PCB電路板設(shè)計布線20問答

作者：博維科技 時間：2021-09-17 15:06

01

Q：高頻信號布線時要注意哪些問題？

A：信號線的阻抗匹配；與其他信號線的空間隔離；對于數(shù)字高頻信號，差分線效果會更好。

02

Q：在布板時，如果線密，孔就可能要多，當(dāng)然就會影響板子的電氣性能，怎樣提高板子的電氣性能？

A：對于低頻信號，過孔不要緊，高頻信號盡量減少過孔。如果線多可以考慮多層板。

03

Q：是不是板子上加的去耦電容越多越好？

A：去耦電容需要在合適的位置加合適的值。例如，在模擬器件的供電端口就需要加，并且需要用不同的電容值去濾除不同頻率的雜散信號。

04

Q：一個好的板子它的標(biāo)準(zhǔn)是什么？

A：布局合理、電源線功率冗余度足夠、高頻阻抗、低頻走線簡潔。

05

Q：通孔和盲孔對信號的差異影響有多大？應(yīng)用的原則是什么？

A：采用盲孔或埋孔是提高多層板密度、減少層數(shù)和板面尺寸的有效方法，并大大減少了鍍覆通孔的數(shù)量。

但相比較而言，通孔在工藝上好實現(xiàn)，成本較低，所以一般設(shè)計中都使用通孔。

06

Q：在涉及模擬數(shù)字混合系統(tǒng)的時候，有人建議電層分割，地平面采取整片敷銅，也有人建議電地層都分割，不同的地在電源端點接，但是這樣對信號的回流路徑就遠(yuǎn)了，具體應(yīng)用時應(yīng)如何選擇合適的方法？

A：如果有高頻>20MHz信號線，并且長度和數(shù)量都比較多，那么需要至少兩層給這個模擬高頻信號。一層信號線，一層大面積地，并且信號線層需要打足夠的過孔到地。這樣的目的是：

1. 對于模擬信號，這提供了一個完整的傳輸介質(zhì)和阻抗匹配；
2. 地平面把模擬信號和其他數(shù)字信號進行隔離；
3. 地回路足夠小，因為你打了很多過孔，地又是一個大平面。

07

Q：在電路板中，信號輸入插件在PCB最左邊沿，MCU在靠右邊，那么在布局時是把穩(wěn)壓電源芯片放置在源靠近接插件（電源 IC輸出5V經(jīng)過一段比較長的路徑才到達MCU），還是把電源IC放置到中間偏右（電源IC的輸出5V的線到達MCU就比較短，但輸入電源段線就經(jīng)過比較長一段PCB板）？或是有更好的布局？

A：首先信號輸入插件是否是模擬器件？如果是模擬器件，建議電源布局應(yīng)盡量不影響到模擬部分的信號完整性。因此有幾點需要考慮：

1. 首先穩(wěn)壓電源芯片是否是比較干凈，紋波小的電源？模擬部分的供電，對電源的要求比較高；
2. 模擬部分和ＭＣＵ是否是一個電源，在高精度電路的設(shè)計中，建議把模擬部分和數(shù)字部分的電源分開；
3. 對數(shù)字部分的供電需要考慮到盡量減小對模擬電路部分的影響。

08

Q：在高速信號鏈的應(yīng)用中，對于多ASIC都存在模擬地和數(shù)字地，究竟是采用地分割，還是不分割地？既有準(zhǔn)則是什么？哪種效果更好？

A：迄今為止沒有定論。一般情況下可以查閱芯片的手冊。ADI所有混合芯片的手冊中都是推薦你一種接地的方案，有些是推薦共地、有些是建議隔離地，這取決于芯片設(shè)計。

09

Q：何時要考慮線的等長？如果要考慮使用等長線的話，兩根信號線之間的長度之差最大不能超過多少？如何計算？

A：差分線計算思路：如果傳一個正弦信號，長度差等于它傳輸波長的一半，相位差就是180度，這時兩個信號就完全抵消了。

所以這時的長度差是最大值。以此類推，信號線差值一定要小于這個值。

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Q：高速中的蛇形走線，適合在哪種情況？有什么缺點沒？比如對于差分走線，又要求兩組信號是正交的。

A：蛇形走線，因為應(yīng)用場合不同而具有不同的作用：

1. 如果蛇形走線在計算機板中出現(xiàn)，其主要起到一個濾波電感和阻抗匹配的作用，用于提高電路的抗干擾能力。計算機主機板中的蛇形走線，主要用在一些時鐘信號中，如PCI-Clk、AGPCIK、IDE、DIMM等信號線。
2. 若在一般普通PCB板中，除了具有濾波電感的作用外，還可作為收音機天線的電感線圈等等。如2.4G的對講機中就用作電感。
3. 對一些信號布線長度要求必須嚴(yán)格等長，高速數(shù)字PCB板的等線長是為了使各信號的延遲差保持在一個范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)在同一周期內(nèi)讀取的數(shù)據(jù)的有效性（延遲差超過一個時鐘周期時會錯讀下一周期的數(shù)據(jù)）。
4. 如INTELHUB架構(gòu)中的HUBLink，一共13根，使用233MHz的頻率，要求必須嚴(yán)格等長，以消除時滯造成的隱患，繞線是惟一的解決辦法。
5. 一般要求延遲差不超過1/4時鐘周期，單位長度的線延遲差也是固定的，延遲跟線寬、線長、銅厚、板層結(jié)構(gòu)有關(guān)，但線過長會增大分布電容和分布電感，使信號質(zhì)量有所下降。所以時鐘 IC引腳一般都接端接，但蛇形走線并非起電感的作用。
6. 相反地，電感會使信號中的上升沿中的高次諧波相移，造成信號質(zhì)量惡化，所以要求蛇形線間距最少是線寬的兩倍。信號的上升時間越小，就越易受分布電容和分布電感的影響。
7. 蛇形走線在某些特殊的電路中起到一個分布參數(shù)的LC濾波器的作用。

