淺談ＰＣＢ元器件布局與布線策略

[摘要]本文對最常用的單、雙面PCB元器件布局結(jié)構(gòu)和布線策略的一些問題進(jìn)行了較為詳細(xì)的探討，指出元器件布局的基本要求以及應(yīng)注意的一些事項(xiàng)，介紹了PCB元器件布局的基本操作流程、布局方式和PCB線路布線策略的一些實(shí)際問題，強(qiáng)調(diào)了元器件布局在PCB設(shè)計(jì)過程中的重要性，并重點(diǎn)分析了PCB接地系統(tǒng)、電磁干擾(EMI)及噪聲等比較難解決的問題。

[關(guān)鍵詞]PCB布局結(jié)構(gòu) 布線策略 地平面 EMI

當(dāng)設(shè)計(jì)者規(guī)劃好PCB機(jī)械尺寸并根據(jù)電路原理圖載入元器件封裝后，關(guān)鍵的問題是如何合理布局元器件和正確選擇布線方向。合理的布局和布線，既便于安裝、調(diào)試、檢修和散熱，又可降低電磁干擾(EMI)的可能性及系統(tǒng)環(huán)路產(chǎn)生的噪聲。

盡管多層板在尺寸、噪聲和性能方面具有優(yōu)勢，但成本壓力促使設(shè)計(jì)者采用雙面板，甚至大量使用單面板。因此本文著重討論單、雙面PCB元器件布局結(jié)構(gòu)及布線策略。

一、PCB元器件布局

(一)PCB元器件布局的基本要求

PCB元器件布局應(yīng)從機(jī)械結(jié)構(gòu)、散熱、電磁干擾(EMI)、結(jié)構(gòu)工藝和將來布線的方便性等方面來綜合考慮。對于一塊規(guī)劃好的PCB，設(shè)計(jì)者首先應(yīng)考慮的是與機(jī)械尺寸有關(guān)、體積大且占位置的元器件和核心IC的布局，然后考慮的才是外圍元器件的布局與調(diào)整。

1、機(jī)械結(jié)構(gòu)方面

外部接插件、內(nèi)部接插件、功率散熱器件、感性線圈和顯示器件等機(jī)械尺寸較大的元器件的安裝位置及排列應(yīng)符合機(jī)箱布局的要求，而且還應(yīng)該從三維角度考慮元器件的安放位置，在內(nèi)部接插件的放置上應(yīng)考慮總裝時(shí)機(jī)箱內(nèi)線束的美觀和通風(fēng)。

2、散熱方面

主要考慮發(fā)熱量較大的功率元器件的通風(fēng)問題，有的甚至要求加裝軸流風(fēng)機(jī)(外吹型)。布局大功率器件時(shí)應(yīng)注意與電解電容、晶振等一些怕熱的元器件隔開一定的距離，而且最好將這些發(fā)熱量大的元器件放在機(jī)箱通風(fēng)口附近的PCB處，還應(yīng)注意在雙面板放置元器件時(shí)底層不得放置發(fā)熱量較大的元件。

3、電磁干擾(EMI)方面

應(yīng)充分考慮電感、電容、導(dǎo)線束、布線等相互產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)問題。因此應(yīng)將所有導(dǎo)線的長度盡可能縮短，把模擬電路和高速數(shù)字電路、開關(guān)電源、繼電器、大功率開關(guān)器件等合理地分開，讓它們相互的耦合干擾減至最小。

4、結(jié)構(gòu)工藝方面

對于單面板，插件元器件一律放在頂層；對于雙面板，元器件一般放在頂層，但有時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)的特殊需要，亦可將一些發(fā)熱量小，如貼片電阻、貼片電容、貼片晶體管和貼片IC等元器件放置在PCB的底層。從印制板整體美觀、方便生產(chǎn)制造、安裝、調(diào)試和檢測等方面還要求設(shè)計(jì)者將同一種類的元器件排列，使之分布合理和均勻，比如，可將電阻、電容和IC等元器件進(jìn)行水平、垂直方向的整齊排列，力求達(dá)到整齊美觀、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓に囈蟆?/p>

(二)PCB元器件布局時(shí)應(yīng)注意的一些問題

PCB元器件布局除了要滿足設(shè)計(jì)的基本要求，在具體設(shè)計(jì)過程中還需要注意以下幾個(gè)方面：

1、在對混合信號(hào)電路進(jìn)行布局時(shí)應(yīng)將數(shù)字開關(guān)動(dòng)作器件和模擬信號(hào)電路隔離，防止數(shù)字電路中的電流開關(guān)效應(yīng)產(chǎn)生的開關(guān)噪聲進(jìn)入模擬電路。

