王毅

摘要：PCB設(shè)計(jì)水平直接決定了電子成品的最終質(zhì)量，因此應(yīng)當(dāng)高度重視設(shè)計(jì)工作中的注意事項(xiàng)。本文重點(diǎn)分析了PCB設(shè)計(jì)中元器件布局與布線(xiàn)方面的設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)，以期對(duì)實(shí)際PCB設(shè)計(jì)工作具備一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：PCB;PCB設(shè)計(jì);元器件布局

PCB，即印制電路板，是承載電子元器件、實(shí)現(xiàn)電子元件與器件連接的重要載體，PCB的設(shè)計(jì)水平是影響電子成品質(zhì)量的決定性因素。因此，在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)熟練掌握PCB在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的技術(shù)重點(diǎn)與難點(diǎn)，優(yōu)化PCB的設(shè)計(jì)方法與技巧，從而有效提升PCB的設(shè)計(jì)與制作水平。

一、元器件布局

元器件布局就是指將所需的電子元件與器件合理的布置于PCB的布線(xiàn)區(qū)域之中的過(guò)程。元器件布局是否科學(xué)合理，不僅會(huì)直接影響到后續(xù)布線(xiàn)環(huán)節(jié)，還會(huì)影響到整個(gè)PCB的綜合性能。因此進(jìn)行元器件布局時(shí)，應(yīng)當(dāng)在保證PCB性能的基礎(chǔ)上，盡量將電子元器件整齊、緊湊地布置在PCB的布線(xiàn)區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)縮減電子元器件之間不必要的連接的目的。

1.1保證PCB的性能

1）保證信號(hào)傳輸通暢

應(yīng)參照電路設(shè)計(jì)流程，合理布置各功能單元，使整體電路布局更加利于信號(hào)的傳輸，保證輸入與輸出信號(hào)、高電平與低電平之間盡量不形成交叉，從而盡可能地縮短信號(hào)傳輸路徑。

2）防止干擾

在布置電子元器件時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)電子元器件的電壓大小、電路類(lèi)型、傳輸速度大小、電流強(qiáng)弱等參數(shù)將其分為不同的部分，以免出現(xiàn)電磁干擾。若PCB上存在數(shù)字、模擬這兩類(lèi)電路時(shí)，應(yīng)當(dāng)將這兩類(lèi)電路的接地導(dǎo)線(xiàn)與電力供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行完全隔離開(kāi)來(lái)，如果條件允許的情況下，可以把這兩類(lèi)電路布置在不同的層之中。通過(guò)這樣的操作，能夠有效降低共阻抗耦合、輻射和交擾現(xiàn)象;時(shí)鐘電路與高頻電路是PCB中最常見(jiàn)的干擾源，因此應(yīng)當(dāng)將其布置與遠(yuǎn)離敏感電路的位置。

3）注意散熱

發(fā)熱性強(qiáng)的元器件應(yīng)當(dāng)均勻、整齊地布置于PCB上，使其能夠充分散熱，除了具有溫度監(jiān)測(cè)功能的元器件之外，所有的熱敏性元器件應(yīng)當(dāng)布置于遠(yuǎn)離發(fā)熱性強(qiáng)的元器件的位置。

1.2保證PCB的工藝性

1）簡(jiǎn)化貼裝流程

在進(jìn)行元器件的貼裝操作時(shí)，應(yīng)將盡量將元器件布置于同一面，以簡(jiǎn)化整個(gè)貼裝流程。

2）確定元器件間距離

元器件之間能夠達(dá)到的最小距離由元器件自身尺寸與性能特點(diǎn)所決定，通常來(lái)說(shuō)，最小距離應(yīng)當(dāng)超過(guò)0.2mm—0.3mm，元器件與PCB邊緣的最小距離應(yīng)當(dāng)超過(guò)2mm。

