PCB布局和布線的設(shè)計技巧

0 引言

PCB(PrintedCircuitBoard)，中文名稱為印制電路板，又稱印刷電路板、印刷線路板，是重要的電子部件，是電子元器件的支撐體，是電子元器件電氣連接的提供者。由于它是采用電子印刷術(shù)制作的，故被稱為印刷電路板。

隨著PCB 尺寸要求越來越小，器件密度要求越來越高，PCB 設(shè)計的難度也越來越大。如何實現(xiàn)PCB 高的布通率以及縮短設(shè)計時間，在這筆者談?wù)剬CB 規(guī)劃、布局和布線的設(shè)計技巧。

在開始布線之前應(yīng)該對設(shè)計進行認真的分析以及對工具軟件進行認真的設(shè)置，這會使設(shè)計更加符合要求。

1 確定PCB 的層數(shù)

電路板尺寸和布線層數(shù)需要在設(shè)計初期確定。布線層的數(shù)量以及層疊(stack-up)方式會直接影響到印制線的布線和阻抗。板的大小有助于確定層疊方式和印制線寬度，實現(xiàn)期望的設(shè)計效果。目前多層板之間的成本差別很小，在開始設(shè)計時最好采用較多的電路層并使敷銅均勻分布。

2 設(shè)計規(guī)則和限制

要順利完成布線任務(wù)，布線工具需要在正確的規(guī)則和限制條件下工作。要對所有特殊要求的信號線進行分類，每個信號類都應(yīng)該有優(yōu)先級，優(yōu)先級越高，規(guī)則也越嚴格。規(guī)則涉及印制線寬度、過孔的最大數(shù)量、平行度、信號線之間的相互影響以及層的限制， 這些規(guī)則對布線工具的性能有很大影響。

認真考慮設(shè)計要求是成功布線的重要一步。

3 組件的布局

在最優(yōu)化裝配過程中，可制造性設(shè)計(DFM)規(guī)則會對組件布局產(chǎn)生限制。如果裝配部門允許組件移動，可以對電路適當優(yōu)化，更便于自動布線。所定義的規(guī)則和約束條件會影響布局設(shè)計。自動布線工具一次只會考慮一個信號，通過設(shè)置布線的約束條件以及設(shè)定可布信號線的層，可以使布線工具能像設(shè)計師所設(shè)想的那樣完成布線。

比如，對于電源線的布局： ①在PCB 布局中應(yīng)將電源退耦電路設(shè)計在各相關(guān)電路附近， 而不要放置在電源部分，否則既影響旁路效果， 又會在電源線和地線上流過脈動電流，造成竄擾;②對于電路內(nèi)部的電源走向，應(yīng)采取從末級向前級供電，并將該部分的電源濾波電容安排在末級附近;③對于一些主要的電流通道，如在調(diào)試和檢測過程中要斷開或測量電流，在布局時應(yīng)在印制導(dǎo)線上安排電流缺口。

另外，要注意穩(wěn)壓電源在布局時，盡可能安排在單獨的印制板上。當電源與電路合用印制板時，在布局中，應(yīng)該避免穩(wěn)壓電源與電路元件混合布設(shè)或是使電源和電路合用地線。

因為這種布線不僅容易產(chǎn)生干擾，同時在維修時無法將負載斷開，到時只能切割部分印制導(dǎo)線，從而損傷印制板。

4 扇出設(shè)計

在扇出設(shè)計階段，表面貼裝器件的每一個引腳至少應(yīng)有一個過孔，以便在需要更多的連接時，電路板能夠進行內(nèi)層連接、在線測試和電路再處理。

為了使自動布線工具效率最高，一定要盡可能使用最大的過孔尺寸和印制線，間隔設(shè)置為50mil 較為理想。要采用使布線路徑數(shù)最大的過孔類型。經(jīng)過慎重考慮和預(yù)測，電路在線測試的設(shè)計可在設(shè)計初期進行， 在生產(chǎn)過程后期實現(xiàn)。

根據(jù)布線路徑和電路在線測試來確定過孔扇出類型，電源和接地也會影響到布線和扇出設(shè)計。

5 手動布線以及關(guān)鍵信號的處理

手動布線在現(xiàn)在和將來都是印刷電路板設(shè)計的一個重要過程， 采用手動布線有助于自動布線工具完成布線工作。

通過對挑選出的網(wǎng)絡(luò)(net)進行手動布線并加以固定，可以形成自動布線時可依據(jù)的路徑。

首先對關(guān)鍵信號進行布線，手動布線或結(jié)合自動布線工具均可。布線完成后，再由有關(guān)的工程技術(shù)人員對這些信號布線進行檢查，檢查通過后，將這些線固定，然后開始對其余信號進行自動布線。

由于地線中阻抗的存在，會給電路帶來共阻抗干擾。因此，在布線時不可將凡有接地符號的點隨意連接，這可能會產(chǎn)生有害的耦合，影響電路的工作。

頻率較高時，導(dǎo)線的感抗將比導(dǎo)線本身的電阻大幾個數(shù)量級。這時導(dǎo)線上即使只流過很小的高頻電流，也會產(chǎn)生一定的高頻電壓降。因此，對高頻電路來說，PCB 布局盡可能排列緊湊，使印制導(dǎo)線盡可能短。

印制導(dǎo)線之間還有互感和電容， 當工作頻率較大時，會對其它部分產(chǎn)生干擾，稱為寄生耦合干擾?？梢圆扇〉囊种品绞接校孩俦M量縮短各級間的信號走線;②按信號的順序排列各級電路，避免各級信號線相互跨越;③相鄰的兩面板的導(dǎo)線要垂直或交叉，不能平行;④當板內(nèi)要平行布設(shè)信號導(dǎo)線時，應(yīng)使這些導(dǎo)線盡可能間隔一定的距離，或用地線、電源線隔開，達到屏蔽的目的。

6 自動布線

對關(guān)鍵信號的布線需要考慮在布線時控制一些電參數(shù)，比如減小分布電感等，在了解自動布線工具有哪些輸入?yún)?shù)以及輸入?yún)?shù)對布線的影響后，自動布線的質(zhì)量在一定程度上可以得到保證。

在對信號進行自動布線時應(yīng)該采用通用規(guī)則。通過設(shè)置限制條件和禁止布線區(qū)來限定給定信號所使用的層以及所用到的過孔數(shù)量，布線工具就能按照工程師的設(shè)計思想來自動布線。在設(shè)置好約束條件和應(yīng)用所創(chuàng)建的規(guī)則后，自動布線將會達到與預(yù)期相近的結(jié)果， 在一部分設(shè)計完成以后，將其固定下來，以防止受到后邊布線過程的影響。

布線次數(shù)取決于電路的復(fù)雜性和所定義的通用規(guī)則的多少。現(xiàn)在的自動布線工具功能非常強大，通?？赏瓿?00%的布線。但是，當自動布線工具未完成全部信號布線時，就需對余下的信號進行手動布線。

7 布線的整理

一些約束條件很少的信號，布線的長度很長，這時可以先判斷出哪些布線合理，哪些布線不合理，再通過手動編輯來縮短信號布線長度和減少過孔數(shù)量。