PCB詳細布局、布線設計概述

發布時間：2023-01-09作者來源：蔣修國瀏覽：2661

在硬件設計中，PCB設計是其中非常重要、不可或缺的一個步驟。對于一些簡單的產品，PCB設計可能只是簡單地把所有的器件、網絡對應地連接起來。而對于高速電路、射頻電路，PCB的設計直接影響到產品的功能是否正常、產品是否能滿足入市的要求。下面，將從PCB設計的流程、PCB布局、PCB布線、PCB設計檢查表四個方面做介紹。

PCB設計的流程

PCB的質量直接決定了一款電子產品的好與壞，那么一個好的PCB設計流程就至關重要。很多工程師認為，PCB設計就是簡單地把所有的元器件擺好之后，再把所有相關的器件引腳連接在一起。這是一種狹隘的觀點，一個好的PCB設計流程從原理方案設計時就已經開始，比如如何選擇合適的方案、選擇合適的電子元器件等等。具體如下圖所示：

具體包含了原理方案設計、原理圖網表輸出和導入、機械結構圖導入、層疊結構設計和編輯、信號完整性（SI）/電源完整性（PI）前仿真、PCB布局、設計約束規則導入、PCB布線、信號完整性（SI）/電源完整性（PI）/電磁兼容性（EMC）/熱后仿真、設計可制造性（DFM）檢查、生成生產文件（Gerber）。這些工作可能是一個工程師完成的，也有可能是多個工程師合作完成的。當然，并不是每一個產品的PCB設計流程都是一樣的，具體的產品可以根據這個流程進行適當的細化、增加或者刪減。

下面將就PCB設計流程中的幾個重要步驟做進一步的介紹。

PCB布局

在設計中，布局是一個重要的環節。布局結果的好壞將直接影響布線的效果，因此可以這樣認為，合理的布局是 PCB 設計成功的[敏感詞]步。簡單的理解，PCB布局就是把所有的元器件按照功能結構、模塊化、滿足DXF的要求、滿足順暢布局布線等原則進行。

考慮整體美觀一個產品的成功與否，一是要注重內在質量，二是兼顧整體的美觀，兩者都較完美才能認為該產品是成功的。在一個 PCB 板上，組件的布局要求要均衡，疏密有序，不能頭重腳輕或一頭沉。

圖布局好的PCB

上面說到的只是一些大的方向和要求，其實PCB布局需要考慮到的因素非常多，比如常常會按照“先大后小，先滿足結構后滿足美觀，先難后易”的布置原則，就是把重要的核心單元電路、高速電路、射頻電路、核心元器件、接口電路優先布局，然后再把一些輔助性的電路布局好。在進行PCB布局設計時具體可以遵循以下原則進行布局。

1、布局中應參考原理框圖，根據單板的主信號流向規律安排主要元器件。布局應盡量滿足以下要求：

在沒有特殊要求時，使布線的總長度盡可能短，關鍵信號線最短；
去耦電容的布局時，依據電容的大小盡量依照越小的電容越靠近IC的電源管腳，并使之與電源和地之間形成的回路最短；
減少信號回流路徑，不要出現跨分割現象。

2、元器件的排列首先要滿足功能的要求，同時還要便于后續調試和維修，即小元件周圍不能放置大元件、需調試的元器件周圍要有足夠的空間，太緊湊就會導致無法下烙鐵。

3、相同結構電路部分，盡可能采用“對稱式”標準布局；按照均勻分布、重心平衡、版面美觀的標準優化布局。

4、同類型插裝元器件在X或Y方向上應朝一個方向放置。同一種類型的有極性分立元件也要盡量在X或Y方向上保持一致，便于生產和檢驗。

5、發熱元件要一般應均勻分布，以利于單板和整機的散熱，除溫度檢測元件以外的溫度敏感器件應遠離發熱量大的元器件。除了溫度傳感器，三極管也屬于對熱敏感的器件。

6、高電壓、大電流信號與小電流，低電壓的弱信號完全分開。

7、模擬信號與數字信號分開；高頻信號與低頻信號分開；高頻元器件的間隔要充分。

8、元件布局時，應適當考慮使用同一種電源的器件盡量放在一起，以便于將來的電源路徑設計以及與其它電源平面分割開。

對于一些特殊元器件的位置在布局時一般要遵守以下原則：

1、DC/DC 變換器、開關元件和整流器應盡可能靠近變壓器放置，整流二極管盡可能靠近調壓元件和濾波電容器。以減小其線路長度。

2、電磁干擾（EMI）濾波器要盡可能靠近 EMI 源。盡可能縮短高頻元器件之間的連接，設法減少他們的分布參數及和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互離的太近，輸入和輸出應盡量遠離。

