了解基本的設計經驗知識，成為“設計達人”

“有些同學反饋，胡老師介紹的是很多PCB設計知識。是的，這些不僅僅是PCB設計師需要掌握的知識，也是硬件設計者必須要了解和掌握的經驗知識。

硬件工程師設計作品的具體展現(xiàn)方式之一就是PCB。不論PCB板子具體由誰設計，是要交付到用戶手中的實物。在這上面如果暴露有任何問題或缺陷，硬件設計者都是直接相關人，而且通常是第一責任人?！?/p>

一個硬件設計工程師，只有熟知這些基本經驗知識和PCB設計規(guī)則，運用到設計過程中，才能夠成為真正的硬件設計大咖。同時，真正的PCB設計大咖也要是硬件設計高手。

了解基本的設計經驗知識，成為“設計達人”。

1、電氣間隙和爬電距離–安全規(guī)范中的兩個基本概念和規(guī)則

正規(guī)的電子產品需要滿足各種不同的標準和規(guī)范要求，有些需要通過特別機構認證才允許銷售。最常見的有EMC/EMI規(guī)范和安全規(guī)范。

沒有標準要求、沒有規(guī)范特性、沒有質量保證的產品是比較容易做出來的，因為可能連基本設計都沒有，就是模仿copy他人的產品。這樣的產品說實話是沒有客戶的。

電子設備的安全距離包括電氣間隙（空間距離）、爬電距離（沿面距離）和絕緣穿透距離。

電氣間隙Cl（Clearance）：

在兩個導電零部件之間或導電零部件與設備防護界面之間測得的最短空間距離。即在保證電氣性能穩(wěn)定和安全的情況下，通過空氣能實現(xiàn)絕緣的最短距離。這個電氣間隙之間承受有較高電壓，與老化現(xiàn)象無關。

爬電距離Cr（Creepage Distance）：

沿絕緣表面測得的兩個導電零部件之間或導電零部件與設備防護界面之間的最短路徑。如果是圓形帶電區(qū)，其半徑即為爬電距離。電子設備總會處于有灰塵，甚至潮濕等工作環(huán)境中。這個爬電距離要求，有時候也被稱作防污要求。

爬電距離：爬的意思，可以看做一個螞蟻從一個帶電體沿著絕緣體表面爬行到另一個帶電體必須經過的最短路程。電氣間隙可以看成是一個帶翅膀的螞蟻飛過去的最短距離。

電氣間隙的大小決定了電氣間隙能承受的過電壓。當過電壓值超過某一臨界值后，此電壓很快就引起電擊穿。因此，確認電氣間隙大小必須以設備可能會出現(xiàn)的最大的內部和外部過電壓（脈沖耐受電壓為依據）。

在不同場合使用同一電氣設備或運用過電壓保護器時所出現(xiàn)的過電壓大小各不相同。需要查閱標準/規(guī)范來確定設計規(guī)則，以保證產品滿足標準要求。

實際設計中要考慮最糟情況來決定確定設計規(guī)則。因為測試的時候會對內部零件施加10N力，外殼也施加30N力，以減少其距離，模擬最糟的情況，來驗證空間距離是否符合標準規(guī)定。

設計時要同時考慮電氣空間距離和表面距離，必須滿足電氣間隙和爬電距離這兩者的要求。

一般來說，爬電距離要求數值比電氣間隙的數值要大。爬電距離和絕緣形式（基本絕緣、輔助絕緣、加強絕緣、雙重絕緣、或各絕緣組合）、電壓的大小、污染等級、材料CTI特性以及表面形狀有關。根據這些條件來查表確定出設計規(guī)則。通?？梢圆捎瞄_槽的方式（槽寬要大于1mm）來增加爬電距離。

左表是基本絕緣最小爬電距離，右表是功能絕緣的最小爬電距離，基于IEC60335-1:2001

PCB常見的FR-4材料漏電起痕指數CTI（Comparative Tracking Index）在175-225之間，屬于Ⅲa類材料。消費類和通訊類產品通常工作電壓小于50V，所以FR-4材料常常大量應用在這些產品場合。超過50V電壓的電路部分，可用下面參考值來設計（詳見GB4706.1-1998 第29節(jié))。

