layout 最关键设计步奏

layout 最关键设计步奏

PCB 布局对印制板的重要影响，在一定程度上决定了印制板的制造、安装和后期维护成本，在电子设计趋于高密度化，每款电子产品 PCB 布局布线显得尤为重要，好的 PCB 布线设计，往往可以达到较高的布通率、减少跳线分布、连线间的电磁干扰，有效降低噪声的产生。

但多年来，PCB 似乎在电子工程领域被「降级」，成了只在幕后默默付出的无名英雄，经理们认为 PCB 布线是微不足道的制造问题，并非设计工程师需要关心的；但随着数字电路变得越来越快，以及 RF 电路也被放进 PCB，电路板在很多设计中变成了限制因素，计算机辅助设计(CAD)工具虽然能帮助工程师设计电路板，但 CAD 的自动绕线功能通常会带来更多问题。

现代的 PCB 不只是时间杀手，也是拥有精确设计要求的关键零组件；电子装置的运作频率以及讯号上升/下降时间变得越来越快，因此 PCB 已经变得越来越重要。

首先，我们来看看以下几个真实发生过的小故事，你会获得一些启示。

一个关于 PC 主板的故事

在 1985 年，PC 芯片组出现了 33MHz 的总线;Massa 当时接到一家本地 PC 主板制造商的电话，说他们的新主板不会动了。IC 供货商的参考设计是可以运作，但这家公司做了客制化的产品外形;而Massa 注意到，他们在零组件之间的绕线，让 PCB 走线出现很多尖锐的角度。

他还发现有几个关键讯号被放在大型回路，电路板上还有很多通孔;那些小洞是让走线能从电路板正面转到背面。那家公司表示，他们的 PCB 是找美国科罗拉多州的某个人设计的，费用很便宜而且速度很快，只要一、两天就能完成。Massa 很礼貌地告诉他们，其实那种布线是用自动化软件工具做的，因此永远无法让跑 33MHz 讯号的电路板成功运作。

自动绕线工具很容易出错，早期的PCB 软件只能确保讯号到接脚的电流连接，不会考虑高速讯号需要较短走线，该先布置所需通孔，或是因为通孔、线宽变化导致的阻抗不匹配等等问题，最后导致整个 PCB 设计失败。

一个关于视讯芯片的故事

在 1995 年，我有个老兄弟是在一家视讯芯片公司工作，遇到了跟前面一样的状况──参考设计没问题，但他们有个台湾的大客户抱怨他们家的芯片无法在新 PCB 上运

作；而该 PCB 设计也是有类似的布线错误。

那家视讯芯片公司面临两个选择，一个是坦白指出客户的设计有问题请他们重做，二是让他们自己的视讯芯片做个便宜的金属光罩修改，以弥补客户的不良 PCB 布线；后来他们选了第二种方法，客户当然很开心、觉得自己永远是对的，而且对于那家视讯芯片公司寄给他们能顺利运作之新芯片的客户服务十分满意。

我那位朋友说，这对一家半导体公司来说是明智的策略；IC 业者应该是为自家的芯片导入 IP，而不是花钱教自己的客户怎么设计。你可以在芯片内做些改变，反过来向客户收钱。

一个关于 F-16 战斗机的故事

我曾参与 F-16 战斗机的雷达干扰装置设计，了解到有些公司可能也遭遇过的系统性 PCB 问题；电路板布线被认为是机械工程任务，因此我们的电子工程师把电路图丢出来，让其他部门去做电路板布线工作。

我拿到的电路板上有非常高速的发射耦合逻辑(ECL)振荡器，但该 8 层电路板原型无法运作;因为有非常充足的电路板层面空间，我很疑惑他们到底是怎么把设计搞砸的。结果发现，机械工程师为了简化位于所有零件下方的铝制散热器设计，是按照形状来安排零组件位置的;那颗 ECL 芯片位于电路板左上方，电阻被放在中间，晶体振荡器则在右下角，距离 ECL 芯片整整 8 吋。