3、對于電位器、可調電感線圈、可變電容器、微動開關等可調元器件的布局應考慮整塊扳子的結構要求，一些經常用到的開關，在結構允許的情況下，應放置到手容易接觸到的地方。元器件的布局到均衡，疏密有度。

4、發熱元件應該布置在 PCB 的邊緣，以利散熱。如果 PCB 為垂直安裝，發熱元件應該布置在 PCB 的上方。熱敏元件應遠離發熱元件。

5、在電源布局時，盡量讓器件布局方便電源線布線走向。布局時需要考慮減小輸入電源回路的面積。滿足流通的情況下，避免輸入電源線滿板跑，回路圈起來的面積過大。電源線與地線的位置良好配合，可降低電磁干擾的影響。如果電源線和地線配合不當，會出現很多環路，并可能產生噪聲。

6、高、低頻電路由于頻率不同，其干擾以及抑制干擾的方法也不相同。所以在元件布局時，應將數字電路、模擬電路以及電源電路按模塊分開布局。將高頻電路與低頻電路有效隔離，或者分成小的子電路模塊板，之間用接插件連接。

7、布局中還應特別注意強、弱信號的器件分布及信號傳輸方向路徑等問題。為將干擾減輕到最小程度，模擬電路和數字電路分隔開之后，保持高、中、低速邏輯電路在 PCB 上也要用不同區域，PCB 板按頻率和電流開關特性分區。噪聲元件與非噪聲元件要距離遠一些。熱敏元件與發熱元件距離遠一些。低電平信號通道遠離高電平信號通道和無濾波的電源線。將低電平的模擬電路和數字電路分開，避免模擬電路、數字電路和電源公共回線產生公共阻抗耦合。

PCB布線

當原理圖網表導入到PCB設計軟件中時，所有的元器件相互連接的引腳都是通過“鼠線”連接的，這些并沒有網絡屬性意義。如下圖所示：

圖鼠線連接的PCB

這需要工程師把它們按照相應的設計約束規則相互連接起來。只有當所有的網絡連接在一起時，它們才有電氣特性。布線就是這樣一個作用，即把所有的信號網絡、電源網絡和地網絡都連接好。

在PCB布線時需要使用到設計約束規則，這些規則就包含信號網絡的線寬、差分對內的線間距、差分對之間的等長誤差、傳輸線之間的間距要求、傳輸線的總長度、傳輸線對內或者對間的分段等長要求等等。如下圖所示為Intel某平臺對PCIE設計的要求：

圖Intel某平臺對PCIE設計的要求

按照相應的要求完成布局、布線之后，就得到了一份錯落有致的PCB版圖，如下圖所示為連接好的PCB版圖：

圖連接好的PCB版圖

PCB設計完成之后，就可以按照生產要求輸出生產文件，一般包括PCB生產文件、PCBA生產文件、鋼網文件等等。

PCB設計檢查表

在正式生成PCB生產文件之前，一般都會對PCB設計進行詳細的檢查，包括DFM、SI、PI、EMC、Thermal、可靠性等等檢查。如何檢查呢？有的公司是通過工具進行檢查，有的公司是通過各個工程師自己檢查，不管是哪一種，其實都是依照一定的規則進行檢查分析，也就是大家通常所說的PCB設計檢查。

