PCB详细布局、布线设计概述

蒋修国|其他|other else|

2023-01-09 12:32:14 942

在硬件设计中，PCB设计是其中非常重要、不可或缺的一个步骤。对于一些简单的产品，PCB设计可能只是简单地把所有的器件、网络对应地连接起来。而对于高速电路、射频电路，PCB的设计直接影响到产品的功能是否正常、产品是否能满足入市的要求。下面，将从PCB设计的流程、PCB布局、PCB布线、PCB设计检查表四个方面做介绍。

PCB设计的流程

PCB的质量直接决定了一款电子产品的好与坏，那么一个好的PCB设计流程就至关重要。很多工程师认为，PCB设计就是简单地把所有的元器件摆好之后，再把所有相关的器件引脚连接在一起。这是一种狭隘的观点，一个好的PCB设计流程从原理方案设计时就已经开始，比如如何选择合适的方案、选择合适的电子元器件等等。具体如下图所示：

具体包含了原理方案设计、原理图网表输出和导入、机械结构图导入、层叠结构设计和编辑、信号完整性（SI）/电源完整性（PI）前仿真、PCB布局、设计约束规则导入、PCB布线、信号完整性（SI）/电源完整性（PI）/电磁兼容性（EMC）/热后仿真、设计可制造性（DFM）检查、生成生产文件（Gerber）。这些工作可能是一个工程师完成的，也有可能是多个工程师合作完成的。当然，并不是每一个产品的PCB设计流程都是一样的，具体的产品可以根据这个流程进行适当的细化、增加或者删减。

下面将就PCB设计流程中的几个重要步骤做进一步的介绍。

PCB布局

在设计中，布局是一个重要的环节。布局结果的好坏将直接影响布线的效果，因此可以这样认为，合理的布局是 PCB 设计成功的*步。简单的理解，PCB布局就是把所有的元器件按照功能结构、模块化、满足DXF的要求、满足顺畅布局布线等原则进行。

考虑整体美观一个产品的成功与否，一是要注重内在质量，二是兼顾整体的美观，两者都较*才能认为该产品是成功的。在一个 PCB 板上，组件的布局要求要均衡，疏密有序，不能头重脚轻或一头沉。

图布局好的PCB

上面说到的只是一些大的方向和要求，其实PCB布局需要考虑到的因素非常多，比如常常会按照“先大后小，先满足结构后满足美观，先难后易”的布置原则，就是把重要的核心单元电路、高速电路、射频电路、核心元器件、接口电路优先布局，然后再把一些辅助性的电路布局好。在进行PCB布局设计时具体可以遵循以下原则进行布局。

1、布局中应参考原理框图，根据单板的主信号流向规律安排主要元器件。布局应尽量满足以下要求：

在没有特殊要求时，使布线的总长度尽可能短，关键信号线最短；
去耦电容的布局时，依据电容的大小尽量依照越小的电容越靠近IC的电源管脚，并使之与电源和地之间形成的回路最短；
减少信号回流路径，不要出现跨分割现象。

2、元器件的排列首先要满足功能的要求，同时还要便于后续调试和维修，即小元件周围不能放置大元件、需调试的元器件周围要有足够的空间，太紧凑就会导致无法下烙铁。

3、相同结构电路部分，尽可能采用“对称式”标准布局；按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准优化布局。

4、同类型插装元器件在X或Y方向上应朝一个方向放置。同一种类型的有极性分立元件也要尽量在X或Y方向上保持一致，便于生产和检验。

5、发热元件要一般应均匀分布，以利于单板和整机的散热，除温度检测元件以外的温度敏感器件应远离发热量大的元器件。除了温度传感器，三极管也属于对热敏感的器件。

6、高电压、大电流信号与小电流，低电压的弱信号完全分开。

7、模拟信号与数字信号分开；高频信号与低频信号分开；高频元器件的间隔要充分。

8、元件布局时，应适当考虑使用同一种电源的器件尽量放在一起，以便于将来的电源路径设计以及与其它电源平面分割开。

对于一些特殊元器件的位置在布局时一般要遵守以下原则：

1、DC/DC 变换器、开关元件和整流器应尽可能靠近变压器放置，整流二极管尽可能靠近调压元件和滤波电容器。以减小其线路长度。

2、电磁干扰（EMI）滤波器要尽可能靠近 EMI 源。尽可能缩短高频元器件之间的连接，设法减少他们的分布参数及和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互离的太近，输入和输出应尽量远离。

