在硬件设计中,PCB设计是其中非常重要、不可或缺的一个步骤。对于一些简单的产品,PCB设计可能只是简单地把所有的器件、网络对应地连接起来。而对于高速电路、射频电路,PCB的设计直接影响到产品的功能是否正常、产品是否能满足入市的要求。下面,将从PCB设计的流程、PCB布局、PCB布线、PCB设计检查表四个方面做介绍。
PCB设计的流程
PCB的质量直接决定了一款电子产品的好与坏,那么一个好的PCB设计流程就至关重要。很多工程师认为,PCB设计就是简单地把所有的元器件摆好之后,再把所有相关的器件引脚连接在一起。这是一种狭隘的观点,一个好的PCB设计流程从原理方案设计时就已经开始,比如如何选择合适的方案、选择合适的电子元器件等等。具体如下图所示:
具体包含了原理方案设计、原理图网表输出和导入、机械结构图导入、层叠结构设计和编辑、信号完整性(SI)/电源完整性(PI)前仿真、PCB布局、设计约束规则导入、PCB布线、信号完整性(SI)/电源完整性(PI)/电磁兼容性(EMC)/热后仿真、设计可制造性(DFM)检查、生成生产文件(Gerber)。这些工作可能是一个工程师完成的,也有可能是多个工程师合作完成的。当然,并不是每一个产品的PCB设计流程都是一样的,具体的产品可以根据这个流程进行适当的细化、增加或者删减。
下面将就PCB设计流程中的几个重要步骤做进一步的介绍。
PCB布局
在设计中,布局是一个重要的环节。布局结果的好坏将直接影响布线的效果,因此可以这样认为,合理的布局是PCB设计成功的第一步。简单的理解,PCB布局就是把所有的元器件按照功能结构、模块化、满足DXF的要求、满足顺畅布局布线等原则进行。
考虑整体美观一个产品的成功与否,一是要注重内在质量,二是兼顾整体的美观,两者都较完美才能认为该产品是成功的。在一个PCB板上,组件的布局要求要均衡,疏密有序,不能头重脚轻或一头沉。
图 布局好的PCB
上面说到的只是一些大的方向和要求,其实PCB布局需要考虑到的因素非常多,比如常常会按照“先大后小,先满足结构后满足美观,先难后易”的布置原则,就是把重要的核心单元电路、高速电路、射频电路、核心元器件、接口电路优先布局,然后再把一些辅助性的电路布局好。在进行PCB布局设计时具体可以遵循以下原则进行布局。
1、布局中应参考原理框图,根据单板的主信号流向规律安排主要元器件。布局应尽量满足以下要求:
在没有特殊要求时,使布线的总长度尽可能短,关键信号线最短;
去耦电容的布局时,依据电容的大小尽量依照越小的电容越靠近IC的电源管脚,并使之与电源和地之间形成的回路最短 ;
减少信号回流路径,不要出现跨分割现象。
2、元器件的排列首先要满足功能的要求,同时还要便于后续调试和维修,即小元件周围不能放置大元件、需调试的元器件周围要有足够的空间,太紧凑就会导致无法下烙铁。
3、相同结构电路部分,尽可能采用“对称式”标准布局;按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准优化布局。
4、同类型插装元器件在X或Y方向上应朝一个方向放置。同一种类型的有极性分立元件也要尽量在X或Y方向上保持一致,便于生产和检验。
5、发热元件要一般应均匀分布,以利于单板和整机的散热,除温度检测元件以外的温度敏感器件应远离发热量大的元器件。除了温度传感器,三极管也属于对热敏感的器件。
6、高电压、大电流信号与小电流,低电压的弱信号完全分开。
7、模拟信号与数字信号分开;高频信号与低频信号分开;高频元器件的间隔要充分。
8、元件布局时,应适当考虑使用同一种电源的器件尽量放在一起,以便于将来的电源路径设计以及与其它电源平面分割开。
对于一些特殊元器件的位置在布局时一般要遵守以下原则:
1、DC/DC变换器、开关元件和整流器应尽可能靠近变压器放置,整流二极管尽可能靠近调压元件和滤波电容器。以减小其线路长度。
2、电磁干扰(EMI)滤波器要尽可能靠近EMI源。尽可能缩短高频元器件之间的连接,设法减少他们的分布参数及和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互离的太近,输入和输出应尽量远离。
3、对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元器件的布局应考虑整块扳子的结构要求,一些经常用到的开关,在结构允许的情况下,应放置到手容易接触到的地方。元器件的布局到均衡,疏密有度。
