PCB電路板設(shè)計(jì)布線20問(wèn)答

作者：博維科技 時(shí)間：2021-09-17 15:06

01

Q：高頻信號(hào)布線時(shí)要注意哪些問(wèn)題？

A：信號(hào)線的阻抗匹配；與其他信號(hào)線的空間隔離；對(duì)于數(shù)字高頻信號(hào)，差分線效果會(huì)更好。

02

Q：在布板時(shí)，如果線密，孔就可能要多，當(dāng)然就會(huì)影響板子的電氣性能，怎樣提高板子的電氣性能？

A：對(duì)于低頻信號(hào)，過(guò)孔不要緊，高頻信號(hào)盡量減少過(guò)孔。如果線多可以考慮多層板。

03

Q：是不是板子上加的去耦電容越多越好？

A：去耦電容需要在合適的位置加合適的值。例如，在模擬器件的供電端口就需要加，并且需要用不同的電容值去濾除不同頻率的雜散信號(hào)。

04

Q：一個(gè)好的板子它的標(biāo)準(zhǔn)是什么？

A：布局合理、電源線功率冗余度足夠、高頻阻抗、低頻走線簡(jiǎn)潔。

05

Q：通孔和盲孔對(duì)信號(hào)的差異影響有多大？應(yīng)用的原則是什么？

A：采用盲孔或埋孔是提高多層板密度、減少層數(shù)和板面尺寸的有效方法，并大大減少了鍍覆通孔的數(shù)量。

但相比較而言，通孔在工藝上好實(shí)現(xiàn)，成本較低，所以一般設(shè)計(jì)中都使用通孔。

06

Q：在涉及模擬數(shù)字混合系統(tǒng)的時(shí)候，有人建議電層分割，地平面采取整片敷銅，也有人建議電地層都分割，不同的地在電源端點(diǎn)接，但是這樣對(duì)信號(hào)的回流路徑就遠(yuǎn)了，具體應(yīng)用時(shí)應(yīng)如何選擇合適的方法？

A：如果有高頻>20MHz信號(hào)線，并且長(zhǎng)度和數(shù)量都比較多，那么需要至少兩層給這個(gè)模擬高頻信號(hào)。一層信號(hào)線，一層大面積地，并且信號(hào)線層需要打足夠的過(guò)孔到地。這樣的目的是：

1. 對(duì)于模擬信號(hào)，這提供了一個(gè)完整的傳輸介質(zhì)和阻抗匹配；
2. 地平面把模擬信號(hào)和其他數(shù)字信號(hào)進(jìn)行隔離；
3. 地回路足夠小，因?yàn)槟愦蛄撕芏噙^(guò)孔，地又是一個(gè)大平面。

07

Q：在電路板中，信號(hào)輸入插件在PCB最左邊沿，MCU在靠右邊，那么在布局時(shí)是把穩(wěn)壓電源芯片放置在源靠近接插件（電源 IC輸出5V經(jīng)過(guò)一段比較長(zhǎng)的路徑才到達(dá)MCU），還是把電源IC放置到中間偏右（電源IC的輸出5V的線到達(dá)MCU就比較短，但輸入電源段線就經(jīng)過(guò)比較長(zhǎng)一段PCB板）？或是有更好的布局？

A：首先信號(hào)輸入插件是否是模擬器件？如果是模擬器件，建議電源布局應(yīng)盡量不影響到模擬部分的信號(hào)完整性。因此有幾點(diǎn)需要考慮：

1. 首先穩(wěn)壓電源芯片是否是比較干凈，紋波小的電源？模擬部分的供電，對(duì)電源的要求比較高；
2. 模擬部分和ＭＣＵ是否是一個(gè)電源，在高精度電路的設(shè)計(jì)中，建議把模擬部分和數(shù)字部分的電源分開(kāi)；
3. 對(duì)數(shù)字部分的供電需要考慮到盡量減小對(duì)模擬電路部分的影響。

08

Q：在高速信號(hào)鏈的應(yīng)用中，對(duì)于多ASIC都存在模擬地和數(shù)字地，究竟是采用地分割，還是不分割地？既有準(zhǔn)則是什么？哪種效果更好？

A：迄今為止沒(méi)有定論。一般情況下可以查閱芯片的手冊(cè)。ADI所有混合芯片的手冊(cè)中都是推薦你一種接地的方案，有些是推薦共地、有些是建議隔離地，這取決于芯片設(shè)計(jì)。

