PCB布板三大規(guī)則分析

一塊優(yōu)秀的電路板，除了在實(shí)現(xiàn)電路原理功能之外，還要考慮EMI,EMC，ESD，信號(hào)完整性等電氣特性，也要考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)，大功耗芯片的散熱問題，在這基礎(chǔ)上再考慮電路板美觀問題。所以，PCB板布線是門藝術(shù)，具體而言是門折衷的藝術(shù)。在開始學(xué)習(xí)摸索PCB布線之前，或許您會(huì)在各式各樣的參考書中看見各式各樣的PCB板布線的規(guī)則，即使許多規(guī)則在一定程度上會(huì)是有相同的內(nèi)涵，可是在不同的實(shí)際布板實(shí)踐中會(huì)有不同的側(cè)重點(diǎn)，甚至規(guī)則之間會(huì)產(chǎn)生沖突。舉個(gè)例子：規(guī)則一信號(hào)傳輸?shù)穆窂皆蕉淘胶?，?guī)則二是在高頻布線要求阻抗匹配。在考慮布DDR MEMORY的總線時(shí)，SOP封裝的MEMERY芯片不可能對(duì)所有的TRACK實(shí)現(xiàn)規(guī)則一,正確的做法是整體考慮阻抗匹配的條件下實(shí)現(xiàn)所有的TRACK相對(duì)最短。因此，實(shí)際布線中規(guī)則之間的不可兼得就會(huì)讓讀者布線過程中自覺的有效的利用這些規(guī)則時(shí)產(chǎn)生種種疑惑，甚至就陷入這樣或者是那樣的一般性的規(guī)則中不知所措。在這就需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)――各種布線規(guī)則只是指導(dǎo)性的，要結(jié)合實(shí)際的布線過程去不斷折衷以取得最大的效用。我想只要在實(shí)際布線中自覺注意這些規(guī)則，或多或少會(huì)對(duì)布線的效果有所幫助。 

1． 模塊化，結(jié)構(gòu)化的思想不僅體現(xiàn)在硬件原理設(shè)計(jì)中，也要反映在布局布線效果中  

如今的硬件平臺(tái)的集成度越來越高，系統(tǒng)越來越復(fù)雜，自然而然也就要求無(wú)論是硬件原理圖的設(shè)計(jì)中還是PCB布線中使用模塊化，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的方法。如果接觸過大規(guī)模的FPGA或是CPLD就知道，復(fù)雜IC的設(shè)計(jì)必然要求采用自上至下的模塊化的設(shè)計(jì)方法。所以作為硬件工程師，在了解系統(tǒng)整體架構(gòu)的前提下，首先應(yīng)該在原理圖和PCB布線設(shè)計(jì)中自覺融合模塊化的設(shè)計(jì)思想。舉個(gè)例子，數(shù)字電視機(jī)頂盒的硬件平臺(tái)的主IC－QAMI5516中就有如下的幾種模塊：  

ST20:主頻180MHZ的32位RISC CPU  

PTI:TRANSPORT STREAM的處理單元  

DISPLAY:MPEG-2解碼，顯示處理單元  

DEMODULATOR:QAM解調(diào)器  

MEMORY INTERFACE：不同應(yīng)用系統(tǒng)所需要不同的MEMORY的接口  

STBUS：各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)通訊總線  

PERIPHERALS:UART,SMARTCARD,IIC,GPIO,PWM等常用外設(shè)  

AUDIO:音頻輸出接口  

VEDIO:視頻輸出接口  

QAMI5516模塊化的設(shè)計(jì)過程，雖然不一定要求硬件工程師了解系統(tǒng)的方方面面，可是必然要求在設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)時(shí)，把在實(shí)際運(yùn)用中使用到的IC不同模塊的接口部分當(dāng)作一個(gè)子系統(tǒng)來處理：例如音頻部分電路和視頻部分電路在布局布線的時(shí)候就應(yīng)該在一個(gè)整體區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。這樣做，不僅延續(xù)了IC模塊化設(shè)計(jì)的思路，而且可以方便在需要進(jìn)行PCB板的物理分隔，減少不同模塊之間的電氣耦合，可以方便整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試。我們知道，硬件調(diào)試中最容易檢查，處理電路原理設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤的方法就是“頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳”，即上述的QAMI5516平臺(tái)中，如果音頻部分電路有問題，首先要做的就是檢查校驗(yàn)音頻模塊。  

模塊化的思想還體現(xiàn)在系統(tǒng)總線的布線上，通?？偩€都區(qū)分為CONCROL BUS,DATA BUS,ADDR BUS,這三類。例如上面QAMI5516中SMI上使用的是一片16M的SDRAM,工作頻率在100MHZ，這就要求這一組總線在布線過程中需要統(tǒng)一成一個(gè)整體來考慮阻抗匹配。在實(shí)際的布線過程中，不可能要把這些線布得七零八落吧。  

