 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 设计成功的第一步。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。  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。 布局的基本要领 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：  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。 布线的基本要领 在PCB设计中，布线是完成产品设计的重要步骤，可以说前面的准备工作都是为它而做的，在整个PCB中，以布线的设计过程限定最高，技巧最细、工作量最大。 PCB布线有单面布线、双面布线及多层布线。布线的方式也有两种：自动布线及交互式布线，在自动布线之前， 可以用交互式预先对要求比较严格的线进行布线，输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。必要时应加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄生耦合。 自动布线的布通率，依赖于良好的布局，布线规则可以预先设定， 包括走线的弯曲次数、导通孔的数目、步进的数目等。一般先进行探索式布经线，快速地把短线连通，然后进行迷宫式布线，先把要布的连线进行全局的布线路径优化，它可以根据需要断开已布的线。 并试着重新再布线，以改进总体效果。 对目前高密度的PCB设计已感觉到贯通孔不太适应了， 它浪费了许多宝贵的布线通道，为解决这一矛盾，出现了盲孔和埋孔技术，它不仅完成了导通孔的作用，还省出许多布线通道使布线过程完成得更加方便，更加流畅，更为完善，PCB 板的设计过程是一个复杂而又简单的过程，要想很好地掌握它，还需广大电子工程设计人员去自已体会，才能得到其中的真谛。 1 电源、地线的处理 既使在整个PCB板中的布线完成得都很好，但由于电源、 地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，有时甚至影响到产品的成功率。所以对电、地线的布线要认真对待，把电、地线所产生的噪音干扰降到最低限度，以保证产品的质量。 对每个从事电子产品设计的工程人员来说都明白地线与电源线之间噪音所产生的原因， 现只对降低式抑制噪音作以表述： （1）、众所周知的是在电源、地线之间加上去耦电容。 （2）、尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线＞电源线＞信号线，通常信号线宽为：0.2～0.3mm,最经细宽度可达0.05～0.07mm,电源线为1.2～2.5 mm 对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路, 即构成一个地网来使用(模拟电路的地不能这样使用) （3）、用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。或是做成多层板，电源，地线各占用一层。 2 数字电路与模拟电路的共地处理 现在有许多PCB不再是单一功能电路（数字或模拟电路），而是由数字电路和模拟电路混合构成的。因此在布线时就需要考虑它们之间互相干扰问题，特别是地线上的噪音干扰。 数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强，对信号线来说，高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件，对地线来说，整人PCB对外界只有一个结点，所以必须在PCB内部进行处理数、模共地的问题，而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的它们之间互不相连，只是在PCB与外界连接的接口处（如插头等）。数字地与模拟地有一点短接，请注意，只有一个连接点。也有在PCB上不共地的，这由系统设计来决定。 3 信号线布在电（地）层上 在多层印制板布线时，由于在信号线层没有布完的线剩下已经不多，再多加层数就会造成浪费也会给生产增加一定的工作量，成本也相应增加了，为解决这个矛盾，可以考虑在电（地）层上进行布线。首先应考虑用电源层，其次才是地层。因为最好是保留地层的完整性。 4 大面积导体中连接腿的处理 在大面积的接地（电）中，常用元器件的腿与其连接，对连接腿的处理需要进行综合的考虑，就电气性能而言，元件腿的焊盘与铜面满接为好，但对元件的焊接装配就存在一些不良隐患如：①焊接需要大功率加热器。②容易造成虚焊点。所以兼顾电气性能与工艺需要，做成十字花焊盘，称之为热隔离（heat shield）俗称热焊盘（Thermal），这样，可使在焊接时因截面过分散热而产生虚焊点的可能性大大减少。多层板的接电（地）层腿的处理相同。 5 布线中网络系统的作用 在许多CAD系统中，布线是依据网络系统决定的。网格过密，通路虽然有所增加，但步进太小，图场的数据量过大，这必然对设备的存贮空间有更高的要求，同时也对象计算机类电子产品的运算速度有极大的影响。而有些通路是无效的，如被元件腿的焊盘占用的或被安装孔、定们孔所占用的等。网格过疏，通路太少对布通率的影响极大。所以要有一个疏密合理的网格系统来支持布线的进行。 标准元器件两腿之间的距离为0.1英寸(2.54mm),所以网格系统的基础一般就定为0.1英寸(2.54 mm)或小于0.1英寸的整倍数，如：0.05英寸、0.025英寸、0.02英寸等。 6 设计规则检查（DRC） 布线设计完成后，需认真检查布线设计是否符合设计者所制定的规则，同时也需确认所制定的规则是否符合印制板生产工艺的需求，一般检查有如下几个方面： （1）、线与线，线与元件焊盘，线与贯通孔，元件焊盘与贯通孔，贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理，是否满足生产要求。 （2）、电源线和地线的宽度是否合适，电源与地线之间是否紧耦合（低的波阻抗）？在PCB中是否还有能让地线加宽的地方。 （3）、对于关键的信号线是否采取了最佳措施，如长度最短，加保护线，输入线及输出线被明显地分开。 （4）、模拟电路和数字电路部分，是否有各自独立的地线。 （5）后加在PCB中的图形（如图标、注标）是否会造成信号短路。 （6）对一些不理想的线形进行修改。 （7）、在PCB上是否加有工艺线？阻焊是否符合生产工艺的要求，阻焊尺寸是否合适，字符标志是否压在器件焊盘上，以免影响电装质量。 （8）、多层板中的电源地层的外框边缘是否缩小，如电源地层的铜箔露出板外容易造成短路。 7 检查是否有锐角、阻抗不连续点等 （1）对于高频电流来说，当导线的拐弯处呈现直角甚至锐角时，在靠近弯角的部位，磁通密度及电场强度都比较高，会辐射较强的电磁波，而且此处的电感量会比较大，感抗便也比钝角或圆角要大一些。 （2）对于数字电路的总线布线来说，布线拐弯呈现钝角或圆角，布线所占的面积比较小。在相同的线间距条件下，总的线间距所占的宽度要比直角拐弯的少0.3倍。  8 检查3W、3H原则 （1）时钟、复位、100M以上信号以及一些关键的总线信号等与其他信号线布线必须满足3W原则，同层和相邻层无较长平行走线，且链路上过孔尽量少。 （2）高速信号的过孔数量问题，有些器件指导书上一般对高速信号的过孔数量要求比较严格，咨询互连的原则的是除了必须的管脚fanout过孔外，严禁在内层打多余的过孔，他们布过8G的PCIE 3.0的走线，也打过4个过孔，没有问题。 （3）同层时钟及高速信号中心距需严格满足3H（H为走线层到回流平面间距）；相邻层的信号严禁重叠，建议也满足3H的原则，关于上述的串扰问题，有工具可以检查的。  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。
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