PCB布線設(shè)計(jì)(之一)

自動(dòng)布線的優(yōu)缺點(diǎn)以及模擬電路布線的注意事項(xiàng)
設(shè)計(jì)PCB時(shí)，往往很想使用自動(dòng)布線。通常，純數(shù)字的電路板(尤其信號(hào)電平比較低，電路密度比較小時(shí))采用自動(dòng)布線是沒有問題的。但是，在設(shè)計(jì)模擬、混合信號(hào)或高速電路板時(shí)，如果采用布線軟件的自動(dòng)布線工具，可能會(huì)出現(xiàn)一些問題，甚至很可能帶來嚴(yán)重的電路性能問題。
例如，圖1中顯示了一個(gè)采用自動(dòng)布線設(shè)計(jì)的雙面板的頂層。此雙面板的底層如圖2所示，這些布線層的電路原理圖如圖3a和圖3b所示。設(shè)計(jì)此混合信號(hào)電路板時(shí)，經(jīng)仔細(xì)考慮，將器件手工放在板上，以便將數(shù)字和模擬器件分開放置。
采用這種布線方案時(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，則頂層的器件都通過走線接地。器件還在底層接地，頂層和底層的地線通過電路板最右側(cè)的過孔連接。當(dāng)檢查這種布線策略時(shí)，首先發(fā)現(xiàn)的弊端是存在多個(gè)地環(huán)路。另外，還會(huì)發(fā)現(xiàn)底層的地線返回路徑被水平信號(hào)線隔斷了。這種接地方案的可取之處是，模擬器件(12位A/D轉(zhuǎn)換器MCP3202和2.5V參考電壓源MCP4125)放在電路板的最右側(cè)，這種布局確保了這些模擬芯片下面不會(huì)有數(shù)字地信號(hào)經(jīng)過。
圖3a和圖3b所示電路的手工布線如圖4、圖5所示。在手工布線時(shí)，為確保正確實(shí)現(xiàn)電路，需要遵循一些通用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：盡量采用地平面作為電流回路；將模擬地平面和數(shù)字地平面分開；如果地平面被信號(hào)走線隔斷，為降低對(duì)地電流回路的干擾，應(yīng)使信號(hào)走線與地平面垂直；模擬電路盡量靠近電路板邊緣放置，數(shù)字電路盡量靠近電源連接端放置，這樣做可以降低由數(shù)字開關(guān)引起的di/dt效應(yīng)。
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題，使其可快速明了電路板的布線。廠商的演示板和評(píng)估板通常采用這種布線策略。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)布線為圖3所示電路原理圖設(shè)計(jì)的電路板的頂層

圖2 采用自動(dòng)布線為圖3所示電路原理圖設(shè)計(jì)的電路板的底層

圖3a 圖1、圖2、圖4和圖5中布線的電路原理圖

圖3b 圖1、圖2、圖4和圖5中布線的模擬部分電路原理圖

有無地平面時(shí)的電流回路設(shè)計(jì)
對(duì)于電流回路，需要注意如下基本事項(xiàng)：
1. 如果使用走線，應(yīng)將其盡量加粗。
PCB上的接地連接如要考慮走線時(shí)，設(shè)計(jì)應(yīng)將走線盡量加粗。這是一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則，但要知道，接地線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(yuǎn)的點(diǎn)。
2. 應(yīng)避免地環(huán)路。
3. 如果不能采用地平面，應(yīng)采用星形連接策略(見圖6)。
通過這種方法，地電流獨(dú)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(zhǔn)則，是可以這樣做的。
4. 數(shù)字電流不應(yīng)流經(jīng)模擬器件。
數(shù)字器件開關(guān)時(shí)，回路中的數(shù)字電流相當(dāng)大，但只是瞬時(shí)的，這種現(xiàn)象是由地線的有效感抗和阻抗引起的。對(duì)于地平面或接地走線的感抗部分，計(jì)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的感抗，di是數(shù)字器件的電流變化，dt是持續(xù)時(shí)間。對(duì)地線阻抗部分的影響，其計(jì)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的阻抗，I是由數(shù)字器件引起的電流變化。經(jīng)過模擬器件的地平面或接地走線上的這些電壓變化，將改變信號(hào)鏈中信號(hào)和地之間的關(guān)系(即信號(hào)的對(duì)地電壓)。
5. 高速電流不應(yīng)流經(jīng)低速器件。
與上述類似，高速電路的地返回信號(hào)也會(huì)造成地平面的電壓發(fā)生變化。此干擾的計(jì)算公式和上述相同，對(duì)于地平面或接地走線的感抗，V = Ldi/dt ；對(duì)于地平面或接地走線的阻抗，V = RI 。與數(shù)字電流一樣，高速電路的地平面或接地走線經(jīng)過模擬器件時(shí)，地線上的電壓變化會(huì)改變信號(hào)鏈中信號(hào)和地之間的關(guān)系。

圖4 采用手工走線為圖3所示電路原理圖設(shè)計(jì)的電路板的頂層

圖5 采用手工走線為圖3所示電路原理圖設(shè)計(jì)的電路板的底層

圖6 如果不能采用地平面，可以采用“星形”布線策略來處理電流回路

圖7 分隔開的地平面有時(shí)比連續(xù)的地平面有效，圖b)接地布線策略比圖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(shè)計(jì)為最小阻抗和容抗。
7. 如使用地平面，分隔開地平面可能改善或降低電路性能，因此要謹(jǐn)慎使用。分開模擬和數(shù)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(shù)字網(wǎng)絡(luò)和電源電路的開關(guān)電流隔離開了。這是分隔開接地回路的非常有效的方法，我們?cè)谇懊嬗懻摰膱D4和圖5的布線也采用了這種技術(shù)?！?/p>