模塊化的思想也有利于PCB板的布局。  

模塊化的思想也有利于硬件系統(tǒng)的功能的擴(kuò)展或是更改。 

2． 站在整個(gè)系統(tǒng)的角度上，分析各個(gè)模塊信號(hào)的性質(zhì)，確定其在整個(gè)系統(tǒng)中占據(jù)的地位，從而確定模塊在布局布線的優(yōu)先級(jí)  

布局對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)具有重要的意義，這要求在實(shí)際的布線過程中，對(duì)于各個(gè)模塊的具體處理有輕重緩急之分。一般的布局規(guī)則，都要求區(qū)分模塊是模擬電路，還是數(shù)字電路，是高頻電路還是低頻電路，是主要的干擾源還是敏感的關(guān)鍵信號(hào)等等。因此，在布局之前必須仔細(xì)分析各個(gè)模塊信號(hào)的性質(zhì)包括模塊的屬性，功能，供電電源，具體信號(hào)的頻率，電流的流向，電流強(qiáng)度等，以確定模塊在PCB板上布局。通常，在機(jī)械結(jié)構(gòu)確定的情況下，復(fù)雜的系統(tǒng)還會(huì)有N種不同的布局方式，這需要站在系統(tǒng)的角度上依照一些規(guī)則的折中來找出最優(yōu)化的布局布線。  

在數(shù)字模塊中，都會(huì)有時(shí)鐘，例如SDRAM的CLOCK，而時(shí)鐘電路是影響EMC的主要因素。集成電路的大部分噪聲都與時(shí)鐘頻率及其多次諧波有關(guān)。如果CLOCK信號(hào)是一個(gè)正弦波形式，如果處理不當(dāng)，對(duì)系統(tǒng)會(huì)“貢獻(xiàn)”一個(gè)該頻率或是該頻率的倍頻的干擾源，如果是CLOCK信號(hào)是方波形式，則對(duì)系統(tǒng)“貢獻(xiàn)”一個(gè)雜散頻率的干擾源。同時(shí)，CLOCK還是一個(gè)容易受干擾的信號(hào)，如果CLOCK受到干擾，對(duì)數(shù)字系統(tǒng)的影響可想而知。因此，時(shí)鐘電路模塊是屬于關(guān)鍵模塊，在布局布線過程中優(yōu)先各種規(guī)則考慮其布局布線。  

類似的還有在現(xiàn)在許多的嵌入式硬件系統(tǒng)中的各種各樣的中斷模塊。中斷的觸發(fā)有電平觸發(fā)和邊沿觸發(fā)。曾經(jīng)碰到過一個(gè)設(shè)置為上升沿觸發(fā)的中斷因外界的干擾而不斷的被觸發(fā)，最終導(dǎo)致了RTOS由于處理不過來而堵死的現(xiàn)象。  

按照這一原則來分析二個(gè)簡(jiǎn)單的電路布局。在一個(gè)我接觸到的手機(jī)硬件平臺(tái)中，顯示屏的亮度電路是通過一個(gè)PWM產(chǎn)生的不同脈寬信號(hào)，經(jīng)過一個(gè)RC積分電路建立不同的背光燈電壓來實(shí)現(xiàn)的。PWM信號(hào)和CLOCK相比，在對(duì)整個(gè)系統(tǒng)EMI的影響上在某種意義上是相同的。但是如果仔細(xì)分析一些，就應(yīng)該知道，如果在布線時(shí)，IC的PWM信號(hào)在盡可能短的路徑上建立模擬的電平后才在PCB板上傳輸，也就是說電阻和電容盡可能的靠近PWM管腳放置，這樣可以使PWM對(duì)系統(tǒng)的干擾減小到最小。在手機(jī)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，RF部分和音頻部分是系統(tǒng)的核心，這兩部分的布線占據(jù)絕對(duì)核心的地位，在布線時(shí)置于優(yōu)先考慮的地位。所以在實(shí)際布局布線中，這兩個(gè)模塊的信號(hào)線單獨(dú)布在一中間層，并且在其鄰層使用電源層和地層，把它屏蔽起來，同時(shí)其他模塊盡量遠(yuǎn)離這兩個(gè)模塊，以免引入干擾。另外嘗試著考慮這樣一個(gè)細(xì)節(jié):MIC輸入很小的音頻信號(hào)需要經(jīng)過放大到一定的程度后再輸入到AUDIO ADC中。我們知道抽象意義上的信道傳輸信噪比是衡量噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響?？梢韵嗷⒄?，一個(gè)小的噪聲在音頻信號(hào)放大之前就串?dāng)_就信道和在音頻信號(hào)在放大之后才進(jìn)信道對(duì)音頻指標(biāo)的影響。如果這信道的路徑不得以經(jīng)過一些強(qiáng)干擾源的區(qū)域，建議音頻信號(hào)進(jìn)行放大后再進(jìn)行傳輸。  

