超強(qiáng)PCB布線設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

在當(dāng)今激烈競(jìng)爭的電池供電市場(chǎng)中，由于成本指標(biāo)限制，設(shè)計(jì)人員常常使用雙面板。盡管多層板(4層、6層及8層)方案在尺寸、噪聲和性能方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，成本壓力卻促使工程師們重新考慮其布線策略，采用雙面板。在本文中，我們將討論自動(dòng)布線功能的正確使用和錯(cuò)誤使用，有無地平面時(shí)電流回路的設(shè)計(jì)策略，以及對(duì)雙面板元件布局的建議。

自動(dòng)布線的優(yōu)缺點(diǎn)以及模擬電路布線的注意事項(xiàng)

設(shè)計(jì)PCB時(shí)，往往很想使用自動(dòng)布線。通常，純數(shù)字的電路板(尤其信號(hào)電平比較低，電路密度比較小時(shí))采用自動(dòng)布線是沒有問題的。但是，在設(shè)計(jì)模擬、混合信號(hào)或高速電路板時(shí)，如果采用布線軟件的自動(dòng)布線工具，可能會(huì)出現(xiàn)一些問題，甚至很可能帶來嚴(yán)重的電路性能問題。

例如，圖1中顯示了一個(gè)采用自動(dòng)布線設(shè)計(jì)的雙面板的頂層。此雙面板的底層如圖2所示，這些布線層的電路原理圖如圖3a和圖3b所示。設(shè)計(jì)此混合信號(hào)電路板時(shí)，經(jīng)仔細(xì)考慮，將器件手工放在板上，以便將數(shù)字和模擬器件分開放置。

采用這種布線方案時(shí)，有幾個(gè)方面需要注意，但最麻煩的是接地。如果在頂層布地線，則頂層的器件都通過走線接地。器件還在底層接地，頂層和底層的地線通過電路板最右側(cè)的過孔連接。當(dāng)檢查這種布線策略時(shí)，首先發(fā)現(xiàn)的弊端是存在多個(gè)地環(huán)路。另外，還會(huì)發(fā)現(xiàn)底層的地線返回路徑被水平信號(hào)線隔斷了。這種接地方案的可取之處是，模擬器件(12位A/D轉(zhuǎn)換器MCP3202和2.5V參考電壓源MCP4125)放在電路板的最右側(cè)，這種布局確保了這些模擬芯片下面不會(huì)有數(shù)字地信號(hào)經(jīng)過。

圖3a和圖3b所示電路的手工布線如圖4、圖5所示。在手工布線時(shí)，為確保正確實(shí)現(xiàn)電路，需要遵循一些通用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：盡量采用地平面作為電流回路；將模擬地平面和數(shù)字地平面分開；如果地平面被信號(hào)走線隔斷，為降低對(duì)地電流回路的干擾，應(yīng)使信號(hào)走線與地平面垂直；模擬電路盡量靠近電路板邊緣放置，數(shù)字電路盡量靠近電源連接端放置，這樣做可以降低由數(shù)字開關(guān)引起的di/dt效應(yīng)。

這兩種雙面板都在底層布有地平面，這種做法是為了方便工程師解決問題，使其可快速明了電路板的布線。廠商的演示板和評(píng)估板通常采用這種布線策略。但是，更為普遍的做法是將地平面布在電路板頂層，以降低電磁干擾。

有無地平面時(shí)的電流回路設(shè)計(jì)

對(duì)于電流回路，需要注意如下基本事項(xiàng)：

1.如果使用走線，應(yīng)將其盡量加粗

PCB上的接地連接如要考慮走線時(shí)，設(shè)計(jì)應(yīng)將走線盡量加粗。這是一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則，但要知道，接地線的最小寬度是從此點(diǎn)到末端的有效寬度，此處“末端”指距離電源連接端最遠(yuǎn)的點(diǎn)。

2.應(yīng)避免地環(huán)路

3.如果不能采用地平面，應(yīng)采用星形連接策略(見圖6)

通過這種方法，地電流獨(dú)立返回電源連接端。圖6中，注意到并非所有器件都有自己的回路，U1和U2是共用回路的。如遵循以下第4條和第5條準(zhǔn)則，是可以這樣做的。

4.數(shù)字電流不應(yīng)流經(jīng)模擬器件

數(shù)字器件開關(guān)時(shí)，回路中的數(shù)字電流相當(dāng)大，但只是瞬時(shí)的，這種現(xiàn)象是由地線的有效感抗和阻抗引起的。對(duì)于地平面或接地走線的感抗部分，計(jì)算公式為V=Ldi/dt，其中V是產(chǎn)生的電壓，L是地平面或接地走線的感抗，di是數(shù)字器件的電流變化，dt是持續(xù)時(shí)間。對(duì)地線阻抗部分的影響，其計(jì)算公式為V=RI,其中，V是產(chǎn)生的電壓，R是地平面或接地走線的阻抗，I是由數(shù)字器件引起的電流變化。經(jīng)過模擬器件的地平面或接地走線上的這些電壓變化，將改變信號(hào)鏈中信號(hào)和地之間的關(guān)系(即信號(hào)的對(duì)地電壓)。

