PCB布局应该注意的事项，帮你做好电路设计

PCB设计 2020-09-21 2484

描述

设计印刷电路板的布局对于创建可靠，具有成本效益的电路板至关重要。虽然电路设计和组件选择也很重要，但您应始终确保留有足够的时间进行PCB布局。确定最佳的PCB布局设计有很多事情要做，特别是因为当今的电路板变得越来越复杂，紧凑和轻便。柔性PCB的日益普及也使该过程变得复杂。

如果您没有考虑到重要的PCB布局注意事项，那么最终可能会遇到无法很好地转化为现实世界的设计。布局不当会导致诸如电磁干扰，电路板两侧的组件冲突，电路板功能受限甚至整个电路板故障等问题。另外，如果您第一次没有得到正确的布局，则需要对其进行重新加工，这可能会导致制造延误并增加成本。

那么，您需要牢记哪些PCB布局设计规则和注意事项？让我们看一下PCB布局设计的步骤，并确定每个阶段的一些核心注意事项。当然，您可能还需要牢记其他注意事项，但这是您应注意的PCB布局设计的一些最关键方面。

基本的PCB设计步骤

从您知道需要PCB到最终生产的那一刻，PCB设计就在印刷电路板生产过程的每个步骤中都发挥着作用。基本设计过程包括六个步骤。

1.概念

在确定需要PCB之后，下一步就是确定电路板的最终概念。这个初始阶段涉及定义PCB将具有和执行的功能，其功能，与其他电路的互连，其在最终产品中的位置以及其近似尺寸。另外，还要考虑电路板将在大约温度范围内工作以及其他任何环境问题。

2.原理图

下一阶段是根据最终概念绘制电路原理图。该图包括板的电气组件正常运行所需的所有信息，以及组件名称，值，额定值和制造商零件号等详细信息。

创建原理图时，将创建物料清单。该BOM包含有关PCB所需的所有组件的信息。始终保持这两个文档为最新。

3.板级框图

接下来，您将完成一个板级框图，该图描述了PCB的最终尺寸。标记为每个块指定的区域，以及由于电气原因或约束而连接的组件部分。将相关组件放在一起可以使您的跟踪简短。

4.元件放置

下一步是元件放置，它确定您将每个元件放置在板上的位置。通常，您可能需要经过几轮精炼零部件放置。

5.首过路由

接下来，确定电路的路由和路由优先级。

6.测试

完成设计后，应进行一系列测试以确保其满足您的所有需求。如果是这样，则说明设计已经完成。如果没有，您将返回需要进行调整的阶段。

设计文件

在创建PCB时，您将开发大量文档。这些文件包括：

l 硬件尺寸图：描述裸板的尺寸

l 原理图：绘制电路板的电气特性

l 物料清单：描述项目所需的组件

l 布局文件：描述PCB的基本布局

l 组件放置文件：描述各个组件的位置。

l 组装图和说明：说明如何组装电路板

l 用户指南：尽管不是必需的，但它们对于向用户提供其他信息很有用

l Gerber文件集： PCB制造商将用于创建PCB的布局输出文件的集合

PCB布局和设计注意事项

关于PCB布局和设计，有很多要考虑的因素。一些注意事项适用于整个过程，而某些注意事项特定于特定步骤。请记住以下七个相关因素。

1.约束

您应该查看的第一个约束是与裸板相关的约束。这些基本限制中的一些包括板的尺寸和形状。

您将需要确保电路有足够的电路板面积。最终产品的尺寸，电路板必须提供的功能以及其他因素决定了电路板应该有多大。电子产品及其所包含的电路板越来越小。在开始设计过程之前，请评估电路板的尺寸。如果没有足够的空间来满足更直接的设计所需的所有功能，则可能需要使用多层或高密度互连（HDI）设计。

标准PCB是矩形的。绝大多数情况下，这仍然是PCB最常见的形状。但是，可以用其他形式创建板。由于尺寸限制或在形状不规则的产品中使用，PCB设计人员通常会这样做。

另一个关键的考虑因素是您需要的层数，哪些功率级别和设计复杂性将有助于确定。最好在布局设计过程的早期就弄清您需要多少。添加更多层可能会增加生产成本，但使您可以包含更多轨道。对于具有高级功能的更复杂的板，这可能是必需的。

