程人員看硬件設(shè)計

下面是一位工程師的分享，值得一讀：

由于自己深感技術(shù)基礎(chǔ)的薄弱，我申請去產(chǎn)線當(dāng)了一名工程人員，在此期間，我從生產(chǎn)角度去看待設(shè)計，發(fā)現(xiàn)視角不同，看到的內(nèi)容也不一樣。每每在產(chǎn)線上，員工對我橫眉怒眼，咒天怨地：這TMD是誰設(shè)計的產(chǎn)品~我就一臉黑線的飄過。我很佩服我們維修組的成員，相比較而言我的維修技術(shù)是大而空，而他們是腳踏實地，原因就是在于我往往會從理論出發(fā)，維修一個東西先拿原理圖看看，然后再分析問題會出現(xiàn)在哪一塊電路。而他們不同的地方是他們會拿一塊好板子量一量，對比一下，找到問題會出現(xiàn)在什么地方，然后才是原因。當(dāng)然，我認為差異的主要原因是我沒有維修數(shù)量壓力，而他們績效與成果直接掛鉤。

在這期間發(fā)生了很多問題，維修了很多板子，但是究其原因，占比例最高的卻依舊是設(shè)計問題，占有九成以上，尤其是客戶投訴的故障中，都能歸結(jié)為設(shè)計缺陷。雖然也發(fā)生過PCB來料短路、設(shè)備工藝等問題，但是數(shù)量極其稀少。設(shè)計問題有很多方面，有的是原理問題，有的是布局問題，有的是工藝問題，有的是選材問題。

我所遇到的最嚴重的一次設(shè)計缺陷是電路中沒有設(shè)計主開關(guān)，即無法斷電，正常使用過程中僅有信號開關(guān)。正常工作時沒有問題，但是出現(xiàn)故障以后直接燒毀。所以無論什么產(chǎn)品，如果想要安全，就必須有一個能夠快速斷開電路的開關(guān)。我之前質(zhì)疑電動汽車的博客中就說明一個問題：一旦出事故，能否保證快速有效的斷電？幾次電動汽車事故，例如比亞迪、眾泰、特斯拉等，最終都是燒毀，因為電斷不開，短路狀態(tài)就會一直加熱起火直至燒毀。

而單片機的端口問題會是一個比較常見的現(xiàn)象。有一款產(chǎn)品生產(chǎn)時有間歇不開機現(xiàn)象，百思不得其解，最后研發(fā)工程師給出了答案——燈線斷了！原來設(shè)計上該引腳被復(fù)用，上電時會檢測引腳(漏極開路)是不是高電平以進入校準狀態(tài)，進入工作狀態(tài)就復(fù)用為驅(qū)動引腳(推挽輸出)，當(dāng)燈線斷掉以后，狀態(tài)不定，如果誤認為高電平就會進入校準狀態(tài)一直不工作，看起來像是死機。所以設(shè)計上特殊信號的引腳盡量不要賦予太多的可能。這個故障如果有一個上拉電阻可能會有所改善。

同樣我們的工裝也出現(xiàn)了類似的情況，一直以來按鍵的跳動都是困擾我們的問題，莫名的原因讓程序誤認為按鍵被按下而執(zhí)行錯誤的功能。無論是走線布局、軟件防抖、按鍵濾波等多種方案都試驗過，可是都不完全能解決問題，偶然一次聊天時才發(fā)現(xiàn)工程師設(shè)計上沒有加上拉電阻~我們其余的同事都默認為設(shè)計按鍵的時候都會加上拉電阻，經(jīng)驗主義害死人。

布局問題多數(shù)會和地線有關(guān)，在地的分隔和單點接地上面很容易出現(xiàn)問題。有一個產(chǎn)品過流測試的時候會燒毀其中一根細線，分析后發(fā)現(xiàn)這是一根地線，這根線比大電流的鋪銅離電源更近。當(dāng)過流測試的時候，電流會首先選擇這條近路而將線路燒毀。另外，像信號線走在活動的結(jié)構(gòu)件或者卡槽附近導(dǎo)致擦壞的情況也比比皆是，這些都考驗一個工程師對產(chǎn)品的熟悉程度。

另一款低電壓的產(chǎn)品中在正負極之間反向并聯(lián)了抑制浪涌的二極管，客戶投訴說不開主開關(guān)情況下電池耗光了，我拿起電路圖一看，就覺得問題肯定出現(xiàn)在這個二極管身上。接著查規(guī)格書，發(fā)現(xiàn)該器件額定反向漏電流500mA，意味著假若一個二極管499mA，那么參照規(guī)格書就是正常的，但是電池就會無時無刻不放電，直到死的不能再死。這是一個典型的選型不良。

而有一款老產(chǎn)品在生產(chǎn)中投訴說容易損壞萬用表，經(jīng)核實發(fā)現(xiàn)有一項測試內(nèi)容是測試mA級別的電流，大約80mA左右，但是如果PCB出現(xiàn)故障會飆升到1A以上，測試時工藝文件要求是mA檔，自然燒毀萬用表保險絲。我看了之后僅僅將萬用表撥到了A檔，因為萬用表能夠有效到0.001A，與mA檔效果相同，但是1A的電流卻不會燒毀A檔的保險絲。可見，合適的選型是多么的重要。

