如何设计 PCB 布局

如何设计 PCB 布局

PCB布局设计步骤

印刷电路板 (PCB) 布局设计是一门复杂的工程技术，涉及在 PCB 上布置元器件和连接，以实现电路的原理图功能。精心设计的 PCB 布局对于确保正确的信号和电源完整性、电磁兼容性、热管理、可制造性和产品可靠性至关重要。本指南提供了设计高效 PCB 布局的分步方法。PCB 布局设计过程包含几个关键步骤：

1.布局规划和叠层设计

在深入研究实际布局之前，进行细致的规划至关重要：

了解 PCB 规格：首先熟悉电路板的规格，包括尺寸、层数和密度要求。

原理图审查：仔细审查原理图以确定组件类型和数量。

分区：规划如何对电路板进行分区，以有效地分离模拟部分和数字部分。

接口定义：定义接口并确定高速路由需求。

电源架构：规划您的电源架构并确定您的去耦策略。

散热考虑：确定需要冷却的高功率组件。

外壳和装配约束：考虑外壳和装配过程带来的约束。

布线指南：从 IPC 和原始设备制造商等相关来源收集布线指南（原始设备制造商).

定义层堆叠时，需要考虑诸多因素，例如所需的层数、基于性能的介电材料选择、满足电流需求的铜线重量确定，以及必要时添加阻抗控制层。建立电源层和接地层，并仔细规划信号布线层。如果您的设计涉及双面元件布局，请根据需要添加内部散热孔或散热层。此外，还要指定外层的厚度、表面处理和阻焊层要求。有效的规划和堆叠设计为所有子系统的高效布局奠定了基础。

