PCB設(shè)計(jì)是讓產(chǎn)品成功的最重要關(guān)鍵

就像所有的新技術(shù)一樣，工程師當(dāng)初花了好一段時(shí)間才接受并推廣印刷電路板(PCB)。在1960年代，美國(guó)老牌電子業(yè)者Zeneth總愛(ài)標(biāo)榜他們使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接線(point-to-point wiring)，如圖1;而現(xiàn)在，幾乎所有電子產(chǎn)品都是以PCB打造。

但多年來(lái)，PCB似乎在電子工程領(lǐng)域被「降級(jí)」，成了只在幕后默默付出的無(wú)名英雄，經(jīng)理們認(rèn)為PCB布線是微不足道的制造問(wèn)題，并非設(shè)計(jì)工程師需要關(guān)心的;但隨著數(shù)字電路變得越來(lái)越快，以及RF電路也被放進(jìn)PCB，電路板在很多設(shè)計(jì)中變成了限制因素，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)工具雖然能幫助工程師設(shè)計(jì)電路板，但CAD的自動(dòng)繞線功能通常會(huì)帶來(lái)更多問(wèn)題。

圖1 1948年Motorola的VT-71「Golden View」7嫉縭踴就是采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接線。(圖片來(lái)源：Wikimedia/Westernelectric555)

我的師父，John Massa老大教過(guò)我PCB在設(shè)計(jì)工作中的中心性(centrality);Massa老大總是會(huì)尋找設(shè)計(jì)、打造電路板的新方法。當(dāng)我們的同業(yè)還在討論68020芯片的指令快取(instrucTIon-caching)架構(gòu)時(shí)，Massa已經(jīng)在談電路板布線程序以及只要一個(gè)晚上就能完成的原型制作。

Massa說(shuō)過(guò)：「在我40年的電子設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)里，電路板總是阻礙每個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的限制因素;」你不應(yīng)該只是為了應(yīng)付工作而制作電路圖，你有更高等級(jí)的責(zé)任看著那些電路圖轉(zhuǎn)化成能夠被打造出來(lái)并且銷售的某種產(chǎn)品。

現(xiàn)代的PCB不只是時(shí)間殺手，也是擁有精確設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵零組件;電子裝置的運(yùn)作頻率以及訊號(hào)上升/下降時(shí)間變得越來(lái)越快，因此PCB已經(jīng)變得越來(lái)越重要?？纯匆韵聨讉€(gè)真實(shí)發(fā)生過(guò)的小故事，你會(huì)獲得一些啟示。

一個(gè)關(guān)于PC主板的故事

在1985年，PC芯片組出現(xiàn)了33MHz的總線;Massa當(dāng)時(shí)接到一家本地PC主板制造商的電話，說(shuō)他們的新主板不會(huì)動(dòng)了。IC供貨商的參考設(shè)計(jì)是可以運(yùn)作，但這家公司做了客制化的產(chǎn)品外形;而Massa注意到，他們?cè)诹憬M件之間的繞線，讓PCB走線出現(xiàn)很多尖銳的角度。

他還發(fā)現(xiàn)有幾個(gè)關(guān)鍵訊號(hào)被放在大型回路，電路板上還有很多通孔;那些小洞是讓走線能從電路板正面轉(zhuǎn)到背面。那家公司表示，他們的PCB是找美國(guó)科羅拉多州的某個(gè)人設(shè)計(jì)的，費(fèi)用很便宜而且速度很快，只要一、兩天就能完成。Massa很禮貌地告訴他們，其實(shí)那種布線是用自動(dòng)化軟件工具做的，因此永遠(yuǎn)無(wú)法讓跑33MHz訊號(hào)的電路板成功運(yùn)作。

自動(dòng)繞線工具很容易出錯(cuò)，早期的PCB軟件只能確保訊號(hào)到接腳的電流連接，不會(huì)考慮高速訊號(hào)需要較短走線，該先布置所需通孔，或是因?yàn)橥?、線寬變化導(dǎo)致的阻抗不匹配等等問(wèn)題，最后導(dǎo)致整個(gè)PCB設(shè)計(jì)失敗。

