PCB布線(xiàn)設計經(jīng)驗，很強很全面

當今激烈競爭的電池供電 市場(chǎng)中，由于成本指標限制，設計人員常常使用雙面板。盡管多層板(4層、6層及8層)方案在尺寸、噪聲和性能方面具有明顯優(yōu)勢，成本壓力卻促使工程師們重新考慮其布線(xiàn)策略，采用雙面板。

在本文中，我們將討論自動(dòng)布線(xiàn)功能的正確使用和錯誤使用，有無(wú)地平面時(shí)電流回路的設計策略，以及對雙面板元件布局的建議。

自動(dòng)布線(xiàn)的優(yōu)缺點(diǎn)以及模擬電路布線(xiàn)的注意事項

設計PCB時(shí)，往往很想使用自動(dòng)布線(xiàn)。通常，純數字的電路板(尤其信號電平比較低，電路密度比較小時(shí))采用自動(dòng)布線(xiàn)是沒(méi)有問(wèn)題的。但是，在設計模擬、混合信號或高速電路板時(shí)，如果采用布線(xiàn)軟件的自動(dòng)布線(xiàn)工具，可能會(huì )出現一些問(wèn)題，甚至很可能帶來(lái)嚴重的電路性能問(wèn)題。

例如，圖1中顯示了一個(gè)采用自動(dòng)布線(xiàn)設計的雙面板的頂層。此雙面板的底層如圖2所示，這些布線(xiàn)層的電路原理圖如圖3a和圖3b所示。設計此混合信號電路板時(shí)，經(jīng)仔細考慮，將器件手工放在板上，以便將數字和模擬器件分開(kāi)放置。

采用這種布線(xiàn)方案時(shí)，有幾個(gè)方面需要注意，但最麻煩的是接地。如果在頂層布地線(xiàn)，則頂層的器件都通過(guò)走線(xiàn)接地。器件還在底層接地，頂層和底層的地線(xiàn)通過(guò) 電路板最右側的過(guò)孔連接。當檢查這種布線(xiàn)策略時(shí)，首先發(fā)現的弊端是存在多個(gè)地環(huán)路。另外，還會(huì )發(fā)現底層的地線(xiàn)返回路徑被水平信號線(xiàn)隔斷了。這種接地方案的可取之處是，模擬器件(12位A/D轉換器MCP3202和2.5V參考電壓源MCP4125)放在電路板的最右側，這種布局確保了這些模擬芯片下面不會(huì )有數字地信號經(jīng)過(guò)。

圖3a和圖3b所示電路的手工布線(xiàn)如圖4、圖5所示。在手工布線(xiàn)時(shí)，為確保正確實(shí)現電路，需要遵循一些通用的設計 準則：盡量采用地平面作為電流回路；將模擬地平面和數字地平面分開(kāi)；如果地平面被信號走線(xiàn)隔斷，為降低對地電流回路的干擾，應使信號走線(xiàn)與地平面垂直；模擬電路盡量靠近電路板邊緣放置，數字電路盡量靠近電源連接端放置，這樣做可以降低由數字開(kāi)關(guān)引起的di/dt效應。

這兩種雙面板都在底層布有地平面，這種做法是為了方便工程師解決問(wèn)題，使其可快速明了電路板的布線(xiàn)。廠(chǎng)商的演示板和評估板通常采用這種布線(xiàn)策略。但是，更為普遍的做法是將地平面布在電路板頂層，以降低電磁干擾。

圖1 采用自動(dòng)布線(xiàn)為圖3所示電路原理圖設計的電路板的頂層

圖2 采用自動(dòng)布線(xiàn)為圖3所示電路原理圖設計的電路板的底層

圖3a 圖1、圖2、圖4和圖5中布線(xiàn)的電路原理圖

圖3b 圖1、圖2、圖4和圖5中布線(xiàn)的模擬部分電路原理圖

有無(wú)地平面時(shí)的電流回路設計

對于電流回路，需要注意如下基本事項：

1. 如果使用走線(xiàn)，應將其盡量加粗

PCB上的接地連接如要考慮走線(xiàn)時(shí)，設計應將走線(xiàn)盡量加粗。這是一個(gè)好的經(jīng)驗法則，但要知道，接地線(xiàn)的最小寬度是從此點(diǎn)到末端的有效寬度，此處“末端”指距離電源連接端最遠的點(diǎn)。

