9種 混合PCB 布局技巧總結(jié)，圖文結(jié)合+實(shí)例

優(yōu)秀網(wǎng)文分享，作者：百芯 EMA

今天給大家分享的是：混合PCB 布局技巧，包括：組件放置、電路板分層，接地等注意事項(xiàng)。

一、元器件放置

在元器件放置的時(shí)候要遵循原理圖的信號(hào)路徑，還需要為走線提供空間。除此之外，要遵循以下放置規(guī)則：

電源部分應(yīng)緊湊地放置在一起，并適當(dāng)?shù)娜ヱ顚?shí)現(xiàn)電源完整性

去耦電容應(yīng)盡可能靠近各個(gè)器件放置

連接器應(yīng)放置在板的邊緣

遵循高頻組件的原理圖流程

大型存儲(chǔ)設(shè)備和處理器（例如時(shí)鐘發(fā)生器和控制器）應(yīng)放置在電路板的中心

元器件放置

二、模擬和數(shù)字模塊分離

為了最大限度地減少模擬和數(shù)字信號(hào)的公共返回路徑，要將模擬和數(shù)字模塊分開，防止模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)混合。

模擬和數(shù)字電路分離

上圖顯示了模擬和數(shù)字電路分離的一個(gè)示例。在劃分模擬部分和數(shù)字部分時(shí)，應(yīng)牢記以下幾點(diǎn)：

建議在模擬平面安裝精密的模擬元件，例如放大器和基準(zhǔn)電壓源。另一側(cè)/數(shù)字平面必須用于噪聲數(shù)字組件，例如邏輯控制和定時(shí)塊。

系統(tǒng)中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 或數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 是混合信號(hào)且具有低數(shù)字電流，其處理方式與模擬組件在模擬系統(tǒng)中的處理方式類似。

對(duì)于具有大量高電流 ADC 和 DAC 的設(shè)計(jì)，建議將模擬電源和數(shù)字電源分開。換句話說(shuō)，DVDD應(yīng)該連接到數(shù)字部分，而AVCC必須連接到模擬部分。

微處理器和微控制器產(chǎn)生的空間和熱量可能很大。為了改善散熱，這些組件必須放置在電路板的中心，并且必須靠近它們要連接的電路塊。

三、跟蹤路由

將所有組件正確放置在最佳位置并建立適當(dāng)?shù)慕拥仄矫婧?，大多?shù)路線自然會(huì)遵循正確的路徑。但是，在跟蹤路由時(shí)應(yīng)牢記以下準(zhǔn)則：

信號(hào)路徑應(yīng)盡可能直接且短

具有高速信號(hào)路徑的層應(yīng)有一個(gè)與其相鄰的接地層，以確保正確的返回信號(hào)

高速電路特別敏感，需要遵循原理圖中布置的信號(hào)路徑

通過(guò)使用短、直接和寬的走線來(lái)減少電源布線中的電感

在布線走線和過(guò)孔時(shí)不要?jiǎng)?chuàng)建天線

電源布線應(yīng)該短、緊湊并且應(yīng)該有寬走線

布線需要保持?jǐn)?shù)字和模擬電路元件之間的隔離

接地很重要，特別是對(duì)于連接數(shù)字和模擬分區(qū)區(qū)域的走線

四、電源模塊

電源是電路的重要組成部分，需要小心處理。一般來(lái)說(shuō)，電源模塊必須靠近其供電的組件，同時(shí)與電路的其余部分隔離。

當(dāng)復(fù)雜系統(tǒng)中的設(shè)備具有許多電源引腳時(shí)，可以為模擬和數(shù)字部分使用專用電源模塊，以防止噪聲數(shù)字干擾。

為了減少電感并防止電流限制，電源線應(yīng)短而直，并使用寬走線。

電源模塊

五、解耦

為了滿足系統(tǒng)所需的性能，工程師必須考慮的關(guān)鍵因素之一是電源抑制比 (PSRR)。設(shè)備的性能最終由 PSRR 決定，PSRR 評(píng)估設(shè)備對(duì)電源變化的敏感度。