使用至少两个过孔对所有大电流路径进行层转换。在层过渡处使用多个通孔可提高可靠性，改善导热性并减少电感和电阻损耗。

2.制造过程

您还应该考虑要用于生产电路板的制造过程。不同的方法有不同的限制和约束。您将需要使用与板上制造工艺配合使用的参考孔或点。始终确保没有孔洞。

另外，请记住板安装方法。不同的方法可能需要您将电路板的不同区域留空。使用多种技术类型（例如通孔和表面安装组件）会增加电路板的成本，但在某些情况下可能是必需的。

始终与制造商联系，以确保他们具有生产所需类型的纸板的能力。例如，有些可能无法制造多层的电路板，或者使用灵活设计的电路板。

3.材料和组件

在布局阶段中，考虑计划用于电路板的材料和组件。您首先需要确保可以访问所需的项目。有些材料和零件很难找到，而另一些材料和零件是如此昂贵，以至于成本过高。不同的组件和材料也可能具有不同的设计需求。

花时间确保您为木板选择了最佳的材料和组件，并确保您设计的木板能够发挥这些项目的优势。

4.元件放置顺序

最基本的PCB设计指南之一涉及在板上放置组件的顺序。推荐的顺序是连接器，然后是电源电路，然后是精密电路，然后是关键电路，然后是其余元件。功率水平，噪声敏感性，产生和路由能力也会影响电路的路由优先级。

5.方向

放置组件时，请尝试将彼此相似的组件沿相同方向定向。这将使焊接过程更有效，并有助于防止在焊接过程中发生错误。

6.安置

尽量不要将零件放在PCB的焊接面上，该零件应位于镀通孔零件的后面。

7.组织

从逻辑上组织您的组件可以减少所需的组装步骤，从而提高效率并降低成本。旨在将所有表面安装组件放在板的一侧，并将所有通孔组件放在板的一侧。

电源，接地和信号走线注意事项

以上技巧着重于PCB组件的放置。为了使这些组件能够按需工作，您还需要布设电源，接地和信号走线。有效地完成此步骤将有助于确保信号具有可靠的传播路径，以保持电路板正常运行。请记住以下五个因素。

1.电源和地平面

一个基本的PCB布局设计规则是将电源平面和接地平面内部保持在电路板上。它们还应该居中且对称，以防止板弯曲和扭曲。弯曲可能会导致组件移位，并可能损坏电路板。其他建议包括为每个电源使用共轨电源，以确保您拥有可靠，广泛的走线，并避免创建用于连接组件的菊花链。

电源电路中的高压会干扰低压和电流控制电路。您可以使用电源接地和控制接地的位置来帮助最小化这种干扰。尝试使每个电源阶段的接地保持分开。如果您需要将它们放在一起，请确保它们位于供应路径的末端。如果接地层在电路板的中间层，则请使用一条小的阻抗路径以防止电源电路干扰。

您还应该以类似的方式将数字地和模拟地分开。仅尝试使模拟线与模拟地交叉，以减少电容耦合。

2.赛道设计

此步骤还涉及根据原理图连接信号走线。您始终希望您的走线尽可能短而直接。如果您在PCB的一侧进行水平走线布线，请将垂直走线置于另一侧。

您的电路板可能需要多个具有不同电流的网络，这将确定您需要的网络宽度。使用迹线宽度计算器可以帮助完成此步骤。细径只能承载这么多的电流。0.010“英寸或10密耳厚的轨道只能承受大约1安培的电流，而250密耳厚的轨道在30摄氏度的温度上升下可以承载15安培的电流。

3.焊盘和孔的尺寸

您还需要在PCB设计过程的早期确定焊盘和孔的尺寸。随着焊盘和孔尺寸的减小，获得正确的焊盘与孔尺寸之比变得至关重要。在使用通孔时，这一点尤其重要。所述裸PCB制造商可能能够提供关于他们所需要的标准和宽高比准则。

另一个重要的考虑因素是PCB焊盘的形状。PCB占位面积可能会根据制造过程而有所不同。例如，波峰焊通常比红外回流焊需要更大的占地面积。

4.信号完整性和射频问题

PCB布局设计在确保信号完整性和防止电气问题（例如通常被称为射频干扰或电磁干扰）的电气问题中起着至关重要的作用。

避免这些问题与路由走线有很大关系。为避免出现信号问题，请避免使轨道彼此平行。平行走线会产生更多的串扰，这可能会导致各种问题，一旦构建PCB，这些问题就很难修复。如果轨道需要彼此交叉，请确保它们成直角。这将减少线路之间的电容和互感，从而减少串扰。

