PCB設(shè)計(jì)的核心——解決問題

作者：RS Components全球技術(shù)營銷總監(jiān)Mark Cundle

進(jìn)行印刷電路板（PCB）設(shè)計(jì)是指通過設(shè)計(jì)原理圖紙，進(jìn)行線路布局，以盡可能低的成本生產(chǎn)電路板。過去，這通常需要借助于價(jià)格昂貴的專用工具才能完成，但是現(xiàn)在，隨著免費(fèi)的高性能軟件工具——例如DesignSpark PCB——以及設(shè)計(jì)模型的日益普及，大大加快了電路板設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)速度。

盡管工程設(shè)計(jì)人員知道，一個(gè)完美的設(shè)計(jì)方案是避免問題出現(xiàn)的最佳方式，不過這仍是一種既浪費(fèi)時(shí)間又浪費(fèi)金錢，同時(shí)治標(biāo)不治本的方法。比如，如果在電磁兼容性（EMC）測試階段發(fā)現(xiàn)問題，將會造成大量的成本投入，甚至需要對最初的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整和重新制作，這將耗費(fèi)數(shù)月的時(shí)間。

挑戰(zhàn)

布局是設(shè)計(jì)人員首先要面對的一個(gè)問題。這一問題取決于圖紙中的部分內(nèi)容，一些設(shè)備基于邏輯考慮需要被設(shè)置在一起。但是應(yīng)該注意，對溫度比較敏感的元件，比如傳感器，應(yīng)當(dāng)與包括電源轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的產(chǎn)生熱量的元件分開設(shè)置。對于擁有多種電源設(shè)置的設(shè)計(jì)，12伏和15伏電源轉(zhuǎn)換器，可以分別設(shè)置在電路板的不同位置，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生的熱量和電子噪聲會對其它元件以及電路板的可靠性和性能造成影響。

上述元件也會對電路設(shè)計(jì)的電磁性能造成影響，這不僅僅對于電路板的性能和能耗十分重要，對于電路板經(jīng)濟(jì)性也會帶來很大的影響，因此所有在歐洲銷售的電路板設(shè)備都必須獲得CE標(biāo)志，以證明不會對其它系統(tǒng)造成干擾。不過，這通常只是從電源供應(yīng)方面來說的，還有許多設(shè)備會發(fā)出噪聲，例如DC-DC轉(zhuǎn)換器、以及高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等。由于電路板設(shè)計(jì)存在缺陷， 這些噪聲能夠被信道捕獲，并作為小型天線進(jìn)行輻射，從而產(chǎn)生雜頻噪聲及頻率異常區(qū)域。

遠(yuǎn)場電磁干擾（EMI）問題可以通過在噪聲點(diǎn)加裝濾波器或者使用金屬外殼來屏蔽信號的方式加以解決。但是對電路板上能夠釋放電磁干擾（EMI）的設(shè)備予以充分的重視，卻使得電路板可以選用更廉價(jià)的外殼，從而有效降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。

在電路板的設(shè)計(jì)過程中，電磁干擾（EMI）確實(shí)是一個(gè)不得不重視的因素。電磁串?dāng)_能夠與信道產(chǎn)生耦合，從而將信號打亂為噪聲，影響電路板的整體性能。如果耦合噪聲過高，則信號有可能會被完全覆蓋，因此必須加裝更加昂貴的信號放大器，才能夠恢復(fù)正常。不過，如果在電路板的設(shè)計(jì)之初，就能夠充分考慮到信號線路布局的話，上述問題就可以避免。由于電路板的設(shè)計(jì)會根據(jù)不同設(shè)備、不同使用地點(diǎn)、不同散熱需求、以及不同的電磁干擾（EMI）情況，而有所不同，這時(shí)設(shè)計(jì)模板便派上了大用場。

電容同樣也是電路板設(shè)計(jì)中一個(gè)不容忽視的重要問題，因?yàn)殡娙輹绊懶盘柕膫鞑ニ俣?、增加電量的消耗。信道會與旁邊的線路產(chǎn)生耦合或者垂直穿越兩個(gè)電路層，從而在無意中形成一個(gè)電容器。通過減少平行線路的長度、在其中一條線路上加裝扭結(jié)從而切斷耦合等方式，上述問題可以相對容易地加以解決。不過，這也需要工程設(shè)計(jì)人員充分考慮生產(chǎn)設(shè)計(jì)原則，確保設(shè)計(jì)方案便于制造，同時(shí)避免由于線路彎折角度過大造成的任何噪聲輻射。線路之間的距離也有可能會過近，這將會在線路之間產(chǎn)生短的回路，尤其是在線路彎折處，隨著時(shí)間的推移，會出現(xiàn)金屬“晶須”。設(shè)計(jì)規(guī)則檢測通?？梢詷?biāo)示出回路風(fēng)險(xiǎn)比正常情況更高的區(qū)域。