工作電壓大于250V至440V的電控部分與不帶電的金屬部件之間的電氣間隙>3mm,爬電距離>4mm。

工作電壓大于130V至250V的電控部分與不帶電的金屬部件之間的電氣間隙>2.5mm,爬電距離>3mm。

工作電壓小于或等于130V的電控部分與不帶電的金屬部件之間的電氣間隙>1.5mm,爬電距離>2mm。

如不能夠確定材料組別，要假定材料為Ⅲb組。

一般地，PCB設計中外層需要嚴格按照標準來設計。經驗參考：弱電距離應大于15mil，強電應大于100mil；在內層15mil間距能滿足1500Vac隔離；如果距離不夠可以開槽來增加爬電距離（開槽要大于1mm）。

實際場合遠比上面內容還要復雜，一定要分析具體的應用場合和電路要求。在具體設計時一定要去仔細分析，查閱相關標準規(guī)范，或詢問專家，確保設計規(guī)則正確，避免后期多次返工，費時費力，還不一定找到問題癥結。

2、PCB布線trace的長度Length、寬度Width和厚度Thickness

對印制電路板PCB而言，銅是大多數電路板的原料。PCB板的銅箔厚度1oz，意味著走線厚度為35um。

PCB上的走線要走多寬才合適呢？基于時下工藝制造條件，一般規(guī)則下低頻小電流PCB走線寬度選用10mil；特殊密集區(qū)選擇6mil線寬。有時會用4mil甚至更細的線寬來布線。

若要精細選擇布線線寬，首先要考慮阻抗匹配設計。注意要考慮工藝補償：圖形補償和表面處理補償。因為導線橫截面不是一個理想的矩形，實際上是一個梯形。以TOP層為例，當銅箔厚度為1oz時，梯形的上底邊比下底邊短1mil。比如線寬5mil，制造工藝上會引入系統(tǒng)誤差，其上底邊W2約4mil，下底邊W1為5mil。上下底邊的差異和銅厚有關。下表是不同情況下截面梯形上下底W2/W1之間的關系。

另外，經過表面處理，如綠油涂敷后，設計的阻抗值會變小。

還要考慮到PCB線的過流能力。PCB線通過電流的能力與線寬和銅箔厚度、布線在內層和外層以及容忍的溫升等參數緊密有關。參考美軍標MIL-STD-275，線寬10mil走線在允許溫升10攝氏度的條件下，可通過0.5A電流（1/2oz銅厚）。

如果作高電壓或大電流的強電設計，還需要考慮一定的降額如30%-50%來應用。

PCB上的走線trace要走多長？(1 inch=1000mil=25.4mm)

首先了解一個概念“曼哈頓距離”。曼哈頓距離（Manhattan Distance）是標準坐標系上兩個點的絕對軸距總和。如圖紅線代表曼哈頓距離Manhattan Distance=

PCB板上兩點之間走線trace的最短長度是歐式距離

一般來說，PCB布線的長度參考曼哈頓距離。通常實際Route走線長度在最短距離到1.1倍曼哈頓距離之間。如果Route的長度超過1.3倍曼哈頓距離，表明在板上有很多設計冗余過長的環(huán)路。有可能需要優(yōu)化布局，重新布線。

走線trace過長會影響什么呢？ 計算一下走線電阻：走線厚度0.5oz，線寬6mil，線長6inch。銅的體電阻率

所以，6000inch走線直流電阻=

很長trace的走線電阻通?？梢院雎裕ㄈ?4in的走線電阻僅為2歐姆）。但是需要占據更多的PCB空間來布線。

PCB走線過長導致最為關鍵的影響是信號傳播時延變長，信號對器件的驅動能力（帶負載能力）有要求，信號可能會發(fā)生畸變。這個內容后面再詳細討論。