09

Q：何時(shí)要考慮線的等長(zhǎng)？如果要考慮使用等長(zhǎng)線的話，兩根信號(hào)線之間的長(zhǎng)度之差最大不能超過(guò)多少？如何計(jì)算？

A：差分線計(jì)算思路：如果傳一個(gè)正弦信號(hào)，長(zhǎng)度差等于它傳輸波長(zhǎng)的一半，相位差就是180度，這時(shí)兩個(gè)信號(hào)就完全抵消了。

所以這時(shí)的長(zhǎng)度差是最大值。以此類推，信號(hào)線差值一定要小于這個(gè)值。

10

Q：高速中的蛇形走線，適合在哪種情況？有什么缺點(diǎn)沒(méi)？比如對(duì)于差分走線，又要求兩組信號(hào)是正交的。

A：蛇形走線，因?yàn)閼?yīng)用場(chǎng)合不同而具有不同的作用：

1. 如果蛇形走線在計(jì)算機(jī)板中出現(xiàn)，其主要起到一個(gè)濾波電感和阻抗匹配的作用，用于提高電路的抗干擾能力。計(jì)算機(jī)主機(jī)板中的蛇形走線，主要用在一些時(shí)鐘信號(hào)中，如PCI-Clk、AGPCIK、IDE、DIMM等信號(hào)線。
2. 若在一般普通PCB板中，除了具有濾波電感的作用外，還可作為收音機(jī)天線的電感線圈等等。如2.4G的對(duì)講機(jī)中就用作電感。
3. 對(duì)一些信號(hào)布線長(zhǎng)度要求必須嚴(yán)格等長(zhǎng)，高速數(shù)字PCB板的等線長(zhǎng)是為了使各信號(hào)的延遲差保持在一個(gè)范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)在同一周期內(nèi)讀取的數(shù)據(jù)的有效性（延遲差超過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)會(huì)錯(cuò)讀下一周期的數(shù)據(jù)）。
4. 如INTELHUB架構(gòu)中的HUBLink，一共13根，使用233MHz的頻率，要求必須嚴(yán)格等長(zhǎng)，以消除時(shí)滯造成的隱患，繞線是惟一的解決辦法。
5. 一般要求延遲差不超過(guò)1/4時(shí)鐘周期，單位長(zhǎng)度的線延遲差也是固定的，延遲跟線寬、線長(zhǎng)、銅厚、板層結(jié)構(gòu)有關(guān)，但線過(guò)長(zhǎng)會(huì)增大分布電容和分布電感，使信號(hào)質(zhì)量有所下降。所以時(shí)鐘 IC引腳一般都接端接，但蛇形走線并非起電感的作用。
6. 相反地，電感會(huì)使信號(hào)中的上升沿中的高次諧波相移，造成信號(hào)質(zhì)量惡化，所以要求蛇形線間距最少是線寬的兩倍。信號(hào)的上升時(shí)間越小，就越易受分布電容和分布電感的影響。
7. 蛇形走線在某些特殊的電路中起到一個(gè)分布參數(shù)的LC濾波器的作用。

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Q：在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，如何考慮電磁兼容性EMC/EMI，具體需要考慮哪些方面？采取哪些措施？

A：EMI/EMC設(shè)計(jì)必須一開(kāi)始布局時(shí)就要考慮到器件的位置，PCB疊層的安排，重要聯(lián)機(jī)的走法， 器件的選擇等。

例如時(shí)鐘發(fā)生器的位置盡量不要靠近對(duì)外的連接器，高速信號(hào)盡量走內(nèi)層并注意特性阻抗匹配與參考層的連續(xù)以減少反射，器件所推的信號(hào)之斜率（slew rate）盡量小以降低高頻成分，選擇去耦合（decoupling/bypass）電容時(shí)注意其頻率響應(yīng)是否符合需求以降低電源層噪聲。

另外，注意高頻信號(hào)電流之回流路徑使其回路面積盡量?。ㄒ簿褪腔芈纷杩筶oop impedance盡量?。┮詼p少輻射。還可以用分割地層的方式以控制高頻噪聲的范圍。

最后，適當(dāng)?shù)倪x擇PCB與外殼的接地點(diǎn)（chassis ground）。

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Q：請(qǐng)問(wèn)射頻寬帶電路PCB的傳輸線設(shè)計(jì)有何需要注意的地方？傳輸線的地孔如何設(shè)置比較合適，阻抗匹配是需要自己設(shè)計(jì)還是要和PCB加工廠家合作？

