【導(dǎo)讀】PCB設(shè)計(jì)雖然可能會很復(fù)雜，但采用很少的技巧和實(shí)踐就能夠設(shè)計(jì)很好的電路板。使用本文列出的指南，需要時加強(qiáng)研究，經(jīng)驗(yàn)豐富的老手會不斷增強(qiáng)技巧，而設(shè)計(jì)新手可以學(xué)習(xí)開發(fā)超出預(yù)期的高質(zhì)量PCB。
現(xiàn)代電子系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分是電路。銷售的每一部件構(gòu)成了電路以及電路與用戶接口的互聯(lián)，這一般通過印刷電路板(PCB)來實(shí)現(xiàn)。便攜式電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)和娛樂設(shè)備中有大量的PCB。它不僅銷售給消費(fèi)類產(chǎn)品，而且還用于測試設(shè)備、制造和航天領(lǐng)域。本文將介紹正式而又全面的設(shè)計(jì)指南，工程師、技術(shù)人員或者PCB新設(shè)計(jì)人員可以參照這一指南來開發(fā)高質(zhì)量PCB，不論出于何種目的，都能夠充滿信心的確保全功能PCB滿足甚至超出最初的目標(biāo)。重點(diǎn)是保證設(shè)計(jì)按計(jì)劃完成的設(shè)計(jì)方法和策略，在預(yù)算范圍內(nèi)滿足設(shè)計(jì)要求。討論的范圍包括必要的文檔、設(shè)計(jì)步驟和策略，以及最后的檢查等。下面的結(jié)構(gòu)圖顯示了PCB理想的設(shè)計(jì)步驟，從發(fā)現(xiàn)需求開始，直至最終的產(chǎn)品電路板。
圖1 PCB基本設(shè)計(jì)流程圖
確定了PCB需求后，應(yīng)明確最終概念。這些概念包括：PCB必須有的特性和功能，與其他電路的互聯(lián)、布局以及大概的最終尺寸等。應(yīng)解決環(huán)境溫度范圍以及與工作環(huán)境相關(guān)的問題，用于設(shè)定為PCB所選擇的材料。必須選擇組件和PCB材料，以便在電路板生命周期中可能出現(xiàn)的惡劣條件下能夠按預(yù)期正常工作。從概念上畫出電路原理圖；這張圖詳細(xì)的顯示了PCB每一功能的電路實(shí)現(xiàn)。根據(jù)所畫出的原理圖，在確定了最終尺寸的實(shí)際圖中，為電路的每一模塊設(shè)定好區(qū)域(出于電信號原因或者限制條件的考慮，元器件組應(yīng)盡量靠近連接)。
考慮好散熱管理、功能和電信號噪聲之后，決定元器件布局。相似的，根據(jù)原理圖生成材料表(BOM)。通過分析電路每一節(jié)點(diǎn)的最大工作電壓和電流來選擇電路中的元器件，同時要考慮容限標(biāo)準(zhǔn)，然后選擇相應(yīng)的元器件。確定了符合電信號要求的元器件后，應(yīng)根據(jù)可用性、預(yù)算和尺寸來重新考慮元器件。BOM應(yīng)始終與原理圖保持更新。BOM中每一元器件的詳細(xì)要求包括：數(shù)量、參考指標(biāo)、大小(歐姆、法拉等參數(shù))、制造商型號和PCB引腳布局等。這五項(xiàng)非常關(guān)鍵，因?yàn)椋?a)確定了需要多少型號，(b)解釋標(biāo)示和電路位置，確切的描述用于購買和替換的每一電路單元，(c)解釋用于面積估算的每一型號的大小尺寸。可以增加其他的描述，但是要注意，這應(yīng)該是描述每一電路單元的簡表，太多的信息會使得庫開發(fā)和管理過于復(fù)雜。