2. 應避免地環(huán)路
3. 如果不能采用地平面，應采用星形連接策略(見(jiàn)圖6)

通過(guò)這種方法，地電流獨立返回電源連接端。圖6中，注意到并非所有器件都有自己的回路，U1和U2是共用回路的。如遵循以下第4條和第5條準則，是可以這樣做的。

4. 數字電流不應流經(jīng)模擬器件

數字器件開(kāi)關(guān)時(shí)，回路中的數字電流相當大，但只是瞬時(shí)的，這種現象是由地線(xiàn)的有效感抗和阻抗引起的。對于地平面或接地走線(xiàn)的感抗部分，計算公式為V = Ldi/dt，其中V是產(chǎn)生的電壓，L是地平面或接地走線(xiàn)的感抗，di是數字器件的電流變化，dt是持續時(shí)間。對地線(xiàn)阻抗部分的影響，其計算公式為V= RI, 其中，V是產(chǎn)生的電壓，R是地平面或接地走線(xiàn)的阻抗，I是由數字器件引起的電流變化。經(jīng)過(guò)模擬器件的地平面或接地走線(xiàn)上的這些電壓變化，將改變信號鏈中信 號和地之間的關(guān)系(即信號的對地電壓)。

5. 高速電流不應流經(jīng)低速器件
與上述類(lèi)似，高速電路的地返回信號也會(huì ) 造成地平面的電壓發(fā)生變化。此干擾的計算公式和上述相同，對于地平面或接地走線(xiàn)的感抗，V = Ldi/dt ；對于地平面或接地走線(xiàn)的阻抗，V = RI 。與數字電流一樣，高速電路的地平面或接地走線(xiàn)經(jīng)過(guò)模擬器件時(shí)，地線(xiàn)上的電壓變化會(huì )改變信號鏈中信號和地之間的關(guān)系。

圖4 采用手工走線(xiàn)為圖3所示電路原理圖設計的電路板的頂層

圖5 采用手工走線(xiàn)為圖3所示電路原理圖設計的電路板的底層

圖6 如果不能采用地平面，可以采用“星形”布線(xiàn)策略來(lái)處理電流回路

圖7 分隔開(kāi)的地平面有時(shí)比連續的地平面有效，圖b)接地布線(xiàn)策略比圖a) 的接地策略理想

6. 不管使用何種技術(shù)，接地回路必須設計為最小阻抗和容抗
7. 如使用地平面，分隔開(kāi)地平面可能改善或降低電路性能，因此要謹慎使用
分開(kāi)模擬和數字地平面的有效方法如圖7所示

圖7中，精密模擬電路更靠近接插件，但是與數字網(wǎng)絡(luò )和電源電路的開(kāi)關(guān)電流隔離開(kāi)了。這是分隔開(kāi)接地回路的非常有效的方法，我們在前面討論的圖4和圖5的布線(xiàn)也采用了這種技術(shù)。

工程領(lǐng)域中的數字設計人員 和數字電路板設計專(zhuān)家在不斷增加，這反映了行業(yè)的發(fā)展趨勢。盡管對數字設計的重視帶來(lái)了電子產(chǎn)品的重****展，但仍然存在，而且還會(huì )一直存在一部分與模擬或現實(shí)環(huán)境接口的電路設計。模擬和數字領(lǐng)域的布線(xiàn)策略有一些類(lèi)似之處，但要獲得更好的結果時(shí)，由于其布線(xiàn)策略不同，簡(jiǎn)單電路布線(xiàn)設計就不再是最優(yōu)方案了。本 文就旁路電容、電源、地線(xiàn)設計、電壓誤差和由PCB布線(xiàn)引起的電磁干擾(EMI)等幾個(gè)方面，討論模擬和數字布線(xiàn)的基本相似之處及差別。