5.高速電流不應(yīng)流經(jīng)低速器件

與上述類似，高速電路的地返回信號(hào)也會(huì)造成地平面的電壓發(fā)生變化。此干擾的計(jì)算公式和上述相同，對(duì)于地平面或接地走線的感抗，V=Ldi/dt；對(duì)于地平面或接地走線的阻抗，V=RI。與數(shù)字電流一樣，高速電路的地平面或接地走線經(jīng)過模擬器件時(shí)，地線上的電壓變化會(huì)改變信號(hào)鏈中信號(hào)和地之間的關(guān)系。

6.不管使用何種技術(shù)，接地回路必須設(shè)計(jì)為最小阻抗和容抗

7.如使用地平面，分隔開地平面可能改善或降低電路性能，因此要謹(jǐn)慎使用

分開模擬和數(shù)字地平面的有效方法如圖7所示

圖7中，精密模擬電路更靠近接插件，但是與數(shù)字網(wǎng)絡(luò)和電源電路的開關(guān)電流隔離開了。這是分隔開接地回路的非常有效的方法，我們?cè)谇懊嬗懻摰膱D4和圖5的布線也采用了這種技術(shù)。

超強(qiáng)PCB布線設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)談附原理圖(二）

工程領(lǐng)域中的數(shù)字設(shè)計(jì)人員和數(shù)字電路板設(shè)計(jì)專家在不斷增加，這反映了行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。盡管對(duì)數(shù)字設(shè)計(jì)的重視帶來了電子產(chǎn)品的重大發(fā)展，但仍然存在，而且還會(huì)一直存在一部分與模擬或現(xiàn)實(shí)環(huán)境接口的電路設(shè)計(jì)。模擬和數(shù)字領(lǐng)域的布線策略有一些類似之處，但要獲得更好的結(jié)果時(shí)，由于其布線策略不同，簡單電路布線設(shè)計(jì)就不再是最優(yōu)方案了。本文就旁路電容、電源、地線設(shè)計(jì)、電壓誤差和由PCB布線引起的電磁干擾(EMI)等幾個(gè)方面，討論模擬和數(shù)字布線的基本相似之處及差別。

模擬和數(shù)字布線策略的相似之處

旁路或去耦電容

在布線時(shí)，模擬器件和數(shù)字器件都需要這些類型的電容，都需要靠近其電源引腳連接一個(gè)電容，此電容值通常為0.1mF。系統(tǒng)供電電源側(cè)需要另一類電容，通常此電容值大約為10mF。

這些電容的位置如圖1所示。電容取值范圍為推薦值的1/10至10倍之間。但引腳須較短，且要盡量靠近器件(對(duì)于0.1mF電容)或供電電源(對(duì)于10mF電容)。

在電路板上加旁路或去耦電容，以及這些電容在板上的位置，對(duì)于數(shù)字和模擬設(shè)計(jì)來說都屬于常識(shí)。但有趣的是，其原因卻有所不同。在模擬布線設(shè)計(jì)中，旁路電容通常用于旁路電源上的高頻信號(hào)，如果不加旁路電容，這些高頻信號(hào)可能通過電源引腳進(jìn)入敏感的模擬芯片。一般來說，這些高頻信號(hào)的頻率超出模擬器件抑制高頻信號(hào)的能力。如果在模擬電路中不使用旁路電容的話，就可能在信號(hào)路徑上引入噪聲，更嚴(yán)重的情況甚至?xí)鹫駝?dòng)。

圖1在模擬和數(shù)字PCB設(shè)計(jì)中，旁路或去耦電容(1mF)應(yīng)盡量靠近器件放置。供電電源去耦電容(10mF)應(yīng)放置在電路板的電源線入口處。所有情況下，這些電容的引腳都應(yīng)較短

圖2在此電路板上，使用不同的路線來布電源線和地線，由于這種不恰當(dāng)?shù)呐浜?，電路板的電子元器件和線路受電磁干擾的可能性比較大

圖3在此單面板中，到電路板上器件的電源線和地線彼此靠近。此電路板中電源線和地線的配合比圖2中恰當(dāng)。電路板中電子元器件和線路受電磁干擾(EMI)的可能性降低了679/12.8倍或約54倍

對(duì)于控制器和處理器這樣的數(shù)字器件，同樣需要去耦電容，但原因不同。這些電容的一個(gè)功能是用作“微型”電荷庫。在數(shù)字電路中，執(zhí)行門狀態(tài)的切換通常需要很大的電流。由于開關(guān)時(shí)芯片上產(chǎn)生開關(guān)瞬態(tài)電流并流經(jīng)電路板，有額外的“備用”電荷是有利的。如果執(zhí)行開關(guān)動(dòng)作時(shí)沒有足夠的電荷，會(huì)造成電源電壓發(fā)生很大變化。電壓變化太大，會(huì)導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)電平進(jìn)入不確定狀態(tài)，并很可能引起數(shù)字器件中的狀態(tài)機(jī)錯(cuò)誤運(yùn)行。流經(jīng)電路板走線的開關(guān)電流將引起電壓發(fā)生變化，電路板走線存在寄生電感，可采用如下公式計(jì)算電壓的變化：V=LdI/dt

其中，V=電壓的變化；L=電路板走線感抗；dI=流經(jīng)走線的電流變化；dt=電流變化的時(shí)間。

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