3）保證朝向一致

元器件的朝向和緊湊程度與空氣對(duì)流情況直接相關(guān)。因此在進(jìn)行安裝時(shí)，應(yīng)當(dāng)保證元器件在朝向上保持一致，從而加強(qiáng)空氣對(duì)流效果。

二、布線(xiàn)

不少設(shè)計(jì)者在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，通常傾向于自動(dòng)布線(xiàn)。對(duì)于純數(shù)字電路的PCB而言，這樣操作是可行的，是沒(méi)有問(wèn)題的。但如果PCB中存在多種電路類(lèi)型時(shí)，仍然使用自動(dòng)布線(xiàn)會(huì)造成不少問(wèn)題，甚至影響到PCB的整體性能。所以，如果PCB中存在不同類(lèi)型的電路應(yīng)當(dāng)使用手工布線(xiàn)的方式，應(yīng)著重留意以下幾方面問(wèn)題：

2.1優(yōu)化導(dǎo)線(xiàn)布置

1）適度增加寬度

PCB導(dǎo)線(xiàn)能夠達(dá)到的最小寬度是由導(dǎo)線(xiàn)和基板之間的粘附性與通過(guò)這二者的電流強(qiáng)度所決定的。因此，在選擇導(dǎo)線(xiàn)時(shí)，可選擇寬度較大的導(dǎo)線(xiàn)，特別是電源出的導(dǎo)線(xiàn)和接地的導(dǎo)線(xiàn)，就算是PCB布線(xiàn)區(qū)域面積較為優(yōu)先的情況下，最小寬度也應(yīng)當(dāng)超過(guò)1mm。而對(duì)于接地導(dǎo)線(xiàn)而言，如果存在局部位置無(wú)法加寬導(dǎo)線(xiàn)，也必須在其他可加寬的位置加寬導(dǎo)線(xiàn)，從而盡可能地減少電阻。若導(dǎo)線(xiàn)全長(zhǎng)超過(guò)80mm，就算通過(guò)電流強(qiáng)度不高，也應(yīng)當(dāng)增加導(dǎo)線(xiàn)寬度，從而降低導(dǎo)線(xiàn)中電壓降對(duì)電路性能產(chǎn)生的影響。

2）盡量縮短導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度

進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量縮短元器件間導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度，從而降低干擾和串?dāng)_現(xiàn)象，并減少雜散電抗與輻射的產(chǎn)生。如果PCB中存在場(chǎng)效應(yīng)管柵極、三極管的基極和高頻回路，更應(yīng)當(dāng)盡量地縮短導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度。

3）盡量加寬間距

進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意相鄰導(dǎo)線(xiàn)的間距大小是否符合相關(guān)要求，從而盡量避免串?dāng)_和電壓擊穿的產(chǎn)生。為了方便后續(xù)制作環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)在條件允許的情況下，應(yīng)可能地加寬相鄰導(dǎo)線(xiàn)的間距。

4）保證路徑寬度

在數(shù)字回路中數(shù)字信號(hào)從驅(qū)動(dòng)器流至負(fù)載的過(guò)程中，其回路路徑的寬度值應(yīng)當(dāng)為一個(gè)常數(shù)。增減這個(gè)寬度，會(huì)導(dǎo)致回路路徑的各種阻抗發(fā)生變化，從而造成回路中阻抗不均衡的問(wèn)題。所以，在條件允許的情況下，應(yīng)當(dāng)盡量保持該寬度值不變。在進(jìn)行導(dǎo)線(xiàn)布置時(shí)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)步不要將導(dǎo)線(xiàn)拐角布置為直角或銳角，拐角度數(shù)應(yīng)保證超過(guò)90°，如圖1所示。若存在兩條導(dǎo)線(xiàn)以銳角的形式相連時(shí)，應(yīng)將銳角改為圓形。

