十条最有效的PCB设计法则

尽管目前半导体集成度越来越高，许多应用也都有随时可用的片上系统，同时许多功能强大且开箱即用的开发板也越来越可轻松获取，但许多使用案例中电子产品的应用仍然需要使用定制PCB。在一次性开发当中，即使一个普通的PCB都能发挥非常重要的作用。

PCB是进行设计的物理平台，也是用于原始组件进行电子系统设计的最灵活部件。本文将介绍几种PCB设计黄金法则，这些法则自25年前商用PCB设计诞生以来，大多没有任何改变，且广泛适用于各种PCB设计项目，无论是对年轻的电子设计工程师还是更为成熟的电路板制造商，都具有极大的指导性作用。

十条最有效的设计法则

下面是电子设计工程师在使用设计软件进行PCB布局设计及商业制造时应牢记并践行的十条最有效的设计法则。工程师无需按时间先后或相对重要性依次执行这些法则，只需全部遵循便可极大地改变产品设计。

法则一：选择正确的网格。设置并始终使用能够匹配最多元件的网格间距。虽然多重网格看似效用显著，但工程师若在PCB布局设计初期能够多思考一些，便能够避免间隔设置时遇到难题并可最大限度地应用电路板。由于许多器件都采用多种封装尺寸，工程师应使用最利于自身设计的产品。此外，多边形对于电路板敷铜至关重要，多重网格电路板在进行多边形敷铜时一般会产生多边形填充偏差，虽然不如基于单个网格那么标准，但却可提供超越所需的电路板使用寿命。

法则二：保持路径最短最直接。这一点听起来简单寻常，但应在每个阶段，即便意味着要改动电路板布局以优化布线长度，都应时刻牢记。这一点还尤其适用于系统性能总是部分受限于阻抗及寄生效应的模拟及高速数字电路。

法则三：尽可能利用电源层管理电源线和地线的分布。电源层敷铜对大多数PCB设计软件来说是较快也较简单的一种选择。通过将大量导线进行共用连接，可保证提供最高效率且具最小阻抗或压降的电流，同时提供充足的接地回流路径。可能的话，还可在电路板同一区域内运行多条供电线路，确认接地层是否覆盖了PCB某一层的大部分层面，这样有利于相邻层上运行线路之间的相互作用。

法则四：将相关元件与所需的测试点一起进行分组。例如：将OpAmp运算放大器所需的分立元件放置在离器件较近的部位以便旁路电容及电阻能够与其同地协作，从而帮助优化法则二中提及的布线长度，同时还使测试及故障检测变得更加简便。

法则五：将所需的电路板在另一个更大的电路板上重复复制多次进行PCB拼版。选择最适合制造商所使用设备的尺寸有利于降低原型设计及制造成本。首先在面板上进行电路板布局，联系电路板制造商获取他们每个面板的首选尺寸规格，然后修改你的设计规格，并尽力在这些面板尺寸内多次重复进行你的设计。

法则六：整合元件值。作为设计师，你会选择一些元件值或高或低，但效能一样的分立元件。通过在较小的标准值范围内进行整合，可简化物料清单，并可能降低成本。如果你拥有基于首选器件值的一系列PCB产品，那么从更长远角度来说，也更利于你做出正确的库存管理决策。

法则七：尽可能多地执行设计规则检查(DRC)。尽管在PCB软件上运行DRC功能只需花费很短时间，但在更复杂的设计环境中，只要你在设计过程中始终执行检查便可节省大量时间，这是一个值得保持的好习惯。每个布线决定都很关键，通过执行DRC可随时提示你那些最重要的布线。

法则八：灵活使用丝网印刷。丝网印刷可用于标注各种有用信息，以便电路板制造者、服务或测试工程师、安装人员或设备调试人员将来使用。不仅标示清晰的功能和测试点标签，还要尽可能标示元件和连接器的方向，即使是将这些注释印刷在电路板使用的元件下表面(在电路板组装后)。在电路板上下表面充分应用丝网印刷技术能够减少重复工作并精简生产过程。

法则九：必选去耦电容。不要试图通过避免解耦电源线并依据元件数据表中的极限值优化你的设计。电容器价格低廉且坚固耐用，你可以尽可能多地花时间将电容器装配好，同时遵循法则六，使用标准值范围以保持库存整齐。