从那时候我们都会确保机械工程师在进行 PCB 上的零组件布置时，旁边有坐一个电子工程师，而且会在准备制造之前审查整个布局(图 2)。

图 2

F-16 战斗机的雷达干扰装置PCB，在所有的零组件下方有一个铝制散热器;千万别让机械工程师为了散热器设计而自作主张布局 PCB，以免牺牲电子能。

一个关于电源供应器的故事

我在 1998 年为 HP 担任顾问时，曾在设计中用了一颗凌力尔特(Linear)的 SEPIC 转换器芯片LT1513IR;我看了产品规格表，还跟与我接洽的 Linear 应用工程师 Jon Dutra 说，他们公司规格表里面的布线图有错。好啦…别笑了，我那时候还年轻、有点蠢。

现在已经转到微软(Microsoft)工作的 Dutra 很有耐心地看了规格表里的应用实例部分，并解释为何他们建议用那样的方式来布署转换器。我有几个好朋友是从 Linear 退休的，他们都对我保证，很多客户都是该公司组件的忠实爱用者，因为他们的应用工程支持能帮客户把错的设计变成对的；而我用 Linear 建议的方式布署那颗 SEPIC，第一次绕线就成功(如图 3)。

图 3

这是自动测试设备的 PCB，因为事先了解过那颗 SEPIC 转换器(以红框标示)，我的设计第一次就成功。

一个关于掌上电脑的故事

我在一家掌上电脑公司工作时，曾犯过一个错误，用 SPECCTRA 软件工具进行一片 12 层 PCB的自动绕线(图 4);我那时觉得 SPECCTRA 超有智慧(而且很贵)，应该可以不需要人为监督或干预，让它自动绕线。

在 PCI 总线无法运作时，我们做了一个夹具来探测 PCI 总线上的每一个讯号；它们都在那里，时序也收敛了，但显然收敛得不够、无法与挂在总线上的芯片共同运作。而且那是一个没有连接器的总线，只有长度约 4 或 5 吋走线…我再也不信任没有人为监督的自动布线器了，永远都不会!

图 4

这片掌上电脑的 12 层电路板原型看起来很厉害，但是因为自动布线器搞砸了 PCI 总线的时序，根本无法运作。

一个关于消费性 DVD 播放器的故事

我在某家半导体公司任职时，做的是驱动 PC用 DVD 刻录机内雷射头的芯片；我看了一眼某客户设计的软性电路板原型，就知道他们缺乏高速或散热设计方面的经验，毕竟他们之前做的 CD 刻录机数据速率比较低，而且用的芯片不会产生太多热度。而我们花了大半年的时间教客户该怎么设计他们的 PCB(图5)。

图5

DVD 刻录机的雷射驱动器软性电路，需要具备 PC 主板或是其他高速、对温度敏感之设计的专业经验。

一般情况下，我们制作印制板 layout 设计，务必要掌握以下几点关键设计要素：PADS 或者 OrCAD 画原理图时，了解常用的电子元器件英文：

比如:我们在 PCB 设计中，经常会用到一个零件的前三个英文字母，代替一个零件本身，就像电压用 VOL、电阻用 RES、电容用CAP、电感用 IND...等等；

layout 必须要考虑元件布局原则：

在 PCB 设计中，如果电路系统同时存在数字、模拟电路，大电流电路，必须分开布局;输入信号处理、输出信号驱动元件，确保信号线尽可能短;元件间距在中等密度板、小元件及集成电路芯片上元件间距达到不同的要求等等；

熟悉几种常用的 PCB 电路模块：

比如:i-mode、蓝牙(Bluetooth)、以太网(Wireless LAN)、天线模块、HDMI、USB、WIFI 等常用模块，会帮助你快速设计出符合市场要求的产品；

PCB layout 电源和地线处理：

PCBlayout 即使在整个 PCB 设计中布线完成的很好，但由于电源、地线考虑不周而引起的干扰，会使产品性能下降，甚至影响产品的成功率；

实现电磁兼容，以防止电磁干扰(EMI)：

电磁干扰三要素:干扰源、耦合途径、敏感设备。只有先去了解它，才有可能去避免它，减少它在电路中的危害。