2、對于具有高速信號(hào)的電路，高頻元器件要與低頻電路分開，并且高頻電路要靠近電路板的接插件。

3、外部接插件最好布局在電路板的邊緣，以方便安裝和布線。

4、對于單片機(jī)等微處理器的晶振應(yīng)緊靠單片機(jī)IC時(shí)鐘腳的輸入端。

5、關(guān)鍵元器件旁邊的去耦電容應(yīng)緊靠元器件的電源輸入端。

6、元器件布局不但要求整齊、美觀，而且元件封裝標(biāo)號(hào)也不能雜亂無章，以方便安裝、調(diào)試和檢測。

7、IC片的方向應(yīng)保持一致，以方便日后的裝配。

(三)PCB元器件布局的基本流程

雖然EDA軟件能夠?qū)υ骷M(jìn)行自動(dòng)布局，但是結(jié)果往往不盡如人意，有時(shí)甚至根本無法滿足設(shè)計(jì)者的要求。因此，元器件布局一般遵從手動(dòng)布局與自動(dòng)布局相結(jié)合的原則，一般來說，元器件布局可以按此流程操作：核心元器件的手工布局及鎖定—元器件的自動(dòng)布局一手動(dòng)調(diào)整元器件—元器件封裝標(biāo)注的調(diào)整－元件密度分析－3D效果預(yù)覽。

(四)自動(dòng)布局與手動(dòng)布局相結(jié)合的交互布局方式

1、自動(dòng)布局方式

自動(dòng)布局是指EDA按照設(shè)計(jì)者預(yù)先設(shè)定的某些布局規(guī)則進(jìn)行布局，而電路設(shè)計(jì)的一些基本常識(shí)往往被忽略。最簡單的例子是常常把外插件放在PCB的中間，去耦電容沒有緊靠元器件的電源輸入端和接地端，形成回路過長，降低了濾波效果。因此通過EDA的自動(dòng)布局不能達(dá)到理想的效果。雖然元器件的自動(dòng)布局在電路的實(shí)際操作中存在弊端，但它是在綜合多方面布局規(guī)則下完成的一種優(yōu)化，在多數(shù)情況下亦存在許多可取之處，故在某些場合下也常常采用。

2、手工布局方式

手工布局時(shí)，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)實(shí)際電路工作和裝配的需要，以設(shè)計(jì)者的意愿進(jìn)行元器件的布局，所生成布局結(jié)構(gòu)更加符合實(shí)際應(yīng)用的需要，也有利于后面的布線工作。對于一個(gè)有特殊設(shè)計(jì)要求的電路來說，手工布局能百分之百按照設(shè)計(jì)者的意圖進(jìn)行，而自動(dòng)布局一般無法達(dá)到設(shè)計(jì)者的意愿。手工布局存在的不足之處是速度慢、效率低，所耗費(fèi)的精力和時(shí)間比自動(dòng)布局多得多，并且還依賴于設(shè)計(jì)者的學(xué)識(shí)、實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)和靈感，要求設(shè)計(jì)者有很強(qiáng)的全局觀念。因此，手工布局無法保證最好，只能保證最實(shí)用。

3、交互布局方式

根據(jù)自動(dòng)布局和手工布局的優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際工作中，從全局的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)者如果把二者有機(jī)地結(jié)合起來，布局效果一般都很理想。具體的方法是：先對一些體積較大、關(guān)鍵的核心元器件進(jìn)行手工布局并鎖定，再進(jìn)行自動(dòng)布局，最后進(jìn)行手工調(diào)整(包括元器件封裝標(biāo)號(hào)的調(diào)整)。這樣既可以充分利用自動(dòng)布局的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)相對最優(yōu)的高效率布局，又可以滿足電路中某些特殊布局的要求。 在手工布局階段，需要進(jìn)行手工布局及鎖定的元器件一般有：