一個(gè)關(guān)于視訊芯片的故事

在1995年，我有個(gè)老兄弟是在一家視訊芯片公司工作，遇到了跟前面一樣的狀況──參考設(shè)計(jì)沒(méi)問(wèn)題，但他們有個(gè)臺(tái)灣的大客戶抱怨他們家的芯片無(wú)法在新PCB上運(yùn)作;而該P(yáng)CB設(shè)計(jì)也是有類似的布線錯(cuò)誤。

那家視訊芯片公司面臨兩個(gè)選擇，一個(gè)是坦白指出客戶的設(shè)計(jì)有問(wèn)題請(qǐng)他們重做，二是讓他們自己的視訊芯片做個(gè)便宜的金屬光罩修改，以彌補(bǔ)客戶的不良PCB布線;后來(lái)他們選了第二種方法，客戶當(dāng)然很開(kāi)心、覺(jué)得自己永遠(yuǎn)是對(duì)的，而且對(duì)于那家視訊芯片公司寄給他們能順利運(yùn)作之新芯片的客戶服務(wù)十分滿意。

我那位朋友說(shuō)，這對(duì)一家半導(dǎo)體公司來(lái)說(shuō)是明智的策略;IC業(yè)者應(yīng)該是為自家的芯片導(dǎo)入IP，而不是花錢(qián)教自己的客戶怎么設(shè)計(jì)。你可以在芯片內(nèi)做些改變，反過(guò)來(lái)向客戶收錢(qián)。

一個(gè)關(guān)于F-16戰(zhàn)斗機(jī)的故事

筆者曾參與F-16戰(zhàn)斗機(jī)的雷達(dá)干擾裝置設(shè)計(jì)，了解到有些公司可能也遭遇過(guò)的系統(tǒng)性PCB問(wèn)題;電路板布線被認(rèn)為是機(jī)械工程任務(wù)，因此我們的電子工程師把電路圖丟出來(lái)，讓其他部門(mén)去做電路板布線工作。

我拿到的電路板上有非常高速的發(fā)射耦合邏輯(ECL)振蕩器，但該8層電路板原型無(wú)法運(yùn)作;因?yàn)橛蟹浅３渥愕碾娐钒鍖用婵臻g，我很疑惑他們到底是怎么把設(shè)計(jì)搞砸的。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，機(jī)械工程師為了簡(jiǎn)化位于所有零件下方的鋁制散熱器設(shè)計(jì)，是按照形狀來(lái)安排零組件位置的;那顆ECL芯片位于電路板左上方，電阻被放在中間，晶體振蕩器則在右下角，距離ECL芯片整整8肌

從那時(shí)候我們都會(huì)確保機(jī)械工程師在進(jìn)行PCB上的零組件布置時(shí)，旁邊有坐一個(gè)電子工程師，而且會(huì)在準(zhǔn)備制造之前審查整個(gè)布局(圖2)。

圖2 F-16戰(zhàn)斗機(jī)的雷達(dá)干擾裝置PCB，在所有的零組件下方有一個(gè)鋁制散熱器;千萬(wàn)別讓機(jī)械工程師為了散熱器設(shè)計(jì)而自作主張布局PCB，以免犧牲電子能。

一個(gè)關(guān)于電源供應(yīng)器的故事

我在1998年為HP擔(dān)任顧問(wèn)時(shí)，曾在設(shè)計(jì)中用了一顆凌力爾特(Linear)的SEPIC轉(zhuǎn)換器芯片LT1513IR;我看了產(chǎn)品規(guī)格表，還跟與我接洽的Linear應(yīng)用工程師Jon Dutra說(shuō)，他們公司規(guī)格表里面的布線圖有錯(cuò)。好啦…別笑了，我那時(shí)候還年輕、有點(diǎn)蠢。