3、对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元器件的布局应考虑整块扳子的结构要求，一些经常用到的开关，在结构允许的情况下，应放置到手容易接触到的地方。元器件的布局到均衡，疏密有度。

4、发热元件应该布置在 PCB 的边缘，以利散热。如果 PCB 为垂直安装，发热元件应该布置在 PCB 的上方。热敏元件应远离发热元件。

5、在电源布局时，尽量让器件布局方便电源线布线走向。布局时需要考虑减小输入电源回路的面积。满足流通的情况下，避免输入电源线满板跑，回路圈起来的面积过大。电源线与地线的位置*配合，可降低电磁干扰的影响。如果电源线和地线配合不当，会出现很多环路，并可能产生噪声。

6、高、低频电路由于频率不同，其干扰以及抑制干扰的方法也不相同。所以在元件布局时，应将数字电路、模拟电路以及电源电路按模块分开布局。将高频电路与低频电路有效隔离，或者分成小的子电路模块板，之间用接插件连接。

7、布局中还应特别注意强、弱信号的器件分布及信号传输方向路径等问题。为将干扰减轻到最小程度，模拟电路和数字电路分隔开之后，保持高、中、低速逻辑电路在 PCB 上也要用不同区域，PCB 板按频率和电流开关特性分区。噪声元件与非噪声元件要距离远一些。热敏元件与发热元件距离远一些。低电平信号通道远离高电平信号通道和无滤波的电源线。将低电平的模拟电路和数字电路分开，避免模拟电路、数字电路和电源公共回线产生公共阻抗耦合。

PCB布线

当原理图网表导入到PCB设计软件中时，所有的元器件相互连接的引脚都是通过“鼠线”连接的，这些并没有网络属性意义。如下图所示：

图鼠线连接的PCB

这需要工程师把它们按照相应的设计约束规则相互连接起来。只有当所有的网络连接在一起时，它们才有电气特性。布线就是这样一个作用，即把所有的信号网络、电源网络和地网络都连接好。

在PCB布线时需要使用到设计约束规则，这些规则就包含信号网络的线宽、差分对内的线间距、差分对之间的等长误差、传输线之间的间距要求、传输线的总长度、传输线对内或者对间的分段等长要求等等。如下图所示为Intel某平台对PCIE设计的要求：

图Intel某平台对PCIE设计的要求

按照相应的要求完成布局、布线之后，就得到了一份错落有致的PCB版图，如下图所示为连接好的PCB版图：

图连接好的PCB版图

PCB设计完成之后，就可以按照生产要求输出生产文件，一般包括PCB生产文件、PCBA生产文件、钢网文件等等。

PCB设计检查表

在正式生成PCB生产文件之前，一般都会对PCB设计进行详细的检查，包括DFM、SI、PI、EMC、Thermal、可靠性等等检查。如何检查呢？有的公司是通过工具进行检查，有的公司是通过各个工程师自己检查，不管是哪一种，其实都是依照一定的规则进行检查分析，也就是大家通常所说的PCB设计检查。

