PCB布局导航：工程师的最佳实践

PCB 的布局不仅仅关乎外观。成功的 PCB 布局需要对电路进行物理布局，以实现最佳的电子性能，同时确保完全可制造。这需要仔细管理元件库、CAD 设置和参数、元件布局、布线以及电源分配网络 (PDN) 的设计。此外，布局设计师必须确保其工作有完整的文档记录，并确保最终产品能够集成到预期的电子系统中。

有很多工作要做，尤其是对于不熟悉 PCB 布局流程的工程师来说。为了帮助完成此工作流程，建议准备一套全面的 PCB 布局指南以供参考。行业和公司标准将规定设计的细节，但布局指南对于帮助工程师从头到尾完成 PCB 开发流程至关重要。以下是一些基本的 PCB 设计布局指南，可用于制定您自己的 PCB 开发指南。

开始 PCB 布局之前

为确保设计成功，布局过程开始前需要完成几项任务。首要任务之一是建立要使用的 PCB 封装库。

构建 PCB 布局库时，务必遵循行业标准（例如 IPC）或制造商规范来规范封装尺寸和规格。然而，个人、公司或技术要求也可能要求某些元件有所差异。例如，射频设计中的封装可能需要比标准数字设计更小的焊盘尺寸。以下是构建您自己的 PCB 元件封装库的一些额外指南：

• 确保您构建的任何库组件都具有可接受的焊盘图案尺寸，并且间距符合组件的标准。
• PCB 封装应包括所有必要元素，例如零件轮廓、丝网印刷标记和参考指示器。
• 一个好的经验法则是确保您的制造商能够在将您正在设计的零件提交给最终设计之前制造它们。

另一种选择是使用外部 CAD 库提供商提供的 PCB 封装。零件制造商通常会提前为您的设计系统构建自己的组件，并且某些工具具有浏览器，可以方便地下载这些零件。

PCB 外形和层叠

在开始 PCB 布局之前，您需要与机械设计师合作，以获得理想的轮廓形状。虽然设计因素可以稍后更改，但任何更改都可能迫使电路进行大规模重新设计，以适应新的形状。此外，大多数 CAD 工具都接受从机械设计系统导入的数据，从而简化您的工作。但是，即使导入了数据，您仍然需要确保 PCB 轮廓正确，并包含设计所需的所有必要 CAD 元素，例如禁入区。

在开始布局之前，层叠结构也应该完成。虽然之后可以更改，但对现有电路的潜在影响可能会扰乱您的设计进度和预算。层叠结构还应针对您的具体设计进行微调，以确保为阻抗控制布线和其他信号完整性要求提供正确的层配置。在此阶段选择PCB材料也至关重要，以便根据材料的物理特性进行合适的走线宽度和其他设计计算。这些特性包括介电常数、绝缘质量、吸湿率和损耗因子。

CAD 参数和设置

设计师使用 CAD 系统的默认设置并不罕见。然而，大多数 CAD 系统都为用户提供了对颜色、填充图案、阴影以及字体大小和宽度的全面控制。您还可以更改某些对象的显示方式、将一个设计元素放置在另一个设计元素上方、设置网格以及指定布局和布线首选项。这些设置旨在提高您的工作效率，您可以通过提前优化设置来节省时间。

元件放置指南

完成 CAD 库、PCB 轮廓和其他设置任务后，即可开始设计。此过程的第一步是将 PCB 元件封装放置在电路板上。在电路板上放置元件必须满足三个主要要求：电路性能、可制造性和可达性。

电路性能

高速电路需要将其组件尽可能靠近放置，以实现短而直接的信号路径，但并非只有高速电路才有此要求。模拟电路和功率组件也需要放置，使其敏感路径或高电流路径尽可能短。这有助于降低电感并改善信号和电源完整性。然而，在某些情况下，这些组件可能需要分开放置，以便进行总线布线或热隔离。

可制造性

为了尽可能降低生产成本，以尽可能易于制造的方式放置元件至关重要。例如，元件间距过近可能无法自动组装，或者难以通过自动焊接工艺进行焊接。当波峰焊在其前方较小的元件上进行时，较高的片式元件会产生阴影效应，导致焊接连接不良。小型片式元件两个焊盘之间的铜厚不均匀会导致受热不均匀，导致一个焊盘先于另一个焊盘熔化，从而将另一侧拉起。