2.2 控制孔徑和焊盤(pán)尺寸

在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)保證元器件各個(gè)安裝孔的尺寸能夠與其導(dǎo)線(xiàn)相適應(yīng)，一般應(yīng)當(dāng)保證元器件安裝孔的直徑比元器件導(dǎo)線(xiàn)的直徑大0.15—0.3mm之間。一般而言，數(shù)字電路封裝的引腳和大部分小型元器件可采用0.8mm直徑的安裝孔，焊盤(pán)的直徑則應(yīng)當(dāng)控制在2mm左右。而針對(duì)直徑較大的焊盤(pán)，為提升其粘附性，應(yīng)當(dāng)控制好焊盤(pán)直徑與安裝孔直徑的比值：環(huán)氧玻璃基板比值應(yīng)當(dāng)控制在2左右，苯酚紙基板應(yīng)當(dāng)控制在2.5～3這個(gè)范圍內(nèi)。

金屬化孔（VIA）常用在多層級(jí)的PCB設(shè)計(jì)工作中，其能夠達(dá)到的最小直徑由基板厚度決定，一般金屬化孔直徑與基板厚度的比值應(yīng)當(dāng)為1：6。在高速信號(hào)通過(guò)時(shí)，金屬化孔會(huì)產(chǎn)生1—4nH的電感與0.3—0.8pF的電容，所以在布置高速信號(hào)通道時(shí)，金屬化孔應(yīng)該盡量限制在最小值。而針對(duì)高速的并行線(xiàn)（地址、數(shù)據(jù)線(xiàn)），在PCB的層數(shù)無(wú)法增加的情況下，則應(yīng)該保證各信號(hào)線(xiàn)金屬化孔的數(shù)量一致，并且在條件允許的情況下，盡可能減少孔數(shù)。如果條件允許的情況下，可布置導(dǎo)線(xiàn)保護(hù)環(huán)或保護(hù)線(xiàn)，從而起到降低振蕩產(chǎn)生、優(yōu)化線(xiàn)路性能的效果。

2.3優(yōu)化地線(xiàn)設(shè)計(jì)

如果PCB中地線(xiàn)設(shè)計(jì)不合理，會(huì)導(dǎo)致PCB內(nèi)產(chǎn)生電流干擾，使得整個(gè)電路無(wú)法正常工作。一點(diǎn)接地的方式是降低地線(xiàn)電流干擾的有效途徑。該方式是指將PCB中所有接地導(dǎo)線(xiàn)都同一連接到一個(gè)接地點(diǎn)，并以此接地點(diǎn)為PCB的零電位參考點(diǎn)。

一點(diǎn)接地可分為串聯(lián)一點(diǎn)接地和并聯(lián)一點(diǎn)接地兩種形式，如圖2所示。串聯(lián)式連接方式更為簡(jiǎn)單，各電路共用一根地線(xiàn)，電路間的接地導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度較短，因此其電阻值也較小，多用于電氣機(jī)柜內(nèi)部的接地處理;并聯(lián)式各電路均存在一根接地導(dǎo)線(xiàn)，并且各個(gè)接地導(dǎo)線(xiàn)均與同一接地點(diǎn)相連，因此各個(gè)電路的地電位只受到該電路的接地阻抗的影響，與其他電路各參數(shù)無(wú)關(guān)。進(jìn)行一點(diǎn)接地處理時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意以下幾個(gè)要點(diǎn)：

1）應(yīng)當(dāng)盡量控制走線(xiàn)長(zhǎng)度，從而最小化導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)產(chǎn)生的電感。

2）若選擇串聯(lián)式，其公用地線(xiàn)應(yīng)當(dāng)盡可能安裝于PCB的邊緣處。應(yīng)盡量選用銅箔接地線(xiàn)，可有效提升屏蔽能力。