4、发热元件应该布置在PCB的边缘,以利散热。如果PCB为垂直安装,发热元件应 该布置在PCB的上方。热敏元件应远离发热元件。
5、在电源布局时,尽量让器件布局方便电源线布线走向。布局时需要考虑减小输入电源回路的面积。满足流通的情况下,避免输入电源线满板跑,回路圈起来的面积过大。电源线与地线的位置良好配合,可降低电磁干扰的影响。如果电源线和地线配合不当,会出现很多环路,并可能产生噪声。
6、高、低频电路由于频率不同,其干扰以及抑制干扰的方法也不相同。所以在元件布局时,应将数字电路、模拟电路以及电源电路按模块分开布局。将高频电路与低频电路有效隔离,或者分成小的子电路模块板,之间用接插件连接。
7、布局中还应特别注意强、弱信号的器件分布及信号传输方向路径等问题。为将干扰减轻到最小程度,模拟电路和数字电路分隔开之后,保持高、中、低速逻辑电路在PCB上也要用不同区域,PCB板按频率和电流开关特性分区。噪声元件与非噪声元件要距离远一些。热敏元件与发热元件距离远一些。低电平信号通道远离高电平信号通道和无滤波的电源线。将低电平的模拟电路和数字电路分开,避免模拟电路、数字电路和电源公共回线产生公共阻抗耦合。
PCB布线
当原理图网表导入到PCB设计软件中时,所有的元器件相互连接的引脚都是通过“鼠线”连接的,这些并没有网络属性意义。如下图所示:
图 鼠线连接的PCB
这需要工程师把它们按照相应的设计约束规则相互连接起来。只有当所有的网络连接在一起时,它们才有电气特性。布线就是这样一个作用,即把所有的信号网络、电源网络和地网络都连接好。
在PCB布线时需要使用到设计约束规则,这些规则就包含信号网络的线宽、差分对内的线间距、差分对之间的等长误差、传输线之间的间距要求、传输线的总长度、传输线对内或者对间的分段等长要求等等。如下图所示为Intel某平台对PCIE设计的要求:
图Intel某平台对PCIE设计的要求
按照相应的要求完成布局、布线之后,就得到了一份错落有致的PCB版图,如下图所示为连接好的PCB版图:
图 连接好的PCB版图
PCB设计完成之后,就可以按照生产要求输出生产文件,一般包括PCB生产文件、PCBA生产文件、钢网文件等等。
PCB设计检查表
在正式生成PCB生产文件之前,一般都会对PCB设计进行详细的检查,包括DFM、SI、PI、EMC、Thermal、可靠性等等检查。如何检查呢?有的公司是通过工具进行检查,有的公司是通过各个工程师自己检查,不管是哪一种,其实都是依照一定的规则进行检查分析,也就是大家通常所说的PCB设计检查。
项目 | 检查内容 | Y/N | 备注 |
常规类检查项 | 禁止布局布线区域设置是否正确。(注意限高区)增加:晶振,电感,变压器下方画好禁布区。 | ||
结构是否更新正确,螺孔大小,接口定位与方向是否正确。对于有疑问的接口方向有没有与结构工程师确认? | |||
结构是否是最终文件。 | |||
封装是否经过检查。 | |||
改版设计时,封装是否检查并更新(原点变化导致固定器件偏位等) | |||
有出差工程师自建或临时替换的封装有没有进行复查和更正 | |||
光绘设置是否正确。 | |||
每种电源是否都有来源,宽度是否都满足载流量。过孔数量是否足够。 | |||
原理图和PCB文件网表否是最新的,导入是否一致 | |||
是否有未摆器件、是否有未连接网络、是否有多余线段 | |||
IPC网表是否对比、并确认没有断路和短路存在 | |||
规则设置 | 叠层设置是否正确。(包括正负片)是否有按增加的工艺制作说明进行规则设置 | ||
差分线、单端线等线宽、线距规则设置是否正确。 | |||
高电压安规设置是否正确。 | |||
等长误差与最大长度设置是否正确。 | |||
保护地是否设置2mm以上间距。 | |||
是否有把相同分类的网络全部分配到对应的分组。 | |||
相应规则是否打开。 | |||
如果有隔离盘花焊盘,是否设置正确。 | |||
布局 | 确保结构限高区没有摆放超过限制高度的器件。 | ||
有顺序要求的(如LED,按键)是否符合结构要求摆放。 | |||
TVS、ESD保护器件是否靠近接口放置。 | |||
数字、模拟、高速、低速部分是否分开布局。模拟布局是否保证主通路走线最短。 | |||