(1)與機(jī)械尺寸和裝配有關(guān)的元器件，如變壓器、接插件等。

(2)體積較大且占位置的元器件，包括一些帶散熱片的功率件。

(3)發(fā)熱量大的元器件。

(4)核心的元器件，如核心IC等。

(5)高頻時(shí)鐘電路(晶振)。

(6)對電磁干擾敏感的元器件，如電感線圈等。

(7)熱敏、光敏等敏感元器件。

手工調(diào)整元器件布局和封裝標(biāo)注后設(shè)計(jì)者還可以借助EAD輔助工具進(jìn)行密度分析和3D效果預(yù)覽，如果覺得不合理，還可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，力求做到最完美?/p>

二、PCB布線策略

(一)設(shè)置布線規(guī)則的重要性

PCB元器件布局結(jié)束后，就可以對電路板進(jìn)行布線工作了。電路板的布線方式有兩種：自動(dòng)布線和手工布線。不同的電路，布線要求一般是不同的，就算是同一塊電路板，不同的網(wǎng)絡(luò)其布線大小和方向也不同。比如，電源線和電源接地線通過的電流較大，布線要求較寬、回路要短；耦合或邏輯電路只用于傳輸信號(hào)，因此布線相對可以細(xì)些；為了提高電路的抗干擾性能，導(dǎo)線的拐角處應(yīng)采用鈍角或圓角過渡。為了滿足這些要求，布線之前一般需要對布線規(guī)則進(jìn)行設(shè)置。布線規(guī)則設(shè)置是否合理，將直接影響自動(dòng)布線的質(zhì)量和成功率，而且也對手工布線產(chǎn)生較大的影響，設(shè)置布線規(guī)則的選項(xiàng)有很多，這里就不一一詳述了。

(二)自動(dòng)布線的優(yōu)缺點(diǎn)以及手工布線的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

EDA軟件在PCB的自動(dòng)布線上引入了人工智能技術(shù)，拓?fù)溥壿嬜詣?dòng)布線技術(shù)是最新一代的自動(dòng)布線技術(shù)。運(yùn)用自動(dòng)布線一般能夠根據(jù)布線規(guī)則完成線路的布通，所以設(shè)計(jì)者一般會(huì)使用自動(dòng)布線。通常信號(hào)電平比較低、電路密度比較小的數(shù)字電路采用自動(dòng)布線是沒有問題的。但是在設(shè)計(jì)模擬電路、混合信號(hào)或高速電路時(shí)，如果采用EDA軟件的自動(dòng)布線工具，就可能會(huì)出現(xiàn)一些較嚴(yán)重的電路性問題。比如存在多個(gè)地環(huán)路，或者出現(xiàn)地線返回路徑被水平信號(hào)線隔斷的情況。

采用手工布線可以克服上述弊端，但是在進(jìn)行手工布線時(shí)，為確保正確布置電路，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，這樣做可降低由數(shù)字開關(guān)引起的di/dt效應(yīng)，因而能有效地降低電磁干擾引起的噪聲。

(三)地平面或地線電流回路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題

一塊PCB的設(shè)計(jì)成功與否，地平面或地線的布線是關(guān)鍵。在對地平面或地線進(jìn)行布線時(shí)，應(yīng)注意以下幾個(gè)問題。

1、PCB上的接地連線如要考慮走線，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將走線盡量加粗，讓接地回路阻抗最小，這是一個(gè)很好的經(jīng)驗(yàn)法則。

2、應(yīng)避免地環(huán)路。電源線和接地線要進(jìn)行合理配合(比如可以將VCC與GND并行走線)，盡量減少地環(huán)路的面積，實(shí)踐證明環(huán)路面積越大電壓噪聲就越嚴(yán)重，環(huán)路面積越小輻射干擾噪聲就越低。

3、如果不能采用地平面作為電流回路，應(yīng)采用星形連接策略，即所謂的一點(diǎn)接地方式。通過這種方法，地電流獨(dú)立返回電源連接端，避免互相的環(huán)路干擾。

4、數(shù)字電流不應(yīng)流經(jīng)模擬器件，因?yàn)閿?shù)字器件開關(guān)時(shí)，回路中的數(shù)字電流相當(dāng)大，而且是瞬時(shí)的，故很容易在模擬電路中產(chǎn)生電磁干擾，這種現(xiàn)象是由地線的有效感抗和阻抗引起的。地平面或地線的感抗部分的計(jì)算公式為v=Ldi/dt，其中v是感應(yīng)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。對地線阻抗部分的影響，其計(jì)算公式為V=RI，其中，V是感應(yīng)的電壓，R是地平面或接地走線的阻抗，I是由數(shù)字開關(guān)器件產(chǎn)生的平均電流值。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)對地電壓)，所以布地平面或地線時(shí)應(yīng)將數(shù)字地和模擬地徹底分開。