現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)到微軟(Microsoft)工作的Dutra很有耐心地看了規(guī)格表里的應(yīng)用實(shí)例部分，并解釋為何他們建議用那樣的方式來(lái)布署轉(zhuǎn)換器。我有幾個(gè)好朋友是從Linear退休的，他們都對(duì)我保證，很多客戶都是該公司組件的忠實(shí)愛(ài)用者，因?yàn)樗麄兊膽?yīng)用工程支持能幫客戶把錯(cuò)的設(shè)計(jì)變成對(duì)的;而我用Linear建議的方式布署那顆SEPIC，第一次繞線就成功(如圖3)。

圖3 這是自動(dòng)測(cè)試設(shè)備的PCB，因?yàn)槭孪攘私膺^(guò)那顆SEPIC轉(zhuǎn)換器(以紅框標(biāo)示)，我的設(shè)計(jì)第一次就成功。

一個(gè)關(guān)于掌上電腦的故事

我在一家掌上電腦公司工作時(shí)，曾犯過(guò)一個(gè)錯(cuò)誤，用SPECCTRA軟件工具進(jìn)行一片12層PCB的自動(dòng)繞線(圖4);我那時(shí)覺(jué)得SPECCTRA超有智慧(而且很貴)，應(yīng)該可以不需要人為監(jiān)督或干預(yù)，讓它自動(dòng)繞線。

在PCI總線無(wú)法運(yùn)作時(shí)，我們做了一個(gè)夾具來(lái)探測(cè)PCI總線上的每一個(gè)訊號(hào);它們都在那里，時(shí)序也收斂了，但顯然收斂得不夠、無(wú)法與掛在總線上的芯片共同運(yùn)作。而且那是一個(gè)沒(méi)有連接器的總線，只有長(zhǎng)度約4或5甲呦…我再也不信任沒(méi)有人為監(jiān)督的自動(dòng)布線器了，永遠(yuǎn)都不會(huì)!

圖4 這片掌上電腦的12層電路板原型看起來(lái)很厲害，但是因?yàn)樽詣?dòng)布線器搞砸了PCI總線的時(shí)序，根本無(wú)法運(yùn)作。

一個(gè)關(guān)于消費(fèi)性DVD播放器的故事

我在某家半導(dǎo)體公司任職時(shí)，做的是驅(qū)動(dòng)PC用DVD刻錄機(jī)內(nèi)雷射頭的芯片;我看了一眼某客戶設(shè)計(jì)的軟性電路板原型，就知道他們?nèi)狈Ω咚倩蛏嵩O(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)，畢竟他們之前做的CD刻錄機(jī)數(shù)據(jù)速率比較低，而且用的芯片不會(huì)產(chǎn)生太多熱度。而我們花了大半年的時(shí)間教客戶該怎么設(shè)計(jì)他們的PCB(圖5)。

圖5 DVD刻錄機(jī)的雷射驅(qū)動(dòng)器軟性電路，需要具備PC主板或是其他高速、對(duì)溫度敏感之設(shè)計(jì)的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)。

你可以尋求幫助!

不要輕忽你的PCB設(shè)計(jì)，要非常注意組件規(guī)格表的建議;半導(dǎo)體廠商的應(yīng)用工程師能給你很多幫助。但要注意的是，半導(dǎo)體廠商的應(yīng)用工程師是IC專家，不是系統(tǒng)工程師，因此他們今天可能會(huì)告訴你，把模擬與數(shù)字接地面分開(kāi)，再以模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)芯片來(lái)鏈接;但他們不會(huì)告訴你如果板子上有5顆ADC該怎么辦。

要進(jìn)一步了解PCB設(shè)計(jì)訣竅，有很多訓(xùn)練課程、技術(shù)研討會(huì)可以參加，專業(yè)的資深工程師會(huì)教你如何妥善利用零組件布置與繞線規(guī)則，讓你的設(shè)計(jì)避免產(chǎn)生噪聲或是對(duì)噪聲敏感;你也可以透過(guò)學(xué)習(xí)確保你的設(shè)計(jì)有良好的訊號(hào)與電源完整性。

如果你不希望你的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是七零八落或是問(wèn)題重重，絕對(duì)需要去學(xué)習(xí)所有關(guān)于PCB設(shè)計(jì)與制造的知識(shí)，那是你的產(chǎn)品設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，就像是房子的地基一樣，沒(méi)有人希望它搖搖晃晃!