项目	检查内容	Y/N	备注
常规类检查项	禁止布局布线区域设置是否正确。(注意限高区)增加：晶振，电感，变压器下方画好禁布区。
	结构是否更新正确，螺孔大小，接口定位与方向是否正确。对于有疑问的接口方向有没有与结构工程师确认？
	结构是否是最终文件。
	封装是否经过检查。
	改版设计时，封装是否检查并更新（原点变化导致固定器件偏位等）
	有出差工程师自建或临时替换的封装有没有进行复查和更正
	光绘设置是否正确。
	每种电源是否都有来源，宽度是否都满足载流量。过孔数量是否足够。
	原理图和PCB文件网表否是最新的，导入是否一致
	是否有未摆器件、是否有未连接网络、是否有多余线段
	IPC网表是否对比、并确认没有断路和短路存在
规则设置	叠层设置是否正确。(包括正负片)是否有按增加的工艺制作说明进行规则设置
	差分线、单端线等线宽、线距规则设置是否正确。
	高电压安规设置是否正确。
	等长误差与最大长度设置是否正确。
	保护地是否设置2mm以上间距。
	是否有把相同分类的网络全部分配到对应的分组。
	相应规则是否打开。
	如果有隔离盘花焊盘，是否设置正确。
布局	确保结构限高区没有摆放超过限制高度的器件。
	有顺序要求的（如LED，按键）是否符合结构要求摆放。
	TVS、ESD保护器件是否靠近接口放置。
	数字、模拟、高速、低速部分是否分开布局。模拟布局是否保证主通路走线最短。
	相同模块是否相同布局。
	源端与末端匹配器件布局是否正确。
	晶体、晶振及时钟驱动器摆放是否合理。
	开关电源是否按要求布局布线。(回路是否最小，是否做单点接地)
	每种电源电压电容是否均匀分布。(0.1uf以下小电容每个电源管脚有一个)。
	热敏感器件是否远离电源和其他大功耗的元件(测温器件是否放在合适的位置)。
	绕线电感是否有平行摆放一起。（建议相互垂直摆放）
	射频电路是否考虑一字型或者L型布局。
	隔离器件（如变压器）前后部分器件要分开布局。
	发热量大的器件也要相互分开，方便散热。
	确保禁布区没有放置器件。
布线	锁相环电路，REF，电感两端走线是否加粗。
	信号或者电源孔密集处是否增加回流地孔。
	电源引脚出线是否都有20mil以上或同引脚一样宽。(包括热焊盘，上下拉电阻除外)
	所有关键信号线走线是否有跨相邻平面层分割。
	射频线与天线是否处理正确(加粗控50ohm阻抗，并加上相应的参考面，陶瓷天线按要求挖空，射频线周边加屏蔽地过孔。)
	模拟走线和不要求阻抗的线（如晶体时钟线，Reset等）是否加粗8mil以上。
	是否存在多余过孔和线，多余残桩（Stub）走线。
	是否存在直角和锐角走线。
	是否存在孤铜和无网络铜。
	有极性器件是否正确。(特别注意二极管、极性电容、ESD、LED等)
	布线拓朴结构是否合理。
	隔离器件(光耦、共模电感、变压器等)是否做隔离或挖空处理。
	静电保护地，保护地与工作地是否已做隔离设计（至少相隔2.5mm）
	电源模块、时钟模块是否有信号线走过，特别是开关电源电感下不能穿线。
	相邻信号层是否有平行走线。平行走线必需错开或者垂直走线，不可以重叠。
	差分线和重要信号线换层处是否加有回流地过孔。最好对称加上两个回流地孔。
	对敏感信号是否进行了地屏蔽处理，每500mil是否有一个过孔。
	多层板板边是否每150mil加有屏蔽地过孔。
	平面层是否有通孔隔离盘过大造成平面割断导致电源平面电流不足。
	电源平面与地平面比较是否有内缩。
	平面层各块电源网络是否都有花盘连接。
	IC与连接器是否都有电源和地管脚且加粗走线。
	发热量大器件铺铜面积是否足够大。是否在表层有加上散热开窗的铜皮。
	金手指上是否有铺铜，内层铺到金手指焊盘的一半的位置，金手指上是否有整块阻焊。
	器件(电阻电容电感等)引脚中间是否有过线。
	表层空白处是否有铺铜处理。
	两层板正反面地是否连接*。特别注意电源和地在换层的地方过孔是否满足载流能力。
	串口芯片（例如232、485、429、422）部分电容走线是否加粗。
	时钟电路(包括晶体、晶振、时钟驱动器等）的电源是否进行了很好的滤波，对于时钟走线不能残桩（Stub）。
	做等长时，是否确保每个信号分组中的每一根网络都做到的等长。
	重要信号线是否优先布线，走在最优布线层。
	电源平面压差较大时，隔离带是否相应加宽。
	同组高速信号线的过孔数是否最少且个数一致，尽量小于2个过孔。
输出产生文件检查	确定SMT器件是否有开钢网和所有器件开阻焊层。
	阻焊开窗是否与表层铺铜一致。
	确定器件字符及丝印标示方向是否正确，是否有干涉和文字错误上焊盘现象，器件1脚标示是否正确明显。
	走线线宽是否与生产说明一致。
	非金属化孔焊盘是否设置正确。
	板上标注是否正确。(包括Drill层说明及误差标注）

这是一个常规的PCB 设计检查表，每一类产品使用的检查表大同小异。一般建议按照自身产品的特定制作特定的PCB设计检查表。

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