PCB設(shè)計(jì)的核心——解決問(wèn)題

作者：RS Components全球技術(shù)營(yíng)銷總監(jiān)Mark Cundle

進(jìn)行印刷電路板（PCB）設(shè)計(jì)是指通過(guò)設(shè)計(jì)原理圖紙，進(jìn)行線路布局，以盡可能低的成本生產(chǎn)電路板。過(guò)去，這通常需要借助于價(jià)格昂貴的專用工具才能完成，但是現(xiàn)在，隨著免費(fèi)的高性能軟件工具——例如DesignSpark PCB——以及設(shè)計(jì)模型的日益普及，大大加快了電路板設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)速度。

盡管工程設(shè)計(jì)人員知道，一個(gè)完美的設(shè)計(jì)方案是避免問(wèn)題出現(xiàn)的最佳方式，不過(guò)這仍是一種既浪費(fèi)時(shí)間又浪費(fèi)金錢，同時(shí)治標(biāo)不治本的方法。比如，如果在電磁兼容性（EMC）測(cè)試階段發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，將會(huì)造成大量的成本投入，甚至需要對(duì)最初的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整和重新制作，這將耗費(fèi)數(shù)月的時(shí)間。

挑戰(zhàn)

布局是設(shè)計(jì)人員首先要面對(duì)的一個(gè)問(wèn)題。這一問(wèn)題取決于圖紙中的部分內(nèi)容，一些設(shè)備基于邏輯考慮需要被設(shè)置在一起。但是應(yīng)該注意，對(duì)溫度比較敏感的元件，比如傳感器，應(yīng)當(dāng)與包括電源轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的產(chǎn)生熱量的元件分開(kāi)設(shè)置。對(duì)于擁有多種電源設(shè)置的設(shè)計(jì)，12伏和15伏電源轉(zhuǎn)換器，可以分別設(shè)置在電路板的不同位置，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生的熱量和電子噪聲會(huì)對(duì)其它元件以及電路板的可靠性和性能造成影響。

上述元件也會(huì)對(duì)電路設(shè)計(jì)的電磁性能造成影響，這不僅僅對(duì)于電路板的性能和能耗十分重要，對(duì)于電路板經(jīng)濟(jì)性也會(huì)帶來(lái)很大的影響，因此所有在歐洲銷售的電路板設(shè)備都必須獲得CE標(biāo)志，以證明不會(huì)對(duì)其它系統(tǒng)造成干擾。不過(guò)，這通常只是從電源供應(yīng)方面來(lái)說(shuō)的，還有許多設(shè)備會(huì)發(fā)出噪聲，例如DC-DC轉(zhuǎn)換器、以及高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等。由于電路板設(shè)計(jì)存在缺陷， 這些噪聲能夠被信道捕獲，并作為小型天線進(jìn)行輻射，從而產(chǎn)生雜頻噪聲及頻率異常區(qū)域。

遠(yuǎn)場(chǎng)電磁干擾（EMI）問(wèn)題可以通過(guò)在噪聲點(diǎn)加裝濾波器或者使用金屬外殼來(lái)屏蔽信號(hào)的方式加以解決。但是對(duì)電路板上能夠釋放電磁干擾（EMI）的設(shè)備予以充分的重視，卻使得電路板可以選用更廉價(jià)的外殼，從而有效降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。

在電路板的設(shè)計(jì)過(guò)程中，電磁干擾（EMI）確實(shí)是一個(gè)不得不重視的因素。電磁串?dāng)_能夠與信道產(chǎn)生耦合，從而將信號(hào)打亂為噪聲，影響電路板的整體性能。如果耦合噪聲過(guò)高，則信號(hào)有可能會(huì)被完全覆蓋，因此必須加裝更加昂貴的信號(hào)放大器，才能夠恢復(fù)正常。不過(guò)，如果在電路板的設(shè)計(jì)之初，就能夠充分考慮到信號(hào)線路布局的話，上述問(wèn)題就可以避免。由于電路板的設(shè)計(jì)會(huì)根據(jù)不同設(shè)備、不同使用地點(diǎn)、不同散熱需求、以及不同的電磁干擾（EMI）情況，而有所不同，這時(shí)設(shè)計(jì)模板便派上了大用場(chǎng)。

電容同樣也是電路板設(shè)計(jì)中一個(gè)不容忽視的重要問(wèn)題，因?yàn)殡娙輹?huì)影響信號(hào)的傳播速度、增加電量的消耗。信道會(huì)與旁邊的線路產(chǎn)生耦合或者垂直穿越兩個(gè)電路層，從而在無(wú)意中形成一個(gè)電容器。通過(guò)減少平行線路的長(zhǎng)度、在其中一條線路上加裝扭結(jié)從而切斷耦合等方式，上述問(wèn)題可以相對(duì)容易地加以解決。不過(guò)，這也需要工程設(shè)計(jì)人員充分考慮生產(chǎn)設(shè)計(jì)原則，確保設(shè)計(jì)方案便于制造，同時(shí)避免由于線路彎折角度過(guò)大造成的任何噪聲輻射。線路之間的距離也有可能會(huì)過(guò)近，這將會(huì)在線路之間產(chǎn)生短的回路，尤其是在線路彎折處，隨著時(shí)間的推移，會(huì)出現(xiàn)金屬“晶須”。設(shè)計(jì)規(guī)則檢測(cè)通?？梢詷?biāo)示出回路風(fēng)險(xiǎn)比正常情況更高的區(qū)域。