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Q：在設(shè)計PCB時，如何考慮電磁兼容性EMC/EMI，具體需要考慮哪些方面？采取哪些措施？

A：EMI/EMC設(shè)計必須一開始布局時就要考慮到器件的位置，PCB疊層的安排，重要聯(lián)機的走法， 器件的選擇等。

例如時鐘發(fā)生器的位置盡量不要靠近對外的連接器，高速信號盡量走內(nèi)層并注意特性阻抗匹配與參考層的連續(xù)以減少反射，器件所推的信號之斜率（slew rate）盡量小以降低高頻成分，選擇去耦合（decoupling/bypass）電容時注意其頻率響應(yīng)是否符合需求以降低電源層噪聲。

另外，注意高頻信號電流之回流路徑使其回路面積盡量?。ㄒ簿褪腔芈纷杩筶oop impedance盡量小）以減少輻射。還可以用分割地層的方式以控制高頻噪聲的范圍。

最后，適當(dāng)?shù)倪x擇PCB與外殼的接地點（chassis ground）。

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Q：請問射頻寬帶電路PCB的傳輸線設(shè)計有何需要注意的地方？傳輸線的地孔如何設(shè)置比較合適，阻抗匹配是需要自己設(shè)計還是要和PCB加工廠家合作？

A：這個問題要考慮很多因素。比如PCB材料的各種參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)最后建立的傳輸線模型，器件的參數(shù)等。阻抗匹配一般要根據(jù)廠家提供的資料來設(shè)計。

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Q：在模擬電路和數(shù)字電路并存的時候，如一半是FPGA或單片機數(shù)字電路部分，另一半是DAC和相關(guān)放大器的模擬電路部分。各種電壓值的電源較多，遇到數(shù)模雙方電路都要用到的電壓值的電源，是否可以用共同的電源，在布線和磁珠布置上有什么技巧？

A：一般不建議這樣使用，這樣使用會比較復(fù)雜，也很難調(diào)試。

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Q：在進行高速多層PCB設(shè)計時，關(guān)于電阻電容等器件的封裝的選擇的，主要依據(jù)是什么？常用哪些封裝，能否舉幾個例子。

A：0402是手機常用；0603是一般高速信號的模塊常用；依據(jù)是封裝越小寄生參數(shù)越小，當(dāng)然不同廠家的相同封裝在高頻性能上有很大差異。建議你在關(guān)鍵的位置使用高頻專用元件。

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Q：一般在設(shè)計中雙面板是先走信號線還是先走地線？

A：這個要綜合考慮。在首先考慮布局的情況下，考慮走線。

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Q：在進行高速多層PCB設(shè)計時，最應(yīng)該注意的問題是什么？能否做詳細(xì)說明問題的解決方案。

A：最應(yīng)該注意的是設(shè)計，就是信號線、電源線、地、控制線這些你是如何劃分在每個層的。

一般的原則是模擬信號和模擬信號地至少要保證單獨的一層。電源也建議用單獨一層。

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Q：請問具體何時用2層板，4層板，6層板？在技術(shù)上有沒有嚴(yán)格的限制（除去體積原因）？是以CPU的頻率為準(zhǔn)還是其和外部器件數(shù)據(jù)交互的頻率為準(zhǔn)？

A：采用多層板首先可以提供完整的地平面，另外可以提供更多的信號層，方便走線。

對于CPU要去控制外部存儲器件的應(yīng)用，應(yīng)以交互的頻率為考慮，如果頻率較高，完整的地平面是一定要保證的，此外信號線最好要保持等長。

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Q：PCB布線對模擬信號傳輸?shù)挠绊懭绾畏治?，如何區(qū)分信號傳輸過程中引入的噪聲是布線導(dǎo)致還是運放器件導(dǎo)致？

A：這個很難區(qū)分，只能通過PCB布線來盡量避免布線引入額外噪聲。

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Q：對高速多層PCB來說，電源線、地線與信號線的線寬設(shè)置為多少是合適的，常用設(shè)置是怎樣的，能舉例說明嗎？例如工作頻率在300Mhz的時候該怎么設(shè)置？

A：300MHz的信號一定要做阻抗仿真計算出線寬和線和地的距離；電源線需要根據(jù)電流的大小決定線寬，在混合信號PCB的時候一般就不用“線”來表示地了，而是用整個平面，這樣才能保證回路電阻最小，并且信號線下面有一個完整的平面。

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Q：怎樣的布局才能達到最好的散熱效果？

A：PCB中熱量的來源主要有三個方面：電子元器件的發(fā)熱；PCB本身的發(fā)熱；其它部分傳來的熱。

在這三個熱源中，元器件的發(fā)熱量最大，是主要熱源，其次是PCB板產(chǎn)生的熱，外部傳入的熱量取決于系統(tǒng)的總體熱設(shè)計，暫時不做考慮。

那么熱設(shè)計的目的是采取適當(dāng)?shù)拇胧┖头椒ń档驮骷臏囟群蚉CB板的溫度，使系統(tǒng)在合適的溫度下正常工作。主要是通過減小發(fā)熱，和加快散熱來實現(xiàn)。