為了保持理想的 PSRR，需要防止高頻能量進(jìn)入器件。為此，使用電解電容和陶瓷電容的組合，可以有效地將器件電源與高阻抗接地層隔離。

有效去耦是為了在電路運(yùn)行時(shí)有一個(gè)低噪聲環(huán)境?；疽?guī)則是提供盡可能最短的路徑，使電流更容易返回。

下面為一些通用解耦方法：

低電感陶瓷電容用于降低高頻噪聲，而電解電容則通過(guò)充當(dāng)瞬態(tài)電流的電荷庫(kù)來(lái)降低電源上的低頻噪聲。此外，鐵氧體磁珠是可選的，但可以增強(qiáng)高頻噪聲的隔離和去耦。

去耦電容需要盡可能靠近器件的電源引腳放置。為了減少額外的串聯(lián)電感，應(yīng)使用過(guò)孔或短線將這些電容連接到低阻抗接地層的大部分。

器件的電源引腳應(yīng)盡可能靠近器件。應(yīng)使用較小的電容（通常為 0.01F 至 0.1F），這種配置避免了當(dāng)多個(gè)輸出同時(shí)切換時(shí)設(shè)備以不穩(wěn)定的方式運(yùn)行。電解電容與設(shè)備電源引腳之間的距離不應(yīng)超過(guò)一英寸（平均10F至100F）。

可以使用靠近器件 GND 引腳的過(guò)孔將去耦電容T形連接到接地層，以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)而不是構(gòu)建走線。

具體的可以看下圖：

電源引腳的去耦技術(shù)

六、PCB 分層

在PCB布線之前，要考慮好 PCB 的疊層，不然會(huì)影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)允許的返回路徑。

4 層 PCB 示例

上圖 顯示了電路板各層的直觀表示。下圖詳細(xì)介紹了典型 PCB 的設(shè)置：

典型 PCB圖層

高性能數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)通常應(yīng)包含四層或更多層。輔助信號(hào)通常用在底層，而數(shù)字/模擬信號(hào)通常用在頂層。通過(guò)充當(dāng)阻抗控制信號(hào)的參考層，第二層（也稱為接地層）可降低 IR 壓降并保護(hù)頂層的數(shù)字信號(hào)。電源層位于第三層。

由于它們提供了額外的層間電容，電源層和接地層必須彼此靠近，以便電源在高頻下解耦。

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七、PCB 銅電阻

銅的電阻在混合信號(hào) PCB 布局中也很重要，銅走線可以形成良好的互連和接地層。

大多數(shù) PCB 使用 1 oz 銅，但高功率部分可能使用 2 或 3 oz銅。25℃時(shí)銅的電阻率為1.724X10 -6 Ω/cm。

常見的1盎司銅箔厚度為0.036 mm（0.0014in），電阻為0.48 mΩ/平方。例如，PCB 上常用的 0.25 mm（10 mil）寬走線的電阻/長(zhǎng)度約為 19 mΩ/cm（48 mΩin）。

PCB 走線電阻可能是混合信號(hào) IC 的誤差源。對(duì)于具有 5 kΩ 輸入電阻的 16 位 ADC，通過(guò) 5 cm 0.25 mm寬的 1 oz銅驅(qū)動(dòng)，軌道電阻為 0.1 Ω，并與 5 kΩ 負(fù)載形成分壓器，產(chǎn)生 0.1 的誤差/5 k（約 0.0019%），高于 16 位的 1 LSB (0.0015%)，如下所示：

PCB 走線電阻是混合信號(hào) PCB 中的一個(gè)重要因素

在實(shí)際應(yīng)用中可能更嚴(yán)重，因?yàn)檫@忽略了返回路徑和 25 °C 時(shí)銅的 0.4%/°C 溫度系數(shù)。在處理低阻抗精密電路時(shí)，銅的電阻對(duì)于成功的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

