超強PCB布線設計經驗談【附原理圖】(一)

在當今激烈競爭的電池供電 市場中，由於成本指標限制，設計人員常常使用雙面板。儘管多層板（4層、6層及8層）方案在尺寸、噪聲和性能方面具有明顯優勢，成本壓力卻促使工程師們重新考慮其布線策略，採用雙面板。在本文中，我們將討論自動布線功能的正確使用和錯誤使用，有無地平面時電流迴路的設計策略，以及對雙面板元件布局的建議。

　　自動布線的優缺點以及模擬電路布線的注意事項

　　設計PCB時，往往很想使用自動布線。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）採用自動布線是沒有問題的。但是，在設計模擬、混合信號或高速電路板時，如果採用布線軟體的自動布線工具，可能會出現一些問題，甚至很可能帶來嚴重的電路性能問題。

　　例如，圖1中顯示了一個採用自動布線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，經仔細考慮，將器件手工放在板上，以便將數字和模擬器件分開放置。

　　採用這種布線方案時，有幾個方面需要注意，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 電路板最右側的過孔連接。當檢查這種布線策略時，首先發現的弊端是存在多個地環路。另外，還會發現底層的地線返迴路徑被水平信號線隔斷了。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晶片下面不會有數字地信號經過。

　　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，為確保正確實現電路，需要遵循一些通用的設計 準則：儘量採用地平面作為電流迴路；將模擬地平面和數字地平面分開；如果地平面被信號走線隔斷，為降低對地電流迴路的幹擾，應使信號走線與地平面垂直；模擬電路儘量靠近電路板邊緣放置，數字電路儘量靠近電源連接端放置，這樣做可以降低由數字開關引起的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題，使其可快速明了電路板的布線。廠商的演示板和評估板通常採用這種布線策略。但是，更為普遍的做法是將地平面布在電路板頂層，以降低電磁幹擾。

　　

　　圖1 採用自動布線為圖3所示電路原理圖設計的電路板的頂層

　　

　　圖2 採用自動布線為圖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
有無地平面時的電流迴路設計

　　對於電流迴路，需要注意如下基本事項：

　　1. 如果使用走線，應將其儘量加粗

　　PCB上的接地連接如要考慮走線時，設計應將走線儘量加粗。這是一個好的經驗法則，但要知道，接地線的最小寬度是從此點到末端的有效寬度，此處「末端」指距離電源連接端最遠的點。

　　2. 應避免地環路

　　3. 如果不能採用地平面，應採用星形連接策略（見圖6）

　　通過這種方法，地電流獨立返回電源連接端。圖6中，注意到並非所有器件都有自己的迴路，U1和U2是共用迴路的。如遵循以下第4條和第5條準則，是可以這樣做的。

　　4. 數字電流不應流經模擬器件

　　數字器件開關時，迴路中的數字電流相當大，但只是瞬時的，這種現象是由地線的有效感抗和阻抗引起的。對於地平面或接地走線的感抗部分，計算公式為V = Ldi/dt，其中V是產生的電壓，L是地平面或接地走線的感抗，di是數字器件的電流變化，dt是持續時間。對地線阻抗部分的影響，其計算公式為V= RI， 其中，V是產生的電壓，R是地平面或接地走線的阻抗，I是由數字器件引起的電流變化。經過模擬器件的地平面或接地走線上的這些電壓變化，將改變信號鏈中信 號和地之間的關係（即信號的對地電壓）。

　　5. 高速電流不應流經低速器件

　　與上述類似，高速電路的地返回信號也會 造成地平面的電壓發生變化。此幹擾的計算公式和上述相同，對於地平面或接地走線的感抗，V = Ldi/dt ；對於地平面或接地走線的阻抗，V = RI 。與數字電流一樣，高速電路的地平面或接地走線經過模擬器件時，地線上的電壓變化會改變信號鏈中信號和地之間的關係。

　　

　　圖4 採用手工走線為圖3所示電路原理圖設計的電路板的頂層

　　

　　圖5 採用手工走線為圖3所示電路原理圖設計的電路板的底層

　　

　　圖6 如果不能採用地平面，可以採用「星形」布線策略來處理電流迴路

　　

　　圖7 分隔開的地平面有時比連續的地平面有效，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，接地迴路必須設計為最小阻抗和容抗

　　7. 如使用地平面，分隔開地平面可能改善或降低電路性能，因此要謹慎使用

　　分開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，但是與數字網絡和電源電路的開關電流隔離開了。這是分隔開接地迴路的非常有效的方法，我們在前面討論的圖4和圖5的布線也採用了這種技術。