3）在多層PCB中，可布置接地層，并將接地層設(shè)計(jì)為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的各個(gè)網(wǎng)格之間的距離不宜過(guò)大，因?yàn)榻拥貙?dǎo)線(xiàn)的一大重要功能便是為傳輸信號(hào)提供是回流路徑，若各個(gè)網(wǎng)格間的距離太寬，會(huì)使得生成的信號(hào)環(huán)路面積過(guò)大，從而造成輻射和敏感性等現(xiàn)象。

三、PCB抗干擾設(shè)計(jì)

在PCB中產(chǎn)生電磁干擾的原因主要包括干擾源、傳播途徑、敏感器件這三個(gè)途徑。因此，抗干擾設(shè)計(jì)就應(yīng)當(dāng)針對(duì)這三個(gè)途徑進(jìn)行優(yōu)化與改善。下文就PCB抗干擾設(shè)計(jì)的常出現(xiàn)的三方面問(wèn)題進(jìn)行分析。

3.1 電源和地線(xiàn)

如果PCB中的電源導(dǎo)線(xiàn)與接地導(dǎo)線(xiàn)布置合理，可有效降低電磁干擾的產(chǎn)生;但若是布置不合理，則會(huì)形成系統(tǒng)環(huán)路，從而導(dǎo)致噪聲的產(chǎn)生，如圖3所示，便是在電源導(dǎo)線(xiàn)與接地導(dǎo)線(xiàn)布置上使用了不同路線(xiàn)造成的不合理問(wèn)題：

對(duì)圖3電路進(jìn)行優(yōu)化，如圖4所示，使電源導(dǎo)線(xiàn)靠近接地導(dǎo)線(xiàn)，可有效降低電磁干擾的產(chǎn)生。

3.2去耦電容配置

在PCB干擾設(shè)計(jì)中，一種常用的方式是在PCB關(guān)鍵位置布置適配的去耦電容。其應(yīng)當(dāng)遵頊的操作原則為：

1）電源輸入端應(yīng)當(dāng)跨接一個(gè)電容大小在10～100uf范圍內(nèi)的去耦電容。若條件允許，可接100uf以上的去耦電容。

2）PCB上每一個(gè)元器件應(yīng)當(dāng)并接一個(gè)電容大小在0.01μF～0.1μF范圍的去耦電容，以降低元器件對(duì)電源的干擾。

3）RAM、ROM等元件抗干擾性較差，應(yīng)在電源和接地導(dǎo)線(xiàn)之間布置一個(gè)去耦電容。

4）去耦電容的導(dǎo)線(xiàn)不宜過(guò)長(zhǎng)，尤其是高頻旁路電容不得布置導(dǎo)線(xiàn)。

3.3 切斷干擾傳播途徑

PCB抗干擾設(shè)計(jì)中另一項(xiàng)有效措施則是切斷電磁干擾的傳播路徑，常見(jiàn)的方式有以下幾種：

1）優(yōu)化電源設(shè)計(jì)，降低電源處噪音。PCB上多數(shù)元器件對(duì)于電源噪音較為敏感，可通過(guò)在電源處布置濾波電路或穩(wěn)壓器的方式，降低電源處噪音對(duì)于電路元器件的電磁波干擾。

2）若單片機(jī)上的I/O被用作控制電機(jī)等產(chǎn)生噪音的部件，則可用磁珠或100Ω的阻抗隔離I/O與噪音源。

3）優(yōu)化晶體振蕩器的布線(xiàn)。晶體振蕩器應(yīng)當(dāng)盡可能地緊靠元器件的管腳，并通過(guò)接地導(dǎo)線(xiàn)隔離時(shí)鐘區(qū)域;晶體振蕩器的外殼應(yīng)當(dāng)可靠接地。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上，PCB設(shè)計(jì)關(guān)乎最終電子成本的性能與質(zhì)量，因此進(jìn)行高度重視PCB的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，了解設(shè)計(jì)工作中常見(jiàn)的問(wèn)題與技術(shù)要點(diǎn)，優(yōu)化元器件布局與布線(xiàn)，從而提高成品的可靠性與穩(wěn)定性。

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