2. 元件放置

规划阶段完成后，下一步就是组件的战略布局：

分组：将相关电路组合在一起，以最大限度地减少互连长度和噪声耦合。

信号路径优化：确保重要网络具有短路径以实现高效的信号传输。

靠近高速 IC：将高速集成电路 (IC) 放置在靠近连接器的位置，以最大限度地减少信号衰减。

元件封装：将元件封装与放置面匹配。

热源分布：分布产生热量的组件，以避免电路板上出现热点。

测试点可访问性：允许访问测试点以进行故障排除和测试。

适合电路板轮廓：确保组件适合电路板轮廓，并在它们之间保持适当的间隙。

标准化方向：标准化极化部件的方向。

返工可达性：考虑返工可达性要求，以便更容易解决组装过程中可能出现的任何问题。

分区布局：如果您的布局被分区以适应不同的功能块或系统，则定义特定的放置区域。

高效的组件放置不仅可以最大限度地缩短互连长度，还可以在考虑组装需求的同时减少噪声耦合和热问题。

3. 信号走线布线

组件安装到位后，下一步涉及在引脚之间路由信号互连：

走线宽度和电流：根据承载的电流使用适当的走线宽度，以避免电压下降和过热。

信号长度：尽量缩短关键信号的长度，尤其是高速时钟，以保持信号完整性。

角度和弯曲指南：布线时避免使用 90° 角，因为这会导致信号反射。建议使用 45° 弯曲。

噪声敏感信号：将噪声敏感信号远离潜在的噪声干扰源，以防止干扰。

隔离通道：在数字和模拟信号走线之间创建隔离通道，以保持信号完整性。

阻抗匹配：根据高频信号的要求，利用阻抗匹配技术。

高速接口：特别注意高速接口的布线，以防止信号衰减。

测试探头可访问性：确保测试探头可以访问测量和调试的关键点。

目视检查：对关键区域进行目视检查，以促进质量控制。

制造空间：在走线之间留出足够的空间以适应制造过程。

智能走线布线对于维持受控阻抗、减少电磁干扰至关重要（EMI)，并在保证 PCB 易于测试和检查的同时保持信号质量。

4. 电源分配与去耦

精心设计的配电网络对于电路的稳定运行至关重要。在此阶段，还必须解决去耦问题：

电源分配：利用电源层和接地层在整个电路板上有效地分配电流。

平面配置：根据您的设计的具体要求，决定分割平面和连续平面。

层堆叠：确保堆叠将信号层夹在电源层之间。

电源连接：使用宽走线或多边形来确保配电的低阻抗连接。

电源的局部过孔：在元件焊盘中添加局部过孔，以将设备直接连接到电源层。

层间互连：包括层间的厚互连以促进电力传输。

去耦电容：将旁路电容放置在同一层上靠近 IC 的位置。

短走线长度：保持电容器和 IC 引脚之间的走线长度最短。

电容器选择：为高频 (HF) 和低频 (LF) 去耦选择合适的电容器。

大容量电容：在整个电路板上分布足够的大容量电容，以维持稳定的电压水平。

有效的配电网络和实施良好的去耦策略确保向电路板上的所有组件输送清洁、稳定的电源。

5.热管理

产生热量的组件需要适当的冷却措施来防止过热。以下是您应该采取的热管理措施：

散热器：确定由于高功率耗散而需要散热器的组件，并确保组件和散热器之间的最大接触。

气流：确保散热器和通风口有足够的气流以促进散热。

热通孔：在热器件焊盘下，使用热 通孔 帮助有效散热。

内部热层：在电路板内加入内部热层，通过通孔连接，以提供有效的散热。

铜平面：在您的设计中集成厚铜平面，以进一步帮助散热。

导热垫：为需要冷却的设备定义导热垫。

发现热点：仔细检查设计中的热点和温度梯度。

高效的热管理可确保从关键大功率组件中散热，防止过热并确保 PCB 的可靠性。

6.机械特性

设计中添加了额外的机械元素和功能，以方便电路板的各个方面：

安装孔：包括具有正确直径和环形环间距的安装孔，以确保牢固连接。

连接器：添加边缘连接器、测试点、指示器、开关和任何其他必要元素。

机械支架：如果需要，可加入支架、夹具和加强件以增强机械稳定性。

组件标记：根据组装和维护的需要清楚地标记组件 ID、极性和额定值。

电路板轮廓：包括带有适当角倒角的电路板轮廓，以便于处理和组装。

装配说明：如有必要，请提供任何所需的装配说明以指导制造过程和组件放置。

这些机械特性有助于 PCB 的安装、组装和使用，从而增加了最终产品的功能和实用性。

7. 完成层堆栈

布线过程完成后，就该确定各个层了：

层审查：仔细审查各个层上的所有布线，并根据需要重新排列以优化设计。

制造间距违规：检查任何可能影响电路板可制造性的间距违规。

层对齐：验证通孔和其他元素的层之间的对齐是否正确。

参考标记：添加参考标记以指导组装过程中各层的对齐。

测试点：在需要探测各个层的地方插入测试点。

平面空隙区域：检查任何可能影响电流的平面空隙区域。

最小环形环：定义通孔的最小环形环以满足制造标准。

边距符合性：确认板边缘的边距符合规定要求。

这些步骤确保详细的内层构建完整并准备好集成到最终设计中。

8. 设计规则检查

下一阶段涉及验证 PCB布局 违反各种设计规则：

电气规则：根据电压水平和绝缘要求检查走线、焊盘和平面之间是否有足够的间距。

布线规则：确保走线宽度、间隙、过孔尺寸以及避免锐角符合设计要求。

制造规则：验证设计是否符合 PCB 制造工艺的能力，例如最小轨道宽度、孔尺寸和间距。

Cadence Allegro 中的 DesignersRule 等工具可以自动执行这些检查，将设计与行业标准（包括 IPC 和 OEM 的标准）进行比较。任何发现的错误都必须解决，以确保 PCB 的可制造性。

