确定PCB布局和布线的“七步诗”

2019-08-16 10:01:08 来源:muRata
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PCB(PrintedCircuitBoard),中文名称为印制电路板,又称印刷电路板、印刷线路板,是重要的电子部件,是电子元器件的支撑体,是电子元器件电气连接的提供者。由于它是采用电子印刷术制作的,故被称为"印刷"电路板。

 

随着PCB 尺寸要求越来越小,器件密度要求越来越高,PCB 设计的难度也越来越大。

 

如何实现PCB 高的布通率以及缩短设计时间,在这笔者谈谈对PCB 规划、布局和布线的设计技巧。

 

在开始布线之前应该对设计进行认真的分析以及对工具软件进行认真的设置,这会使设计更加符合要求。

 

1、确定PCB 的层数

电路板尺寸和布线层数需要在设计初期确定。布线层的数量以及层叠(STack-up)方式会直接影响到印制线的布线和阻抗。板的大小有助于确定层叠方式和印制线宽度,实现期望的设计效果。目前多层板之间的成本差别很小,在开始设计时最好采用较多的电路层并使敷铜均匀分布。

 

2、设计规则和限制

要顺利完成布线任务,布线工具需要在正确的规则和限制条件下工作。要对所有特殊要求的信号线进行分类,每个信号类都应该有优先级,优先级越高,规则也越严格。规则涉及印制线宽度、过孔的最大数量、平行度、信号线之间的相互影响以及层的限制, 这些规则对布线工具的性能有很大影响。

 

认真考虑设计要求是成功布线的重要一步。

 

3、组件的布局

在最优化装配过程中,可制造性设计(DFM)规则会对组件布局产生限制。如果装配部门允许组件移动,可以对电路适当优化,更便于自动布线。所定义的规则和约束条件会影响布局设计。自动布线工具一次只会考虑一个信号,通过设置布线的约束条件以及设定可布信号线的层,可以使布线工具能像设计师所设想的那样完成布线。

 

比如,对于电源线的布局: ①在PCB 布局中应将电源退耦电路设计在各相关电路附近, 而不要放置在电源部分,否则既影响旁路效果, 又会在电源线和地线上流过脉动电流,造成窜扰;②对于电路内部的电源走向,应采取从末级向前级供电,并将该部分的电源滤波电容安排在末级附近;③对于一些主要的电流通道,如在调试和检测过程中要断开或测量电流,在布局时应在印制导线上安排电流缺口。

 

另外,要注意稳压电源在布局时,尽可能安排在单独的印制板上。当电源与电路合用印制板时,在布局中,应该避免稳压电源与电路元件混合布设或是使电源和电路合用地线。

 

因为这种布线不仅容易产生干扰,同时在维修时无法将负载断开,到时只能切割部分印制导线,从而损伤印制板。

 

4、扇出设计

在扇出设计阶段,表面贴装器件的每一个引脚至少应有一个过孔,以便在需要更多的连接时,电路板能够进行内层连接、在线测试和电路再处理。

 

为了使自动布线工具效率最高,一定要尽可能使用最大的过孔尺寸和印制线,间隔设置为50mil 较为理想。要采用使布线路径数最大的过孔类型。经过慎重考虑和预测,电路在线测试的设计可在设计初期进行, 在生产过程后期实现。

 

根据布线路径和电路在线测试来确定过孔扇出类型,电源和接地也会影响到布线和扇出设计。

 

5、手动布线以及关键信号的处理

手动布线在现在和将来都是印刷电路板设计的一个重要过程, 采用手动布线有助于自动布线工具完成布线工作。

 

通过对挑选出的网络(net)进行手动布线并加以固定,可以形成自动布线时可依据的路径。

 

首先对关键信号进行布线,手动布线或结合自动布线工具均可。布线完成后,再由有关的工程技术人员对这些信号布线进行检查,检查通过后,将这些线固定,然后开始对其余信号进行自动布线。

 

由于地线中阻抗的存在,会给电路带来共阻抗干扰。因此,在布线时不可将凡有接地符号的点随意连接,这可能会产生有害的耦合,影响电路的工作。

 

频率较高时,导线的感抗将比导线本身的电阻大几个数量级。这时导线上即使只流过很小的高频电流,也会产生一定的高频电压降。因此,对高频电路来说,PCB 布局尽可能排列紧凑,使印制导线尽可能短。

 

印制导线之间还有互感和电容, 当工作频率较大时,会对其它部分产生干扰,称为寄生耦合干扰。可以采取的抑制方式有:①尽量缩短各级间的信号走线;②按信号的顺序排列各级电路,避免各级信号线相互跨越;③相邻的两面板的导线要垂直或交叉,不能平行;④当板内要平行布设信号导线时,应使这些导线尽可能间隔一定的距离,或用地线、电源线隔开,达到屏蔽的目的。

 

6、自动布线

对关键信号的布线需要考虑在布线时控制一些电参数,比如减小分布电感等,在了解自动布线工具有哪些输入参数以及输入参数对布线的影响后,自动布线的质量在一定程度上可以得到保证。

 

在对信号进行自动布线时应该采用通用规则。通过设置限制条件和禁止布线区来限定给定信号所使用的层以及所用到的过孔数量,布线工具就能按照工程师的设计思想来自动布线。在设置好约束条件和应用所创建的规则后,自动布线将会达到与预期相近的结果, 在一部分设计完成以后,将其固定下来,以防止受到后边布线过程的影响。

 

布线次数取决于电路的复杂性和所定义的通用规则的多少。现在的自动布线工具功能非常强大,通常可完成100%的布线。但是,当自动布线工具未完成全部信号布线时,就需对余下的信号进行手动布线。

 

7、布线的整理

一些约束条件很少的信号,布线的长度很长,这时可以先判断出哪些布线合理,哪些布线不合理,再通过手动编辑来缩短信号布线长度和减少过孔数量。

 
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