相同模块是否相同布局。 | |||
源端与末端匹配器件布局是否正确。 | |||
晶体、晶振及时钟驱动器摆放是否合理。 | |||
开关电源是否按要求布局布线。(回路是否最小,是否做单点接地) | |||
每种电源电压电容是否均匀分布。(0.1uf以下小电容每个电源管脚有一个)。 | |||
热敏感器件是否远离电源和其他大功耗的元件(测温器件是否放在合适的位置)。 | |||
绕线电感是否有平行摆放一起。(建议相互垂直摆放) | |||
射频电路是否考虑一字型或者L型布局。 | |||
隔离器件(如变压器)前后部分器件要分开布局。 | |||
发热量大的器件也要相互分开,方便散热。 | |||
确保禁布区没有放置器件。 | |||
布线 | 锁相环电路,REF,电感两端走线是否加粗。 | ||
信号或者电源孔密集处是否增加回流地孔。 | |||
电源引脚出线是否都有20mil以上或同引脚一样宽。(包括热焊盘,上下拉电阻除外) | |||
所有关键信号线走线是否有跨相邻平面层分割。 | |||
射频线与天线是否处理正确(加粗控50ohm阻抗,并加上相应的参考面,陶瓷天线按要求挖空,射频线周边加屏蔽地过孔。) | |||
模拟走线和不要求阻抗的线(如晶体时钟线,Reset等)是否加粗8mil以上。 | |||
是否存在多余过孔和线,多余残桩(Stub)走线。 | |||
是否存在直角和锐角走线。 | |||
是否存在孤铜和无网络铜。 | |||
有极性器件是否正确。(特别注意二极管、极性电容、ESD、LED等) | |||
布线拓朴结构是否合理。 | |||
隔离器件(光耦、共模电感、变压器等)是否做隔离或挖空处理。 | |||
静电保护地,保护地与工作地是否已做隔离设计(至少相隔2.5mm) | |||
电源模块、时钟模块是否有信号线走过,特别是开关电源电感下不能穿线。 | |||
相邻信号层是否有平行走线。平行走线必需错开或者垂直走线,不可以重叠。 | |||
差分线和重要信号线换层处是否加有回流地过孔。最好对称加上两个回流地孔。 | |||
对敏感信号是否进行了地屏蔽处理,每500mil是否有一个过孔。 | |||
多层板板边是否每150mil加有屏蔽地过孔。 | |||
平面层是否有通孔隔离盘过大造成平面割断导致电源平面电流不足。 | |||
电源平面与地平面比较是否有内缩。 | |||
平面层各块电源网络是否都有花盘连接。 | |||
IC与连接器是否都有电源和地管脚且加粗走线。 | |||
发热量大器件铺铜面积是否足够大。是否在表层有加上散热开窗的铜皮。 | |||
金手指上是否有铺铜,内层铺到金手指焊盘的一半的位置,金手指上是否有整块阻焊。 | |||
器件(电阻电容电感等)引脚中间是否有过线。 | |||
表层空白处是否有铺铜处理。 | |||
两层板正反面地是否连接良好。特别注意电源和地在换层的地方过孔是否满足载流能力。 | |||
串口芯片(例如232、485、429、422)部分电容走线是否加粗。 | |||
时钟电路(包括晶体、晶振、时钟驱动器等)的电源是否进行了很好的滤波,对于时钟走线不能残桩(Stub)。 | |||
做等长时,是否确保每个信号分组中的每一根网络都做到的等长。 | |||
重要信号线是否优先布线,走在最优布线层。 | |||
电源平面压差较大时,隔离带是否相应加宽。 | |||
同组高速信号线的过孔数是否最少且个数一致,尽量小于2个过孔。 | |||
输出产生文件检查 | 确定SMT器件是否有开钢网和所有器件开阻焊层。 | ||
阻焊开窗是否与表层铺铜一致。 | |||
确定器件字符及丝印标示方向是否正确,是否有干涉和文字错误上焊盘现象,器件1脚标示是否正确明显。 | |||
走线线宽是否与生产说明一致。 | |||
非金属化孔焊盘是否设置正确。 | |||
板上标注是否正确。(包括Drill层说明及误差标注) |
这是一个常规的PCB设计检查表,每一类产品使用的检查表大同小异。一般建议按照自身产品的特定制作特定的PCB设计检查表。
审核编辑:刘清
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原文标题:PCB详细布局、布线设计概述
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