這一問(wèn)題在接地層的設(shè)計(jì)中顯得尤為突出。一個(gè)金屬電路層，有可能會(huì)與其上方和下方的所有線路形成耦合。盡管該金屬層確實(shí)能夠有效阻隔噪聲，不過(guò)該金屬層同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生伴生電容，影響線路的運(yùn)行速度，并增加電量的消耗。

就多層電路板的設(shè)計(jì)而言，不同電路板層之間的通孔設(shè)計(jì)，恐怕是最具爭(zhēng)議性的一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)橥自O(shè)計(jì)會(huì)給電路板的生產(chǎn)制造，帶來(lái)許多問(wèn)題。電路板層之間的通孔，會(huì)影響信號(hào)的性能，降低電路板設(shè)計(jì)的可靠性，因此應(yīng)當(dāng)予以充分的重視。

解決方案

在印刷電路板（PCB）的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以采取許多不同的方法，來(lái)解決各種問(wèn)題。其中既有設(shè)計(jì)方案本身的調(diào)整，比如調(diào)整線路布局，減少噪聲；也有印刷電路板布局方面的方法。設(shè)計(jì)元件可以通過(guò)布局工具進(jìn)行自動(dòng)安裝，不過(guò)如果能夠?qū)ψ詣?dòng)布局進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，將有助于提高電路板設(shè)計(jì)的質(zhì)量。通過(guò)這一措施，設(shè)計(jì)規(guī)則檢測(cè)將借助于技術(shù)文件，確保電路板的設(shè)計(jì)能夠滿足電路板生產(chǎn)廠商的要求。

將不同的電路板層進(jìn)行分隔，可以減少伴生電容，不過(guò)，這將增加電路板的層數(shù)，從而增加成本，帶來(lái)更多通孔方面的問(wèn)題。盡管采用正交電網(wǎng)供電系統(tǒng)和接地線路設(shè)計(jì)可能會(huì)增加電路板的物理尺寸，但卻可以有效發(fā)揮雙層電路板中接地層的效用，降低電容量和電路板生產(chǎn)制造的復(fù)雜性。

包括DesignSpark PCB在內(nèi)的設(shè)計(jì)工具，在設(shè)計(jì)之初，就可以幫助工程設(shè)計(jì)人員解決許多問(wèn)題， 不過(guò)工程設(shè)計(jì)人員還是需要對(duì)印刷電路板（PCB）的設(shè)計(jì)需求有充分的了解。舉例來(lái)說(shuō)，如果印刷電路板（PCB）的編輯人員，在開(kāi)始設(shè)計(jì)之初便需要對(duì)電路板的層數(shù)有所了解，例如，一個(gè)雙層的電路板，則需要有一個(gè)接地層和一個(gè)電源層，兩個(gè)相互獨(dú)立的板層構(gòu)成。 元件自動(dòng)布局技術(shù)的用處很大，可以幫助設(shè)計(jì)人員花費(fèi)更多的時(shí)間，來(lái)對(duì)設(shè)備的布局區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如，供電設(shè)備如果與敏感的信號(hào)線路或者是溫度較高的區(qū)域距離過(guò)近的話，就會(huì)產(chǎn)生很多問(wèn)題。與此相同的是，信號(hào)線路也可以進(jìn)行自動(dòng)布線，同時(shí)避免大部分問(wèn)題的出現(xiàn)，不過(guò)，對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行分析和手動(dòng)操作，將有助于大幅度提高印刷電路板（PCB）設(shè)計(jì)的質(zhì)量、提高收益、降低總體成本。

設(shè)計(jì)規(guī)則檢測(cè)同樣也是一個(gè)非常有力的工具，能夠?qū)€路進(jìn)行檢測(cè)，確保線路之間的距離不至于過(guò)近，從而造成回路過(guò)短。不過(guò)，整體設(shè)計(jì)仍然具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。設(shè)計(jì)規(guī)劃?rùn)z測(cè)工具同時(shí)也可以用來(lái)檢測(cè)和調(diào)整電源層與接地層，避免產(chǎn)生大的伴生電容區(qū)域。

上述工具對(duì)于Gerber和Excellon也將帶來(lái)很大幫助，有助他們?yōu)榱松a(chǎn)出最終的設(shè)計(jì)成品，而進(jìn)行線路和電路板印制，以及通孔鉆孔等方面的工作。這樣一來(lái)，技術(shù)文件就與電路板制造商緊密相連。

結(jié)論

在印刷電路板（PCB）的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮諸多問(wèn)題，而包括DesignSpark PCB 在內(nèi)的工具，能夠有效地處理其中的大部分問(wèn)題。通過(guò)采用某些最佳實(shí)踐指導(dǎo)原則，工程設(shè)計(jì)人員能夠有效地減少成本、提高電路板的可靠性，同時(shí)滿足系統(tǒng)規(guī)格的要求，以較低的成本彎沉系統(tǒng)認(rèn)證，從而避免出現(xiàn)更多問(wèn)題。