9. DFX分析

该流程的后续步骤是使用卓越设计 (DFx) 模拟来验证设计：

信号完整性：利用 IBIS 模型进行模拟，检查信号反射、串扰和时序问题。

电源完整性：模拟配电网络的稳定性，识别共振问题。

热分析：通过使用 IcePak 等工具验证温度曲线，确保设计能够处理温度变化。

EMI/EMC：对辐射和传导发射进行建模，以评估电磁干扰 (EMI) 和电磁兼容性 (EMC)。

机械考虑：进行应力分析、振动和冲击检查，以确保电路板能够承受机械应力。

这些模拟有助于验证设计在投入生产之前是否满足所有功能要求和规格。

10.布局优化

PCB布局过程的最后阶段涉及解决分析和优化期间发现的任何问题：

走线调整：根据需要调整走线宽度、间距和层堆叠配置。

最小化耦合：进行布局调整以最小化走线和组件之间的噪声耦合。

屏蔽和带隙：如有必要，添加屏蔽和带隙以提高信号完整性并减少干扰。

散热和气流改善：优化设计以增强散热和气流，实现高效冷却。

解耦细化：根据分析过程中确定的共振模式细化解耦策略。

走线角度和阻抗匹配：调整走线角度和阻抗匹配以提高信号完整性。

平面形状修改：修改平面形状以降低谐振峰值并最大限度地减少 EMI。

信号重新路由：根据需要重新路由信号以解决 EMI 和 EMC 问题。

迭代过程：继续迭代布局，解决问题并根据分析反馈进行改进，直到实现优化设计。

EMC 和 RF 最佳实践

实现有效的电磁兼容性 (EMC) 和 无线电频率 射频 (RF) 性能除了阻抗控制之外，还涉及一系列最佳设计实践。以下是一些额外的策略：

实体参考平面：保持稳固连续的参考平面对于管理回流和最大程度减少接地环路至关重要。接地平面和电源平面应保持连续，并尽可能靠近信号层，以减小环路面积和电感。这有助于最大程度地减少电磁干扰 (EMI) 并确保信号完整性。

去耦电容器和电源分配：正确放置去耦电容对于稳定电源分配和降低噪声至关重要。去耦电容应策略性地放置在有源元件的电源引脚附近，以便为高频噪声和瞬态电流提供低阻抗路径。此外，针对不同的电压域设计具有适当平面电容的电源分配网络有助于抑制噪声并保持稳定的电源传输。

过滤：在 PCB 设计中加入滤波器可以衰减不需要的射频信号和干扰。可以使用低通、高通、带通和带阻滤波器来选择性地通过或阻止特定频率范围的信号。这些滤波器可以集成到信号路径、电源线或射频传输线中，以增强 EMC 性能并降低对外部干扰的敏感性。

屏蔽：利用诸如覆铜、接地层和金属外壳等屏蔽技术，有助于抑制电磁辐射，防止其影响邻近电路或外部设备。对于易受干扰的射频电路或敏感模拟元件而言，屏蔽尤为重要。外壳应正确接地，以提供有效的屏蔽屏障。

接地和信号隔离：确保正确的接地措施（包括星型接地和信号隔离）对于最大限度地减少接地环路并降低 PCB 不同部分之间的噪声耦合至关重要。将敏感的模拟信号与数字信号隔离并采用差分信号技术可以进一步增强抗噪能力并改善 EMC 性能。

EMC合规性测试：在开发阶段进行全面的 EMC 合规性测试有助于在设计过程的早期识别并解决潜在的 EMC 问题。合规性测试包括将 PCB 置于电磁场中，并根据法规标准评估其性能。通过主动检测和解决 EMC 问题，设计人员可以避免代价高昂的重新设计，并确保符合法规要求。

通过将这些 EMC 和 RF 的最佳设计实践融入 PCB 布局和设计中，工程师可以提高电子系统的整体性能、可靠性和电磁兼容性。有效的 EMC 和 RF 设计不仅可以最大限度地降低电磁干扰的风险，还有助于电子设备在不同环境中的无缝运行。

结语

总而言之，PCB布局设计需要细致的规划和系统化的方法，涵盖分区、层堆叠、元件布局、布线架构、电源分配、热管理、机械特性、设计规则检查、DFx分析和布局优化。遵循这些最佳实践，您可以创建针对电气、热性能和机械性能进行优化的可制造布局，从而为目标应用打造具有最佳信号和电源完整性的可靠PCB。