我一般不使用電流檔，因為容易損壞，調(diào)試的場合使用鉗流表可能比較方便，但是生產(chǎn)測試中我會建議使用檢流電阻。而檢流電阻的選擇也十分關(guān)鍵，曾有一個工裝一開始設(shè)計使用220mR 3W的檢流電阻，這個阻值對于小信號來說測試壓降比較高，易測量，但過流狀態(tài)容易燒毀，計算發(fā)現(xiàn)過流閥值30A時候電阻上瞬間功率近200W，肯定燒毀了!于是我建議使用無感電阻10mR 5W，那么正常工作時候就可以承受20A的電流，而且陶瓷封裝，杜絕了起火的風(fēng)險。

還有一款產(chǎn)品也發(fā)生過很多問題，究其問題，與設(shè)計不無關(guān)系。由于設(shè)計上沒有采用端子設(shè)計，所以生產(chǎn)測試過程中是將所有的導(dǎo)線全部焊接在PCB上面周轉(zhuǎn)的，從生產(chǎn)初期就發(fā)現(xiàn)有部分不開機，測量調(diào)速旋鈕阻值大幅度下降。一開始懷疑旋鈕故障，但是多次拆解以后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部電路有燒毀的現(xiàn)象，旋鈕本身沒有損傷。最初總是不明白為什么內(nèi)部電路會損毀，短路？焊接？芯片故障？撞擊？分析來分析去都不是，原理上解釋不通。最終發(fā)現(xiàn)原因卻是由于拖著導(dǎo)線，NTC的導(dǎo)線測試過程中碰到了高壓的線，將高壓電引入低壓電路導(dǎo)致芯片瞬間燒毀。如果設(shè)計上采用的是端子連接方式，不但測試方便，也不會出現(xiàn)這么高的損毀率了，而損壞的PCB足夠端子的采購費用了，得不償失。

這款產(chǎn)品同時出現(xiàn)一個奇怪的測試現(xiàn)象——打火。測試人員如果帶著手環(huán)接線，接火線的時候不會打火，接零線的時候會打火，而理論上火線是開關(guān)斷開的。測試工裝在工裝組檢查時候卻不會出現(xiàn)這個現(xiàn)象，我直接去摸各個導(dǎo)線均不會出現(xiàn)這個問題，百思不得其解。偶然有一次測試各點對地電壓的時候發(fā)現(xiàn)零線竟然是高壓!至此才發(fā)現(xiàn)原來工裝零火線輸入接反了，而工裝組的插座零火線也接反了?？雌饋肀硐笫墙泳€問題，但是也說明設(shè)備電路控制存在風(fēng)險，設(shè)計不全面，所以后期的交流測試工裝均加有交流接觸器或者繼電器，將零火線全部斷開，并且用無鎖按鍵控制，避免操作過程中PCB帶電問題。

這款產(chǎn)品還選用了一系列不密封的器件用在需要環(huán)氧膠密封的場合，這是一個不得不說的設(shè)計缺陷，選擇的器件不滿足使用要求。

其實拆解了很多國內(nèi)的不同類型產(chǎn)品，就會發(fā)現(xiàn)這是國內(nèi)設(shè)計的共性，為了保證低成本而放棄部分性能。

我總記得以前培訓(xùn)時候老師講的，一個產(chǎn)品的99%成本是在生產(chǎn)中出現(xiàn)的，而幅度卻取決于設(shè)計。

設(shè)計應(yīng)該讓生產(chǎn)盡可能的在BOM+工藝的總成本上面降低，而不能單純看BOM成本，用了便宜的原料不見得做出來的東西就便宜，中國很多大公司一瞬間垮臺，都是便宜的原材料把自己給坑了。當(dāng)時老師還講現(xiàn)在的客戶不再一味的追求價格便宜，還會考慮后期維護的綜合成本。對于設(shè)計來說，生產(chǎn)就是我們的客戶，設(shè)計的再先進，做起來很費勁，工人可是要罵娘的。

今年這款產(chǎn)品又爆發(fā)出一個隱藏的缺陷，莫名其妙的飆升到了極限速度，失控，取下PCB測試一切正常。分析后問題集中到調(diào)速旋鈕上面，但是旋鈕只是一個弱電信號，調(diào)節(jié)到底就是最低速，到頂就是最高速，沒辦法出現(xiàn)失控到極限速度的現(xiàn)象。測試過程中還專門用可調(diào)電阻去模擬，知道一個偶然的機會把中間引腳斷開了~~故障重現(xiàn)。所以問題出現(xiàn)的原因是結(jié)構(gòu)上不平衡導(dǎo)致旋鈕受力，中間腳懸空。但這并不是根本原因，根本原因卻是程序上在PID速度控制時缺少一句對最高速的限制，正常情況下會穩(wěn)定在最高速，但是出了故障以后就跑飛了。

其實不良現(xiàn)象還有很多很多，所有的不良品最終都會送到維修，所以維修成為一個十分鍛煉工程師對問題分析能力的地方，也同時能夠發(fā)現(xiàn)很多前人的設(shè)計缺陷，這樣就可以讓自己在未來的設(shè)計道路上少走一些彎路。所以同學(xué)們，如果你想成為一個優(yōu)秀的工程師，可以先去維修鍛煉鍛煉吧。