无障碍服务

电路板通常需要手动测试和返工，这需要接触到需要处理的元器件。如果较大的元器件遮挡了这些元器件，可能会增加工作时间，甚至对相邻元器件造成意外损坏。同样，连接器、开关和其他无法接触到的人机界面也会减慢电路板的生产速度。

一个关键的指导原则是，布局应该从开发板上组件的基本平面图开始。这将帮助您制定策略，划分电路板上的不同电路区域，以避免模拟信号和数字信号重叠。

PCB 布局指南：有效的元件布局有助于布线

PCB布线指南

对于电路板设计师来说，布局电路板以实现最佳信号和电源完整性至关重要。元件应放置在最佳位置，以实现最短、最直接的布线。同时，PCB 布局必须确保所有网络都能完整布线。在高密度设计中，平衡这些要求可能是一项艰巨的挑战。PCB 设计布局的首要准则是设置布线的设计规则和约束。

设计规则和约束

从技术上讲，配置设计规则和约束应该包含在参数和设置中。但是，由于大多数规则直接适用于轨道布线，因此我们在此处将其包含。规则和约束用于控制轨道宽度和间距，可以针对单个网络、网络组（称为网络类）进行设置，也可以作为所有非指定网络的默认设置。设计规则还用于控制为不同网络选择哪些过孔、布线长度和匹配长度，以及允许在哪些层上布线特定网络和布线拓扑。此外，设计规则还用于控制元件间距、丝网印刷规则、机械间隙以及许多其他约束。

信号和电源完整性

为了实现最佳性能和信号完整性，PCB布局设计人员需要遵循特定的电路布线要求。设计规则和约束条件在此发挥作用——它们允许设计人员将物理布线参数输入CAD系统进行布线。虽然具体数值会根据PCB的需求而有所不同，但设计人员通常会设定规则以确保遵循以下准则：

• 高速传输的路线应该短而直。
• 控制阻抗布线的轨道宽度、间距和允许层数。
• 为匹配长度布线指定轨道长度和长度公差。
• 差分对的宽度和间距。
• 时钟和控制等敏感信号的宽度和间距。
• 不同网络的过孔类型。
• 模拟电路的轨道宽度和间距。
• 大电流电源电路的轨道宽度和铜重量。

要记住的另一个重要指导原则是，在混合信号设计中进行布线时，避免模拟和数字布线之间的交叉区域。

有效的电源和接地平面指南

对于现代高速设计，最佳接地策略通常是在内层使用一层或多层连续接地层。这可以提供出色的电磁干扰 (EMI)保护，并确保清晰的信号路径，从而提高整体信号完整性。对于因 PCB 特殊外形或结构而导致接地层不连续的区域，应避免在电路板上的任何接地间隙中进行布线。如果没有连续且相邻的接地层作为清晰的信号回流路径，您的设计可能会产生大量不必要的噪声。以下是一些需要注意的电源和接地层准则：

• 接地层需要与信号层相邻 PCB叠层 采用高速布线。这将有助于屏蔽高速布线免受干扰，并为信号返回路径提供良好的参考平面。
• 使用导热垫，并仔细管理与平面的电源和接地连接。缓冲条的焊盘半径必须足够宽，以承载高电流，同时消除这些连接充当散热器的机会。
• 仔细规划电源连接和分离电源层，以确保向整个 PCB 上的所有连接组件提供足够的电力。

避免在混合信号设计中同时布线模拟和数字电路

丝网印刷和 PCB 测试指南

PCB设计完成后，接下来需要专注于最终布局，包括清理丝印层和添加测试点。参考标记、零件编号和其他公司信息通过丝印工艺用油墨印制在PCB上。设计人员通常在CAD系统中使用“丝印”图层来设计这些标记。

为了确保丝网印刷层标记清晰易读，设计人员应遵循以下准则：

• 线宽不应小于 4 mil。
• 字体大小不应小于 24 mil。

元器件参考标记应根据公司网格图案重新命名，以便于在电路板上定位特定元器件。移动和旋转参考标记，使其易于读取。必要时，应添加极性和引脚标记。

对于用于批量生产、用于自动化装配验证的电路板来说，测试点至关重要。设计中的每个网络都应有一个测试点，无论是现有的通孔引脚、过孔还是新增的表面贴装测试焊盘。测试点应与 PCB 上的其他物体（例如元件或焊盘）至少保持 50 密耳的距离，并与 PCB 边缘至少保持 100 密耳的距离。然而，这些值可能因供应商而异，因此务必检查制造商的测试点要求。