Layout基础知识

　　PCB Layout是硬件电子设备必不可少的一个环节，PCB Layout的规范及质量直接影响硬件设备的功能、性能、可靠性等，所以应对PCB Layout加以重视。本文章对针对大厂PCB Layout的情况做一个简单的介绍。

　　1.PCB Layout工程师的工作内容

　　（1）设计新元件封装和维护现有封装库；

　　（2）布局元器件：

　　（3）布局走线；

　　（4）调节等长；

　　（5）布局丝印文字；

　　（6）检查和消除DRC；

　　（7）输出Gerber文件。

　　2.与PCB Layout工程师相关的人员

　　（1）电子工程师（Electronic Engineer）；

　　　　♦提供电路图及零件资料；

　　　　♦提出电气回路要求；

　　　　♦提出布局位置要求；

　　　　♦提出走线方式要求。

　　（2）机构工程师（Mechanical Engineer）

　　　　♦提供机构尺寸图；

　　　　♦提供输入输出装置；

　　　　♦提供Heat Sink资料；

　　　　♦提供机构限制注意事项。

　　（3）EMI Engineer

　　　　♦提供电磁辐射要求及注意事项。

　　（4）PCB板制造厂商

　　　　♦提供PCB制程能力要求，如：可达最小线宽、线距。

　　3.PCB Layout Placement考虑点

　　（1）电气特性：在布局元器件时希望将某些元器件靠在一起摆放，以缩短电路上的回路路径，降低干扰，减少电感量。

　　（2）布线：关系密切的元器件或相关电路模块应放在一起，否则会增加布线的距离、难度和复杂度。

　　（3）测试性：需要测试的元器件最好摆放在板边，以方便测试和拆换。保证测试点能被看得到、接触到为原则。

　　（4）机构组装：依据机构工程师提供的要求进行特殊元器件的布局，比如依据限高区域、输入输出位置等要求进行布局。

　　（5）散热性：会产生热量的元器件不要紧靠摆放，务必将它们分散；元器件尽量平行于风流方向，不要阻挡到风以提高散热。电路板会因为热不平衡造成弯翘现象，进而使焊点受损，降低可靠性。

　　（6）制程：元器件排列方向，决定波焊方向。若有元器件的阻隔（元器件太高或太靠近），会使得后面的焊点（波焊方向）得不到良好的焊接而产生阴影效应或吃锡不均匀产生墓碑效应。另外，尽量使元器件的极性方向同向，同一轴向、同一孔距、仅需一个置件头，以提高SMT自动插件效率，增加产量、减少错误，增加可靠度。

　　（7）美观性：元器件排列整齐，不但美观，还能有较好的散热效果。

　　4.PCB Layout相关资讯

　　（1）串扰（Cross Talk）:指当布线密度增加、平行走线距离过长，会使得两线传输线的互容、互感，将能量耦合至相邻的传输线上。

图2　 传输线串扰

　　针对串扰的Layout对策有：a.在平行线中加入地线，且每一段距离就打Via至GND，可降低互容及具屏蔽效用；b.不同层（特别使相邻层）时要互相垂直走线；c.每走一段距离平行线，两者间的间距加大；如下图3所示。

 图3　串扰Layout对策

　　（2）反射现象：指当布线的弯角、分歧的线路太多所造成的现象，使得传输线上产生阻抗不匹配，如下图4所示。

图4　弯角、分歧造成反射

　　针对反射的Layout对策是减少线路上的弯角及分歧线，或避免直角走线及分歧线补强，如下图5所示。

图5　反射Layout对策

　　（3）滤波和旁路电容走线：在Layout走线时，往往会忽略摆放在IC旁边的旁路电容、输入输出的滤波电容，使得电容功用失效，无法抑制电路所产生的杂讯。故在走线时，一定要注意走线顺序，主要有：a.外部电源输入→滤波电容→旁路电容→后级电路；b.内部电源→滤波电容→输出；c.内部电源→旁路电容→IC引脚。

　　旁路（By pass）电容的作用:一般IC的电晶体的OFF→ON会对杂散电感产生反电压：V=-L（di/dt），会造成VCC电压略降，GND电压略升；而ON→OFF则反之。如此升降关系杂讯便传出去了，在VCC引脚旁加上一个小电容的话，便可产生充放电的动作，引导杂讯进入GND，使杂讯不至于扩大。

 图6　旁路电容

　　（4）3W原则：指为了减少串扰（Cross talk）的发生于EMI的问题，线路的间距需大于线宽的3倍以上。注意3W算的是两相邻线的中心距离，但差分线对间的最小中心距离可以是2W。

图7　3W间距

　　（5）20H法则：指多层板内VCC与GND两层参考的边缘对齐时，会向自由空间发射RF电磁波，此效应称为层间耦合Fringing，如下图8所示。

图8 　层间耦合

　　将VCC内缩20倍的介质厚度（H），即可消除70%的边缘磁通量，故其称为20H法则。若做到100H则可消除90%的磁通量，如下图9所示。

图9　VCC内缩消除磁通量

　　（6）层别安排：指多层板Layout时，a.需确定各层易受干扰的信号位置，将较敏感信号放中间；b.选出上、下层来提供较佳的屏蔽；c.可将敏感较高电路与高杂讯电路用地隔离；d.如走线空间不足，可考虑走内层VCC层，若不能走VCC层就走GND层，但走线要短。下图10是多层板Layout各层别的规划参考，并标识了高速、低速和EMC优先走线层别。

 图10　层别规划参考

　　（7）孔的类别：Layout线路用到的孔有以下图11所示的三种。

　　　　a.贯孔:为贯穿整个板子用于连接各层线路的导通孔，为最常用孔。优点是制板成本低；缺点是较浪费走线空间。常见贯孔尺寸有：8mil/16mil（内径/外径）、10mil/20mil、12mil/22mil，16mil/28mil，内径可选的最小值与板厚和板厂制程能力有关，1.6mm的板厚建议孔最小内径用10mil。信号线最好选择可用的最小内径孔，而大电流线最好选择16mil/28mil的孔。

　　　　b.盲孔：用于多层板，为连接板子最上两层或最下两层的线路。优点是可增加走线、布局空间；缺点是制板成本高。

　　　　c.埋孔：用于多层板，为连接板子内层走线。优点是可增加走线、布局空间；缺点是制板成本高。

图11　孔的类别

　　（8）接地：Layout接地一般分为浮点接地、单点接地和多点接地，其中；

　　　　a.浮点接地：多应用于测量仪器、医学仪器等。优点是使设备和外壳绝缘，外壳感应杂讯不导入电路；缺点是因设备与外壳绝缘，故需保持绝缘阻抗在1M以上，对大系统及高频信线路而言相当困难。若系统感应高电压，因无法接地By pass，故对操作者会产生危险。浮点接地如下图12所示。

图12　浮点接地

　　　　b.单点接地（串接）：多应用于低频电路（0-30KHz）。优点是最经济；缺点是导入的杂讯最多，有电压降的问题。单点接地串接法如下图13所示。

图13　单点接地串接法

　　　　c.单点接地（并接）：多应用与低频电路（0-300KHz）。优点是可避免串接时所造成接地电压降的问题；缺点是使接地线配长度增加。单点接地并接法如下图14所示。

 

图14　单点接地并接法

　　　　d.多点接地：多应用于多层板电路和高频电路。优点是接地的导线短，减少R、L的阻抗，各部分的电路连接到最近的阻抗接地面，有较好的地回路；缺点是制造成本高。多点接地法如下图15所示

图15　多点接地法