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上面已經(jīng)提到了一些文檔，現(xiàn)在列出PCB需要的所有文檔。這些文檔是硬件尺寸圖、原理圖、BOM、布板文件、元器件布局文件、裝配圖和說明，以及Gerber文件集。用戶指南也是很有用的文檔，但不是必須的。Gerber文件集是PCB布板輸出文件的專業(yè)術(shù)語，PCB制造商使用這些文件來開發(fā)PCB。完整的Gerber文件包括以下由電路板布板文件產(chǎn)生的輸出文件：
●頂層和底層絲印
●頂層和底層阻焊層
●所有金屬層
●頂層和底層焊錫層
●元器件映射圖——X-Y軸
●頂層和底層裝配圖
●Drill文件
●Drill圖例
●FAB概述——尺寸、特殊特性
●網(wǎng)表文件
其中，特殊特性包括但是不限于：凹口、切口、斜角、回填焊盤過孔(用于BGA型IC封裝，在器件下面有引腳陣列)、盲孔/埋孔、表面光潔度和平整程度、孔的公差、層數(shù)等。
如果需要了解詳細(xì)信息，請參考Cohen的文章或者研究術(shù)語。
原理圖是控制工程的文檔，因此，正確完整是保證成功的關(guān)鍵。這些文檔含有電路正常工作所必需的信息。下面是含有足夠設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的部分原理圖。顯示了引腳數(shù)、名稱、元器件值和額定范圍。
圖2：IDTP9021R無線電源接收機(jī)的BUCK穩(wěn)壓器模塊原理圖
嵌在每一原理圖符號中的是制造商型號，用于確定價格和規(guī)范。封裝規(guī)范確定了每一元器件引腳布局的大小。第一步應(yīng)該是確定每一引腳裸露銅部分處于正確的位置，比元器件引腳稍大(3～20mils)，具體取決于可用面積和焊接方法。當(dāng)設(shè)計(jì)引腳布局時，應(yīng)考慮裝配，并參照制造商建議的PCB引腳布局。有些元器件采用了微小封裝，無法為額外的銅連接提供空間；即使在這種情況下，電路板的每一引腳之間都應(yīng)該留有2.5～3mils的阻焊層。按照這10條規(guī)則，小過孔的最終孔徑為10mils，焊盤環(huán)還有額外10mils。走線應(yīng)該距離板邊10 mils，或者更多，走線至走線間距是10mils(5mils氣隙，5mils走線寬度，1oz銅連接)。出于可靠性原因，直徑40mils或者更大的過孔應(yīng)該有額外的焊盤環(huán)。在外層銅平面，應(yīng)該在設(shè)計(jì)規(guī)則基礎(chǔ)上為平面至引腳額外留出15～25mils；這降低了所有焊點(diǎn)出現(xiàn)焊接連接的風(fēng)險。[page]
PCB的下一階段是第一次通過的元器件布局。這一步是在分配好元器件和互聯(lián)位置之后進(jìn)行的。每一元器件完成布局后，應(yīng)立即查看布局，并進(jìn)行調(diào)整，以便布線，優(yōu)化性能。在這一點(diǎn)，根據(jù)尺寸和成本，通常重新考慮布局和封裝尺寸，并進(jìn)行修改。
如果元器件吸收功率大于10mW，或者電流超過10mA，那么可以認(rèn)為其功耗較大，應(yīng)該考慮其電信號性能，并進(jìn)行額外的散熱。敏感信號應(yīng)通過平面與噪聲源隔離，保持阻抗受控。電源管理元器件應(yīng)利用地平面或者電源平面，以便散熱，應(yīng)根據(jù)連接能夠承受的電壓降來進(jìn)行大電流連接。應(yīng)在每一層轉(zhuǎn)換的地方采用2～4個過孔實(shí)現(xiàn)大電流通路的層轉(zhuǎn)換。層轉(zhuǎn)換過孔的目的是提高可靠性，降低電阻和電感損耗，同時提高熱傳導(dǎo)能力。PCB熱傳導(dǎo)過程如圖3所示。