A：這個(gè)問(wèn)題要考慮很多因素。比如PCB材料的各種參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)最后建立的傳輸線模型，器件的參數(shù)等。阻抗匹配一般要根據(jù)廠家提供的資料來(lái)設(shè)計(jì)。

13

Q：在模擬電路和數(shù)字電路并存的時(shí)候，如一半是FPGA或單片機(jī)數(shù)字電路部分，另一半是DAC和相關(guān)放大器的模擬電路部分。各種電壓值的電源較多，遇到數(shù)模雙方電路都要用到的電壓值的電源，是否可以用共同的電源，在布線和磁珠布置上有什么技巧？

A：一般不建議這樣使用，這樣使用會(huì)比較復(fù)雜，也很難調(diào)試。

14

Q：在進(jìn)行高速多層PCB設(shè)計(jì)時(shí)，關(guān)于電阻電容等器件的封裝的選擇的，主要依據(jù)是什么？常用哪些封裝，能否舉幾個(gè)例子。

A：0402是手機(jī)常用；0603是一般高速信號(hào)的模塊常用；依據(jù)是封裝越小寄生參數(shù)越小，當(dāng)然不同廠家的相同封裝在高頻性能上有很大差異。建議你在關(guān)鍵的位置使用高頻專用元件。

15

Q：一般在設(shè)計(jì)中雙面板是先走信號(hào)線還是先走地線？

A：這個(gè)要綜合考慮。在首先考慮布局的情況下，考慮走線。

16

Q：在進(jìn)行高速多層PCB設(shè)計(jì)時(shí)，最應(yīng)該注意的問(wèn)題是什么？能否做詳細(xì)說(shuō)明問(wèn)題的解決方案。

A：最應(yīng)該注意的是設(shè)計(jì)，就是信號(hào)線、電源線、地、控制線這些你是如何劃分在每個(gè)層的。

一般的原則是模擬信號(hào)和模擬信號(hào)地至少要保證單獨(dú)的一層。電源也建議用單獨(dú)一層。

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Q：請(qǐng)問(wèn)具體何時(shí)用2層板，4層板，6層板？在技術(shù)上有沒(méi)有嚴(yán)格的限制（除去體積原因）？是以CPU的頻率為準(zhǔn)還是其和外部器件數(shù)據(jù)交互的頻率為準(zhǔn)？

A：采用多層板首先可以提供完整的地平面，另外可以提供更多的信號(hào)層，方便走線。

對(duì)于CPU要去控制外部存儲(chǔ)器件的應(yīng)用，應(yīng)以交互的頻率為考慮，如果頻率較高，完整的地平面是一定要保證的，此外信號(hào)線最好要保持等長(zhǎng)。

18

Q：PCB布線對(duì)模擬信號(hào)傳輸?shù)挠绊懭绾畏治觯绾螀^(qū)分信號(hào)傳輸過(guò)程中引入的噪聲是布線導(dǎo)致還是運(yùn)放器件導(dǎo)致？

A：這個(gè)很難區(qū)分，只能通過(guò)PCB布線來(lái)盡量避免布線引入額外噪聲。

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Q：對(duì)高速多層PCB來(lái)說(shuō)，電源線、地線與信號(hào)線的線寬設(shè)置為多少是合適的，常用設(shè)置是怎樣的，能舉例說(shuō)明嗎？例如工作頻率在300Mhz的時(shí)候該怎么設(shè)置？

A：300MHz的信號(hào)一定要做阻抗仿真計(jì)算出線寬和線和地的距離；電源線需要根據(jù)電流的大小決定線寬，在混合信號(hào)PCB的時(shí)候一般就不用“線”來(lái)表示地了，而是用整個(gè)平面，這樣才能保證回路電阻最小，并且信號(hào)線下面有一個(gè)完整的平面。

20

Q：怎樣的布局才能達(dá)到最好的散熱效果？

A：PCB中熱量的來(lái)源主要有三個(gè)方面：電子元器件的發(fā)熱；PCB本身的發(fā)熱；其它部分傳來(lái)的熱。

在這三個(gè)熱源中，元器件的發(fā)熱量最大，是主要熱源，其次是PCB板產(chǎn)生的熱，外部傳入的熱量取決于系統(tǒng)的總體熱設(shè)計(jì)，暫時(shí)不做考慮。

那么熱設(shè)計(jì)的目的是采取適當(dāng)?shù)拇胧┖头椒ń档驮骷臏囟群蚉CB板的溫度，使系統(tǒng)在合適的溫度下正常工作。主要是通過(guò)減小發(fā)熱，和加快散熱來(lái)實(shí)現(xiàn)。