再比如在復(fù)雜系統(tǒng)的總線上通常會(huì)掛接類型的設(shè)備，如I2C總線可以掛127個(gè)從設(shè)備，在某些機(jī)頂盒硬件平臺(tái)中通常會(huì)掛上DEMODULATOR,TUNER,E2PROM。這也要求對(duì)不同的設(shè)備對(duì)于分享總線的頻率上加以區(qū)分，對(duì)于使用頻率高的設(shè)備放在相對(duì)比較重要的位置上。例如在上述QAMI5516平臺(tái)上的EMI接口同時(shí)使用了SDRAM，F(xiàn)LASH兩種設(shè)備?；趯?duì)系統(tǒng)的理解，SDRAM放置的是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的運(yùn)行代碼，F(xiàn)LASH是作為一種存儲(chǔ)介質(zhì)，在軟件系統(tǒng)運(yùn)行過程中SDRAM相對(duì)于FLASH有更多的讀寫操作，因此在布線過程中應(yīng)該先考慮SDRAM的位置。 

3． 注重電源完整性，布局布線中優(yōu)先考慮電源和地線的處理  

在任何電子系統(tǒng)中，干擾源對(duì)系統(tǒng)的干擾不外乎通過兩種途徑：一是通過導(dǎo)體的傳遞，二是通過電磁輻射經(jīng)過空間的耦合。在頻率較低的系統(tǒng)中主要是第一種路徑，在高頻系統(tǒng)中也有相當(dāng)部分的干擾原因是通過導(dǎo)體的傳遞，其中比較明顯的就是IC產(chǎn)生的噪聲通過電源和地干擾整個(gè)系統(tǒng)。因此，電源的完整性或者說是電源質(zhì)量對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力具有至關(guān)重要的意義。電源完整性實(shí)際上是信號(hào)完整性的一部分，然而考慮到電源對(duì)于所有系統(tǒng)的重要性，在此單獨(dú)列出。要聲明的是，在實(shí)際系統(tǒng)中，要做到這一點(diǎn)并不容易，系統(tǒng)中總會(huì)有各種不同頻率的噪聲。在電路設(shè)計(jì)和PCB布局布線中只是極力的減小各種頻率的噪聲，從而提高系統(tǒng)的抗噪聲的整體性能。同時(shí)，在復(fù)雜系統(tǒng)中，減少系統(tǒng)的噪聲不是更改一兩電容的值就能夠做到，而是需要注意電源濾波效果的累積。在手機(jī)硬件設(shè)計(jì)中，有專門的PMU來對(duì)管理對(duì)各個(gè)模塊供電，然而PMU都是來自VBAT。無(wú)法想象，如果是敏感的音頻運(yùn)放的供電沒有經(jīng)過濾波的處理，直接取自VBAT，又或者，像給SDRAM供電的電路沒有做濾波處理，任由這部分?jǐn)?shù)字電路的開關(guān)噪聲污染整個(gè)VBAT，會(huì)是有什么樣的后果？  

如果對(duì)電源完整性有了足夠的重視，結(jié)合起前面說過的模塊化和各個(gè)模塊仔細(xì)分析后，這部分還是相對(duì)比較好處理。對(duì)于IC電源VCC通常的規(guī)則一般都會(huì)用旁路電容和去耦電容進(jìn)行處理，并且在布板的時(shí)候盡量讓這類電容靠近IC的電源輸入處。如果在要求苛刻的系統(tǒng)中，還可以對(duì)不同的敏感頻率采用LCCL電路（串接一個(gè)電感或是磁珠，并一個(gè)電解電容，并一個(gè)瓷片電容，再串一個(gè)小的電感，具體值需要依照相應(yīng)頻率確定）濾波。曾經(jīng)做一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，由于在系統(tǒng)的DEMODULATOR上的一路核心電源上沒有使用旁路電容，從而使DEMODULATOR的解調(diào)后的誤碼率高的無(wú)法忍受。對(duì)于系統(tǒng)中各種GND的處理，一般要求分析電流的回流路徑。電流具有總是選擇阻抗最小回流路徑的性質(zhì)。這是一個(gè)核心原則，可以通過這樣一個(gè)事實(shí)來理解：在PCB布線中有“鋪銅”這樣的模式?！颁併~”經(jīng)常會(huì)在網(wǎng)絡(luò)GND上使用，所有的數(shù)字信號(hào)都可以抽象成一個(gè)最基本的門級(jí)電路，GND也就是信號(hào)回流路徑的一部分。GND就是通過“鋪銅”的方式，使信號(hào)的路徑上的總阻抗變小。“就近接地”，“最小化接地阻抗”也正是基于這樣的考慮。  

上面只是拋磚引玉的講述了PCB抄板中的一些感觸頗深的幾點(diǎn)，有了這三個(gè)指導(dǎo)性原則，并結(jié)合具體的許多布線規(guī)則，剩下就是您的態(tài)度問題了。當(dāng)然，畢竟能力和見識(shí)有限，其中難免有所偏頗，不足之處懇請(qǐng)指正。