應(yīng)按照以下順序進(jìn)行元器件布局：連接器、電源電路、敏感和高精度電路、關(guān)鍵電路元器件，其他元器件。在這一點(diǎn)，圍繞PCB上的每一組件得出原理圖，完成連接。根據(jù)電源電平、噪聲敏感程度或者生成和布線能力來選擇電路布線優(yōu)先級。一般而言，對于承載10～20m A的走線，采用10～20m i l s的走線寬度，走線電流如果小于10mA，那么走線寬度為5～8mils。當(dāng)高頻(>3MHz)和快變信號與高阻抗節(jié)點(diǎn)一起布線時，應(yīng)仔細(xì)考慮這些信號。在這一點(diǎn)，首席工程師/設(shè)計(jì)人員應(yīng)檢查布板，仔細(xì)的調(diào)整物理位置，以交互的方式完成布線通路，直到針對所有設(shè)計(jì)約束對電路進(jìn)行了優(yōu)化。請記住，層數(shù)取決于電源電平和復(fù)雜度；應(yīng)成對增加層數(shù)，這是因?yàn)椋~覆層是以這種方式生成的。影響工作的重要因素包括，功率信號和平面的布線，接地方法，電路板能否按預(yù)期工作等。最終的檢查包括驗(yàn)證敏感節(jié)點(diǎn)和電路是否正確的與噪聲源隔離，引腳和過孔之間的阻焊層，絲網(wǎng)是否干凈簡潔。確定板層堆疊時，最好使用元器件側(cè)下面的第一內(nèi)層作為地，把電源平面分配給其他層。建立堆疊時，電路板應(yīng)以z軸中點(diǎn)為平衡點(diǎn)。在檢查過程中，應(yīng)考慮PCB設(shè)計(jì)人員提出的任何問題，根據(jù)檢查得到的反饋來修改PCB。在每次重復(fù)檢查時，應(yīng)建立修改列表，直到完成電路板。在布板的所有階段，應(yīng)利用設(shè)計(jì)規(guī)則檢查器(DRC)，消除設(shè)計(jì)錯誤。
DRC只能找出被監(jiān)視的錯誤，根據(jù)每一不同的設(shè)計(jì)來修改D R C規(guī)則設(shè)置。應(yīng)檢查的最簡規(guī)則是：封裝至封裝間距、未連接的網(wǎng)(唯一名稱，區(qū)別電路的每一節(jié)點(diǎn))、截短網(wǎng)短路網(wǎng)、氣隙違規(guī)、過孔太靠近焊盤、過孔彼此靠的太近，以及縱向間距違規(guī)等。還有很多其他重要的DRC規(guī)則，確保穩(wěn)健設(shè)計(jì)的，應(yīng)重新研究并理解這些規(guī)則。其他常用規(guī)則是：保持間距不低于5mils，過孔不應(yīng)位于表面貼焊盤內(nèi)(除非回填)，阻焊層應(yīng)位于所有焊點(diǎn)之間。成本是影響PCB設(shè)計(jì)的背后因素，最好能夠理解PCB制造的成本問題。典型的電路板是2～4層，穿孔直徑不會小于10mils，氣隙和走線寬度最小5mil，標(biāo)準(zhǔn)FR-4厚度為0.062英寸，銅箔重量1o z。更多的板層、過厚或者太薄的電路板、焊盤過孔、回填過孔(最好是不導(dǎo)通，這是因?yàn)閷?dǎo)電限制和熱膨脹差)、盲孔/埋孔，以及交付時間都會大幅度增加總成本。當(dāng)開始PCB設(shè)計(jì)時，應(yīng)了解制造商的能力。設(shè)計(jì)PCB并進(jìn)行制造時，應(yīng)經(jīng)常聯(lián)系圓晶廠，了解其能力，以及降低成本的方法。
PCB設(shè)計(jì)雖然可能會很復(fù)雜，但采用很少的技巧和實(shí)踐就能夠設(shè)計(jì)很好的電路板。使用上面列出的指南，需要時加強(qiáng)研究，經(jīng)驗(yàn)豐富的老手會不斷增強(qiáng)技巧，而設(shè)計(jì)新手可以學(xué)習(xí)開發(fā)超出預(yù)期的高質(zhì)量PCB。
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