掌握 PCB 设计：策略、指南和最佳实践

PCB如同电子电路的骨​​架和神经系统，在电子工程项目中扮演着举足轻重的角色。然而，许多人对PCB设计缺乏了解或知识不足。

大学期间，我对电路板和硬件电路设计特别感兴趣，并刻苦钻研。当时，我理想中的工作是毕业后在办公室从事计算机辅助设计（CAD）工作。毕业后，我成功进入广州一家电子公司，担任PCB工程师。最初，我需要精通各种工作，包括原理图绘制、元器件选型、PCB布局、原型焊接、调试、物料清单（BOM）创建以及作业指导书的编写。这段经历标志着我电子行业生涯的开始。

原理图在PCB设计中的重要作用

虽然好的原理图并不能保证良好的布线，但高质量的布线始于好的原理图。创建原理图时，需要周密的考虑，并仔细关注整个电路的信号流。原理图中从左到右的平滑稳定的信号流应该转化为PCB上同样良好的信号流。建议在原理图中提供尽可能多的有用信息。

有时，当电路设计工程师无法提供服务时，客户可能会请求我们协助解决电路问题。从事这项工作的设计师、技术人员和工程师通常对此表示感谢，我们也是如此。除了参考标识符、功耗和容差等常见信息外，原理图中还应包含哪些其他信息？以下建议可以将普通的原理图提升为一流的原理图：包含波形图、外壳的机械信息、印刷线长度、空白区域；标明哪些元件应放置在PCB上；提供调整信息、元件值范围、散热信息、受控阻抗印刷线、注释、简明的电路动作描述等等。

PCB设计中有效协作的指南

如果您并非自行设计布线，务必预留充足的时间仔细审查布线设计师的工作。此时，一点小预防措施胜过百般补救。不要想当然地认为布线人员能够理解您的想法。在布线设计过程的初始阶段，您的意见和指导至关重要。您提供的信息越多，在整个布线过程中参与度越高，最终的PCB效果就越好。为布线设计师设定一个临时完成点——根据您的预期布线快速审查布线进度——可以防止布线偏离轨道，从而最大限度地降低返工的可能性。

给布线工程师的指导应包括：电路功能的简要说明、标明输入和输出位置的 PCB 原理图、PCB 堆叠信息（例如，电路板厚度、层数、每个信号层和接地平面的详细信息——电源、接地、模拟信号、数字信号和 RF 信号）；每层需要哪些信号；关键元件的放置要求；旁路元件的确切位置；哪些印刷线路是关键的；哪些线路需要控制阻抗印刷；哪些线路需要匹配的长度；元件尺寸；哪些印刷线路需要保持分开（或靠近）；哪些线路需要保持分开（或靠近）；哪些元件需要保持分开（或靠近）；哪些元件需要放置在 PCB 的顶部，哪些需要放置在底部。永远不要抱怨向别人提供太多信息——太少了吗？是的；太多了吗？不是的。

从错误中学习：元器件布局在复杂 PCB 设计中的重要性

大约10年前，我设计了一块多层表面贴装电路板——电路板的两面都有元器件。由于抗震要求非常严格，电路板被固定在一个镀金铝制外壳中，并用许多螺钉固定。电路板上有一些用于偏置供电的引脚。这是一个非常复杂的设备。电路板上的一些元器件用于设置（SAT）测试。然而，我已经明确指定了这些元器件的位置。你能猜出这些元器件都安装在哪里了吗？没错，它们都安装在电路板的底部。当产品工程师和技术人员不得不拆卸整个设备、完成设置，然后重新组装时，他们很不满意。从那以后，我再也没有犯过同样的错误。

通过战略电路布局提高PCB效率

就像在PCB中一样，位置决定一切。电路在PCB上的位置、特定电路元件的安装位置以及与其相邻的其他电路都至关重要。

通常，输入、输出和电源的位置是预先确定的，但它们之间的电路需要一定的“创造力”。正因如此，关注布线细节将带来显著的回报。从关键元器件的位置开始，考虑具体的电路和整个PCB。从一开始就明确关键元器件的位置和信号路径有助于确保设计达到预期的运行目标。一次性获得正确的设计可以降低成本和压力，并缩短开发周期。

另外，我们来讨论一下PCB上的那些“特殊焊盘”：

一、泪滴焊盘泪滴焊盘是焊盘与导体或导体与过孔之间的滴状连接。设置泪滴的目的是为了防止电路板受到巨大的外力时，导体与焊盘或导体与过孔之间的接触点断开，同时也使PCB电路板看起来更加美观。泪滴焊盘的作用是防止信号线宽度突然变窄，可以使走线与元件焊盘之间的连接更加顺畅，解决焊盘与走线之间的连接容易断裂的问题。

1. 在焊接时，可以保护焊盘，防止焊盘在多次焊接过程中脱落。
2. 增强连接的可靠性（避免生产中因蚀刻不均匀、过孔偏移而引起的裂纹）
3. 平滑阻抗，减少阻抗的急剧变化在PCB设计中，为了使焊盘更加坚固，防止机械制板时焊盘与导体断开，往往在焊盘与导体之间设置一个过渡区，形状像泪滴状，因此常被称为泪滴（Teardrops）。

其次，放电齿。这个部件被称为放电齿、放电间隙或火花间隙。火花间隙由一对尖角指向彼此的三角形组成，三角形尖端之间的距离最大为 10 mil，最小为 6 mil。其中一个三角形接地，另一个连接到信号线。这个三角形并非元件，而是由 PCB 布线过程中使用的铜箔层构成。这些三角形必须放置在 PCB 的顶层（元件面），并且不能被阻焊层覆盖。

1. 在开关电源的浪涌测试或ESD测试中，共模电感两端会产生高电压，从而产生电弧。如果与周围元器件距离较近，可能会损坏周围元器件。因此，可以在共模电感两端并联放电管或压敏电阻，限制其电压，起到熄灭电弧的作用。虽然放置浪涌保护器有效，但成本相对较高。
2. 另一种方式是在PCB设计时在共模电感的两端增加放电齿，让电感通过放电齿的两个尖端放电，避免通过其他路径放电，从而最大程度地减少对周边及后级元器件的影响。

放电间隙不需要额外的成本，只需要在画板时画在PCB上就可以了，但需要注意的是，这种形式的放电间隙是空气形式的放电间隙，只能用于偶尔发生ESD的环境。如果在经常发生ESD的环境中使用，由于频繁放电，三角形的两点处会积碳，最终导致放电间隙短路，造成信号线对地永久短路，从而导致系统故障。

其实PCB设计有很多乐趣，但只有实践了才会深刻体会。如果朋友们看完本文后对PCB设计有什么感想，可以联系我们交流。

对于生产计划而言，在最终确定制造或组装方案之前，将此主题与PCB 材料选择和表面处理进行比较也很有帮助。

结语

PCB 设计在电子领域至关重要，构成了电路的核心。然而，人们对它的理解往往有限。详尽的原理图、详细的波形、机械结构和布局，是高质量布线的基础。严格的审查、清晰的沟通以及早期的路径/元件规范，可以有效预防问题，确保满意度并优化效率。专用焊盘（泪滴状焊盘、放电齿状焊盘）可防止脱落并降低高压，从而提高可靠性。经验和知识共享是掌握 PCB 设计的关键。