這一問題在接地層的設(shè)計(jì)中顯得尤為突出。一個(gè)金屬電路層，有可能會與其上方和下方的所有線路形成耦合。盡管該金屬層確實(shí)能夠有效阻隔噪聲，不過該金屬層同時(shí)也會產(chǎn)生伴生電容，影響線路的運(yùn)行速度，并增加電量的消耗。

就多層電路板的設(shè)計(jì)而言，不同電路板層之間的通孔設(shè)計(jì)，恐怕是最具爭議性的一個(gè)問題，因?yàn)橥自O(shè)計(jì)會給電路板的生產(chǎn)制造，帶來許多問題。電路板層之間的通孔，會影響信號的性能，降低電路板設(shè)計(jì)的可靠性，因此應(yīng)當(dāng)予以充分的重視。

解決方案

在印刷電路板（PCB）的設(shè)計(jì)過程中，可以采取許多不同的方法，來解決各種問題。其中既有設(shè)計(jì)方案本身的調(diào)整，比如調(diào)整線路布局，減少噪聲；也有印刷電路板布局方面的方法。設(shè)計(jì)元件可以通過布局工具進(jìn)行自動安裝，不過如果能夠?qū)ψ詣硬季诌M(jìn)行手動調(diào)節(jié)，將有助于提高電路板設(shè)計(jì)的質(zhì)量。通過這一措施，設(shè)計(jì)規(guī)則檢測將借助于技術(shù)文件，確保電路板的設(shè)計(jì)能夠滿足電路板生產(chǎn)廠商的要求。

將不同的電路板層進(jìn)行分隔，可以減少伴生電容，不過，這將增加電路板的層數(shù)，從而增加成本，帶來更多通孔方面的問題。盡管采用正交電網(wǎng)供電系統(tǒng)和接地線路設(shè)計(jì)可能會增加電路板的物理尺寸，但卻可以有效發(fā)揮雙層電路板中接地層的效用，降低電容量和電路板生產(chǎn)制造的復(fù)雜性。

包括DesignSpark PCB在內(nèi)的設(shè)計(jì)工具，在設(shè)計(jì)之初，就可以幫助工程設(shè)計(jì)人員解決許多問題， 不過工程設(shè)計(jì)人員還是需要對印刷電路板（PCB）的設(shè)計(jì)需求有充分的了解。舉例來說，如果印刷電路板（PCB）的編輯人員，在開始設(shè)計(jì)之初便需要對電路板的層數(shù)有所了解，例如，一個(gè)雙層的電路板，則需要有一個(gè)接地層和一個(gè)電源層，兩個(gè)相互獨(dú)立的板層構(gòu)成。 元件自動布局技術(shù)的用處很大，可以幫助設(shè)計(jì)人員花費(fèi)更多的時(shí)間，來對設(shè)備的布局區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如，供電設(shè)備如果與敏感的信號線路或者是溫度較高的區(qū)域距離過近的話，就會產(chǎn)生很多問題。與此相同的是，信號線路也可以進(jìn)行自動布線，同時(shí)避免大部分問題的出現(xiàn)，不過，對高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行分析和手動操作，將有助于大幅度提高印刷電路板（PCB）設(shè)計(jì)的質(zhì)量、提高收益、降低總體成本。

設(shè)計(jì)規(guī)則檢測同樣也是一個(gè)非常有力的工具，能夠?qū)€路進(jìn)行檢測，確保線路之間的距離不至于過近，從而造成回路過短。不過，整體設(shè)計(jì)仍然具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。設(shè)計(jì)規(guī)劃檢測工具同時(shí)也可以用來檢測和調(diào)整電源層與接地層，避免產(chǎn)生大的伴生電容區(qū)域。

上述工具對于Gerber和Excellon也將帶來很大幫助，有助他們?yōu)榱松a(chǎn)出最終的設(shè)計(jì)成品，而進(jìn)行線路和電路板印制，以及通孔鉆孔等方面的工作。這樣一來，技術(shù)文件就與電路板制造商緊密相連。

結(jié)論

在印刷電路板（PCB）的設(shè)計(jì)過程中需要考慮諸多問題，而包括DesignSpark PCB 在內(nèi)的工具，能夠有效地處理其中的大部分問題。通過采用某些最佳實(shí)踐指導(dǎo)原則，工程設(shè)計(jì)人員能夠有效地減少成本、提高電路板的可靠性，同時(shí)滿足系統(tǒng)規(guī)格的要求，以較低的成本彎沉系統(tǒng)認(rèn)證，從而避免出現(xiàn)更多問題。