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PCB详细布局、布线设计概述

发布时间:2023-01-09作者来源:蒋修国浏览:1734

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:

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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[敏感词]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。

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,两者都较完美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。

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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XY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XY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:

1DC/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良好配合,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:

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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。

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:

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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:

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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DFMSIPIEMCThermal、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[敏感词]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[敏感词]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。

TVSESD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、ESDLED)

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。[敏感词]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良好。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232485429422)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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