法则十：生成PCB制造参数并在报送生产之前核实。虽然大多数电路板制造商很乐意直接下载并帮你核实，但你自己最好还是先输出Gerber文件，并用免费阅览器检查是否和预想的一样，以避免造成误解。通过亲自核实，你甚至还会发现一些疏忽大意的错误，并因此避免按照错误的参数完成生产造成损失。

由于电路设计共享越来越广泛，且内部团队越来越依靠参考设计，类似以上的基本规则将仍是印刷电路板设计的一个特色，我们相信这对于PCB设计十分重要。明确了这些基本规则，开发人员便可非常灵活地提升其产品的价值并从其制造的电路板获得最大收益。即使是电路板设计新手，只要牢记这些基本规则便能加快学习过程，增强信心。

工程人员看硬件设计

下面是一位工程师的分享，值得一读：

由于自己深感技术基础的薄弱，我申请去产线当了一名工程人员，在此期间，我从生产角度去看待设计，发现视角不同，看到的内容也不一样。每每在产线上，员工对我横眉怒眼，咒天怨地：这TMD是谁设计的产品~我就一脸黑线的飘过。我很佩服我们维修组的成员，相比较而言我的维修技术是大而空，而他们是脚踏实地，原因就是在于我往往会从理论出发，维修一个东西先拿原理图看看，然后再分析问题会出现在哪一块电路。而他们不同的地方是他们会拿一块好板子量一量，对比一下，找到问题会出现在什么地方，然后才是原因。当然，我认为差异的主要原因是我没有维修数量压力，而他们绩效与成果直接挂钩。

在这期间发生了很多问题，维修了很多板子，但是究其原因，占比例最高的却依旧是设计问题，占有九成以上，尤其是客户投诉的故障中，都能归结为设计缺陷。虽然也发生过PCB来料短路、设备工艺等问题，但是数量极其稀少。设计问题有很多方面，有的是原理问题，有的是布局问题，有的是工艺问题，有的是选材问题。

我所遇到的最严重的一次设计缺陷是电路中没有设计主开关，即无法断电，正常使用过程中仅有信号开关。正常工作时没有问题，但是出现故障以后直接烧毁。所以无论什么产品，如果想要安全，就必须有一个能够快速断开电路的开关。我之前质疑电动汽车的博客中就说明一个问题：一旦出事故，能否保证快速有效的断电？几次电动汽车事故，例如比亚迪、众泰、特斯拉等，最终都是烧毁，因为电断不开，短路状态就会一直加热起火直至烧毁。

而单片机的端口问题会是一个比较常见的现象。有一款产品生产时有间歇不开机现象，百思不得其解，最后研发工程师给出了答案——灯线断了！原来设计上该引脚被复用，上电时会检测引脚(漏极开路)是不是高电平以进入校准状态，进入工作状态就复用为驱动引脚(推挽输出)，当灯线断掉以后，状态不定，如果误认为高电平就会进入校准状态一直不工作，看起来像是死机。所以设计上特殊信号的引脚尽量不要赋予太多的可能。这个故障如果有一个上拉电阻可能会有所改善。

同样我们的工装也出现了类似的情况，一直以来按键的跳动都是困扰我们的问题，莫名的原因让程序误认为按键被按下而执行错误的功能。无论是走线布局、软件防抖、按键滤波等多种方案都试验过，可是都不完全能解决问题，偶然一次聊天时才发现工程师设计上没有加上拉电阻~我们其余的同事都默认为设计按键的时候都会加上拉电阻，经验主义害死人。

布局问题多数会和地线有关，在地的分隔和单点接地上面很容易出现问题。有一个产品过流测试的时候会烧毁其中一根细线，分析后发现这是一根地线，这根线比大电流的铺铜离电源更近。当过流测试的时候，电流会首先选择这条近路而将线路烧毁。另外，像信号线走在活动的结构件或者卡槽附近导致擦坏的情况也比比皆是，这些都考验一个工程师对产品的熟悉程度。

另一款低电压的产品中在正负极之间反向并联了抑制浪涌的二极管，客户投诉说不开主开关情况下电池耗光了，我拿起电路图一看，就觉得问题肯定出现在这个二极管身上。接着查规格书，发现该器件额定反向漏电流500mA，意味着假若一个二极管499mA，那么参照规格书就是正常的，但是电池就会无时无刻不放电，直到死的不能再死。这是一个典型的选型不良。