項目	檢查內容	Y/N	備注
常規類檢查項	禁止布局布線區域設置是否正確。(注意限高區)增加：晶振，電感，變壓器下方畫好禁布區。
	結構是否更新正確，螺孔大小，接口定位與方向是否正確。對于有疑問的接口方向有沒有與結構工程師確認？
	結構是否是最終文件。
	封裝是否經過檢查。
	改版設計時，封裝是否檢查并更新（原點變化導致固定器件偏位等）
	有出差工程師自建或臨時替換的封裝有沒有進行復查和更正
	光繪設置是否正確。
	每種電源是否都有來源，寬度是否都滿足載流量。過孔數量是否足夠。
	原理圖和PCB文件網表否是[敏感詞]的，導入是否一致
	是否有未擺器件、是否有未連接網絡、是否有多余線段
	IPC網表是否對比、并確認沒有斷路和短路存在
規則設置	疊層設置是否正確。(包括正負片)是否有按增加的工藝制作說明進行規則設置
	差分線、單端線等線寬、線距規則設置是否正確。
	高電壓安規設置是否正確。
	等長誤差與[敏感詞]長度設置是否正確。
	保護地是否設置2mm以上間距。
	是否有把相同分類的網絡全部分配到對應的分組。
	相應規則是否打開。
	如果有隔離盤花焊盤，是否設置正確。
布局	確保結構限高區沒有擺放超過限制高度的器件。
	有順序要求的（如LED，按鍵）是否符合結構要求擺放。
	TVS、ESD保護器件是否靠近接口放置。
	數字、模擬、高速、低速部分是否分開布局。模擬布局是否保證主通路走線最短。
	相同模塊是否相同布局。
	源端與末端匹配器件布局是否正確。
	晶體、晶振及時鐘驅動器擺放是否合理。
	開關電源是否按要求布局布線。(回路是否最小，是否做單點接地)
	每種電源電壓電容是否均勻分布。(0.1uf以下小電容每個電源管腳有一個)。
	熱敏感器件是否遠離電源和其他大功耗的元件(測溫器件是否放在合適的位置)。
	繞線電感是否有平行擺放一起。（建議相互垂直擺放）
	射頻電路是否考慮一字型或者L型布局。
	隔離器件（如變壓器）前后部分器件要分開布局。
	發熱量大的器件也要相互分開，方便散熱。
	確保禁布區沒有放置器件。
布線	鎖相環電路，REF，電感兩端走線是否加粗。
	信號或者電源孔密集處是否增加回流地孔。
	電源引腳出線是否都有20mil以上或同引腳一樣寬。(包括熱焊盤，上下拉電阻除外)
	所有關鍵信號線走線是否有跨相鄰平面層分割。
	射頻線與天線是否處理正確(加粗控50ohm阻抗，并加上相應的參考面，陶瓷天線按要求挖空，射頻線周邊加屏蔽地過孔。)
	模擬走線和不要求阻抗的線（如晶體時鐘線，Reset等）是否加粗8mil以上。
	是否存在多余過孔和線，多余殘樁（Stub）走線。
	是否存在直角和銳角走線。
	是否存在孤銅和無網絡銅。
	有極性器件是否正確。(特別注意二極管、極性電容、ESD、LED等)
	布線拓樸結構是否合理。
	隔離器件(光耦、共模電感、變壓器等)是否做隔離或挖空處理。
	靜電保護地，保護地與工作地是否已做隔離設計（至少相隔2.5mm）
	電源模塊、時鐘模塊是否有信號線走過，特別是開關電源電感下不能穿線。
	相鄰信號層是否有平行走線。平行走線必需錯開或者垂直走線，不可以重疊。
	差分線和重要信號線換層處是否加有回流地過孔。[敏感詞]對稱加上兩個回流地孔。
	對敏感信號是否進行了地屏蔽處理，每500mil是否有一個過孔。
	多層板板邊是否每150mil加有屏蔽地過孔。
	平面層是否有通孔隔離盤過大造成平面割斷導致電源平面電流不足。
	電源平面與地平面比較是否有內縮。
	平面層各塊電源網絡是否都有花盤連接。
	IC與連接器是否都有電源和地管腳且加粗走線。
	發熱量大器件鋪銅面積是否足夠大。是否在表層有加上散熱開窗的銅皮。
	金手指上是否有鋪銅，內層鋪到金手指焊盤的一半的位置，金手指上是否有整塊阻焊。
	器件(電阻電容電感等)引腳中間是否有過線。
	表層空白處是否有鋪銅處理。
	兩層板正反面地是否連接良好。特別注意電源和地在換層的地方過孔是否滿足載流能力。
	串口芯片（例如232、485、429、422）部分電容走線是否加粗。
	時鐘電路(包括晶體、晶振、時鐘驅動器等）的電源是否進行了很好的濾波，對于時鐘走線不能殘樁（Stub）。
	做等長時，是否確保每個信號分組中的每一根網絡都做到的等長。
	重要信號線是否優先布線，走在最優布線層。
	電源平面壓差較大時，隔離帶是否相應加寬。
	同組高速信號線的過孔數是否最少且個數一致，盡量小于2個過孔。
輸出產生文件檢查	確定SMT器件是否有開鋼網和所有器件開阻焊層。
	阻焊開窗是否與表層鋪銅一致。
	確定器件字符及絲印標示方向是否正確，是否有干涉和文字錯誤上焊盤現象，器件1腳標示是否正確明顯。
	走線線寬是否與生產說明一致。
	非金屬化孔焊盤是否設置正確。
	板上標注是否正確。(包括Drill層說明及誤差標注）