八、接地

1、單接地層

最好的辦法是對(duì)具有單個(gè)低數(shù)字電流 ADC 或 DAC 的混合信號(hào)系統(tǒng)使用單個(gè)實(shí)心接地層。

為了理解單個(gè)接地層的重要性，這里需要分析返回電流。術(shù)語(yǔ)“返回電流”描述了完成電路環(huán)路并流回地的電流。整個(gè) PCB 布局中必須遵循每個(gè)返回路徑，以避免混合信號(hào)干擾。

使用實(shí)心接地層的系統(tǒng)的返回電流

上圖的簡(jiǎn)單電路說(shuō)明了單個(gè)實(shí)心接地層相對(duì)于多個(gè)接地層的優(yōu)勢(shì)。存在與信號(hào)電流相等但相反的返回電流。當(dāng)返回電流返回接地層中的源時(shí)，該返回電流將采用電阻最小的路徑。

電阻最小的路線（通常是設(shè)備接地參考之間的直線）將跟隨低頻傳輸?shù)姆祷仉娏?。然而，一部分返回電流將嘗試沿著信號(hào)通道返回以進(jìn)行更高頻率的傳輸。這是因?yàn)檠卦撏ǖ赖妮敵龊头祷仉娏髦g產(chǎn)生的阻抗較低且環(huán)路較小。

2、獨(dú)立的模擬地和數(shù)字地

另一種典型的策略是將接地層分為兩半：模擬接地層和數(shù)字接地層。這適用于具有大量混合信號(hào)組件和高數(shù)字電流要求的更復(fù)雜的系統(tǒng)。下圖顯示了具有劃分接地層的系統(tǒng)的圖示。

使用分離接地層的系統(tǒng)的返回電流

消除接地層斷裂并允許返回電流采取更直接的路徑，通過(guò)星形接地結(jié)流回，是為具有單獨(dú)接地層的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整體接地的最簡(jiǎn)單方法。在混合信號(hào)布局中，模擬和數(shù)字接地層的交叉點(diǎn)稱為星形接地。

星形接地可以連接到常見系統(tǒng)中模擬和數(shù)字接地層之間的典型薄連續(xù)連接。對(duì)于更復(fù)雜的系統(tǒng)，通常通過(guò)將跳線分流到接地連接來(lái)執(zhí)行星形接地。

由于星形接地沒(méi)有電流，因此不需要高載流接頭和跳線分流器。星形接地的主要功能是保證兩個(gè)接地的參考電平相同。

另一方面，由于星形接地還在一個(gè)位置連接兩個(gè)接地，因此具有 AGND 和 DGND 引腳的混合信號(hào)器件可以連接到各自的接地層。這將精密的模擬電路與高噪聲數(shù)字電流分開，這些電流通過(guò)數(shù)字電源，一直到達(dá)數(shù)字接地層，然后返回?cái)?shù)字電源。

多層 PCB 必須實(shí)現(xiàn) AGND 和 DGND 平面的完全隔離。

九、電磁干擾屏蔽

在解決了接地反彈、串?dāng)_、電源噪聲和其他干擾之后，電路扔可能遭受電磁干擾或 EMI。這可能會(huì)導(dǎo)致各種問(wèn)題，例如：

無(wú)線通信的干擾

通訊中斷

傳感器數(shù)據(jù)損壞

部件故障

軟件錯(cuò)誤和故障

處理 EMI 的有效方法之一是使用足夠量的金屬屏蔽。優(yōu)選地，屏蔽應(yīng)形成法拉第籠，從所有六個(gè)側(cè)面和接地層覆蓋電路。

盡管使用屏蔽可以阻止大部分傳入的 EMI，還必須解決熱冷卻問(wèn)題，并允許信號(hào)輸入和輸出。

優(yōu)秀網(wǎng)文分享，作者：百芯 EMA

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https://www.toutiao.com/article/7280802445142409787/

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審核編輯 黃宇