而有一款老产品在生产中投诉说容易损坏万用表，经核实发现有一项测试内容是测试mA级别的电流，大约80mA左右，但是如果PCB出现故障会飙升到1A以上，测试时工艺文件要求是mA档，自然烧毁万用表保险丝。我看了之后仅仅将万用表拨到了A档，因为万用表能够有效到0.001A，与mA档效果相同，但是1A的电流却不会烧毁A档的保险丝。可见，合适的选型是多么的重要。

我一般不使用电流档，因为容易损坏，调试的场合使用钳流表可能比较方便，但是生产测试中我会建议使用检流电阻。而检流电阻的选择也十分关键，曾有一个工装一开始设计使用220mR 3W的检流电阻，这个阻值对于小信号来说测试压降比较高，易测量，但过流状态容易烧毁，计算发现过流阀值30A时候电阻上瞬间功率近200W，肯定烧毁了!于是我建议使用无感电阻10mR 5W，那么正常工作时候就可以承受20A的电流，而且陶瓷封装，杜绝了起火的风险。

还有一款产品也发生过很多问题，究其问题，与设计不无关系。由于设计上没有采用端子设计，所以生产测试过程中是将所有的导线全部焊接在PCB上面周转的，从生产初期就发现有部分不开机，测量调速旋钮阻值大幅度下降。一开始怀疑旋钮故障，但是多次拆解以后发现内部电路有烧毁的现象，旋钮本身没有损伤。最初总是不明白为什么内部电路会损毁，短路？焊接？芯片故障？撞击？分析来分析去都不是，原理上解释不通。最终发现原因却是由于拖着导线，NTC的导线测试过程中碰到了高压的线，将高压电引入低压电路导致芯片瞬间烧毁。如果设计上采用的是端子连接方式，不但测试方便，也不会出现这么高的损毁率了，而损坏的PCB足够端子的采购费用了，得不偿失。

这款产品同时出现一个奇怪的测试现象——打火。测试人员如果带着手环接线，接火线的时候不会打火，接零线的时候会打火，而理论上火线是开关断开的。测试工装在工装组检查时候却不会出现这个现象，我直接去摸各个导线均不会出现这个问题，百思不得其解。偶然有一次测试各点对地电压的时候发现零线竟然是高压!至此才发现原来工装零火线输入接反了，而工装组的插座零火线也接反了。看起来表象是接线问题，但是也说明设备电路控制存在风险，设计不全面，所以后期的交流测试工装均加有交流接触器或者继电器，将零火线全部断开，并且用无锁按键控制，避免操作过程中PCB带电问题。

这款产品还选用了一系列不密封的器件用在需要环氧胶密封的场合，这是一个不得不说的设计缺陷，选择的器件不满足使用要求。

其实拆解了很多国内的不同类型产品，就会发现这是国内设计的共性，为了保证低成本而放弃部分性能。

我总记得以前培训时候老师讲的，一个产品的99%成本是在生产中出现的，而幅度却取决于设计。

设计应该让生产尽可能的在BOM+工艺的总成本上面降低，而不能单纯看BOM成本，用了便宜的原料不见得做出来的东西就便宜，中国很多大公司一瞬间垮台，都是便宜的原材料把自己给坑了。当时老师还讲现在的客户不再一味的追求价格便宜，还会考虑后期维护的综合成本。对于设计来说，生产就是我们的客户，设计的再先进，做起来很费劲，工人可是要骂娘的。

今年这款产品又爆发出一个隐藏的缺陷，莫名其妙的飙升到了极限速度，失控，取下PCB测试一切正常。分析后问题集中到调速旋钮上面，但是旋钮只是一个弱电信号，调节到底就是最低速，到顶就是最高速，没办法出现失控到极限速度的现象。测试过程中还专门用可调电阻去模拟，知道一个偶然的机会把中间引脚断开了~~故障重现。所以问题出现的原因是结构上不平衡导致旋钮受力，中间脚悬空。但这并不是根本原因，根本原因却是程序上在PID速度控制时缺少一句对最高速的限制，正常情况下会稳定在最高速，但是出了故障以后就跑飞了。

其实不良现象还有很多很多，所有的不良品最终都会送到维修，所以维修成为一个十分锻炼工程师对问题分析能力的地方，也同时能够发现很多前人的设计缺陷，这样就可以让自己在未来的设计道路上少走一些弯路。所以同学们，如果你想成为一个优秀的工程师，可以先去维修锻炼锻炼吧。

审核编辑：汤梓红