5、高速電流不應(yīng)流經(jīng)低速器件，因?yàn)楦咚匐娐返牡胤祷匦盘?hào)也會(huì)造成地平面或地線的電壓發(fā)生變化。此干擾的計(jì)算公式和上述相同，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)，地線上的電壓變化也會(huì)改變信號(hào)鏈中信號(hào)和地之間的關(guān)系。

(四)地平面或地線布線難題的簡單解決辦法

數(shù)字電路的布線基本上和模擬電路相同，但有一點(diǎn)除外，就是要使數(shù)字信號(hào)線和地平面中的回路盡量遠(yuǎn)離模擬電路。這一點(diǎn)可以通過如下方法來實(shí)現(xiàn)：將模擬地平面單獨(dú)連接到系統(tǒng)地連接端，或者將模擬電路放置在電路板的最遠(yuǎn)端，也就是線路的末端。這樣做是為了保持信號(hào)路徑所受到的外部干擾最小。對于數(shù)字電路就不需要這樣做，數(shù)字電路可容忍地平面上的大量噪聲，而不會(huì)出現(xiàn)問題，所以數(shù)字電路可以采用大面積接地方式(即大面積覆銅)。

(五)模擬電路的純手工布線方式

雖然EDA的自動(dòng)布線有強(qiáng)大的功能，但是對于較為復(fù)雜的模擬電路，電路板的自動(dòng)布線結(jié)果往往不能令人滿意。一方面，在模擬電路中分立元件比較多，造成元器件之間的連線比較復(fù)雜。另一方面，模擬電路常常有大電流信號(hào)傳輸，較長迂回曲折的導(dǎo)線必然導(dǎo)致較大的線路壓降，并且容易對附近的電路產(chǎn)生電磁干擾。在進(jìn)行自動(dòng)布線時(shí)往往因?yàn)椴季€路徑迂回，對于模擬電路十分不利。

因此對于復(fù)雜的模擬電路，通常采用純手工布線方式。在布線過程中，一邊進(jìn)行元器件的布局一邊進(jìn)行電路板手工布線來完成電路板的設(shè)計(jì)。對于有模塊的模擬電路，往往是先完成一個(gè)模塊的手工布局和手工布線，再繼續(xù)另一個(gè)模塊。這種布線策略易于修改，既可以根據(jù)布局來布線，又可以根據(jù)走線來布局，力求修改到最佳狀態(tài)。

(六)自動(dòng)布線與手工布線相結(jié)合的交互布線方式

對于數(shù)字電路，通常采用自動(dòng)布線和手工布線相結(jié)合的交互布線方式。所謂交互布線方式，就是在整個(gè)布線過程中，先對關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行手工預(yù)布線，然后鎖定這些預(yù)布線，接著對剩余的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動(dòng)布線，最后對自動(dòng)布線的電路進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整及修改，使電路布線盡可能地完美。

采用交互布線方式布線既可滿足特殊線路的設(shè)計(jì)要求，又能最大限度地利用強(qiáng)大的拓?fù)溥壿嬎惴▽Σ季€進(jìn)行優(yōu)化，并且最后的手工調(diào)整更能剔除那些不合設(shè)計(jì)者意圖的線路，使布線更加人性化。

需要手工預(yù)布線的線路一般有：1、電源線和接地線。對電源線和接地線進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，預(yù)布線在電路板上不能穿插交錯(cuò)，否則將造成部分區(qū)域的自動(dòng)布線出現(xiàn)混亂，導(dǎo)致信號(hào)線繞的彎路特別長，這不僅影響電路板的整體美觀，而且在高頻電路中產(chǎn)生信號(hào)干擾，甚至使電路不能正常工作。所以對電源線和接地線進(jìn)行預(yù)處理的基本原則就是使電源線和接地線容易到達(dá)元器件，并且整齊、美觀。2、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。PCB中如果存在時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等容易受電磁干擾的元器件，在進(jìn)行布線時(shí)還應(yīng)該進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，具體的方法是在這些元件的背面放置整塊地平面。因此在自動(dòng)布線前保留元器件底層的空間，在元器件的底層放置一塊較大的矩形填充，并進(jìn)行鎖定，使自動(dòng)布線不能從這些矩形塊中通過，布線結(jié)束后最好進(jìn)行地覆銅或電源覆銅。

(責(zé)編 韋 微)