使用产生低电磁辐射的半导体组件也可以帮助提高信号完整性。但是，有时其他需求可能需要具有更高电磁产生的零件。

在设计PCB时，应避免使用会辐射电磁能的天线以及载有高频信号和接地回路的大型环路。您必须仔细放置集成电路，以实现短互连线。

另一个必不可少的RF PCB布局设计准则是在PCB上放置接地格栅，该准则有助于确保回线靠近信号线。这使有效天线面积保持相对较小。在多层板上，您可以使用接地层来实现。

5.散热问题

散热问题会影响设计过程的许多不同部分。较大的板以及具有较高组件密度和较高处理速度的板往往具有更多与热相关的问题。对于较小的电路板，它们可能不是问题，但是对于更高级的电路板，它们可能是一个重大挑战。

为避免与热有关的问题，需要让热量消散。首先，确定会产生大量热量的组件。您应该能够在其数据表中找到每个组件的热阻额定值。然后，您可以遵循推荐的准则来散发该组件的热量。

确保在所有可能发热的组件周围留出足够的空间。它们产生的热量越多，需要冷却的面积就越大。同样重要的是不要将关键组件放在热源附近。

理想情况下，整个电路板将具有相同的工作温度。使用导热平面散布大面积的热量，通过增加用于传热的表面积来加快温度降低的速度。

如果电路板的散热问题很严重，则可能需要包括冷却风扇，散热器和散热装置，这对于在多层板和铜含量高的组件上进行波峰焊接至关重要。您可以使用散热膏（一种填充有精细分散的固体颗粒的聚合物）创建散热片。您可以使用丝网印刷或模板印刷来应用此粘贴。经过干燥或烘烤后，它变得固定并充当散热器。

始终建议在通孔部件上使用散热片，这会减慢散热通过部件板的速度。通常，只要过孔或孔连接到接地层或电源层，就应使用散热图案。您可能还希望在走线和焊盘相遇的地方使用泪珠，以提供额外的支撑并减少热应力。

测试的重要性

在整个PCB设计过程以及其余的PCB制造过程中，您应不断检查工作。尽早发现问题将有助于最大程度地减少其影响并降低修复问题的成本。

您应该执行的两个常见测试是电气规则检查和设计规则检查。这些测试将帮助您解决可能遇到的许多更重要的问题。

一旦可以顺利通过ERC和DRC测试，则应检查每个信号的路由，并将电路板与原理图进行详细比较。

用CAD解决PCB布局问题

如今，大多数PCB设计人员都使用先进的计算机辅助设计（CAD）软件系统来创建其PCB。同样，制造商使用计算机辅助的制造软件。使用这些系统可以帮助您解决可能遇到的许多布局问题。使用这些软件系统的一些优点包括：

l 简单，半自动化的设计过程： CAD程序使您可以将组件拖放到需要进行设计的位置。许多系统甚至会为您创建跟踪，然后您可以根据需要移动，添加或删除组件或重新路由它们。这种方法可以提高设计过程的效率和准确性。

l 设计验证：在将设计发送到制造阶段之前，可以使用CAD系统对其进行测试，以验证您的公差，兼容性，组件放置以及其他方面。许多系统甚至可以实时捕获基本错误，从而最大限度地减少或消除其影响。

l 制造文件生成：您可以生成Gerber文件和其他可能需要通过CAD系统发送给制造商的文件格式。直接从设计软件创建这些文件有助于提高其准确性，并确保顺利过渡到制造阶段。

l 文档：您还可以使用这些系统生成并保存与组件使用，错误报告，设计状态，版本控制等相关的详细文档，这些文档可以为将来的项目提供帮助。

l 规则创建：其中一些程序可让您创建和存储自定义规则集，您可以与设计者共享这些规则集以改善软件的功能。

l 模板创建：您甚至可以创建用于将来项目的模板。创建设计后，您可以将其保存并重新用作其他项目的模板。

l 提高效率并降低成本：将计算机辅助设计整合到您的运营中可以提高设计过程的效率和准确性，从而降低总体成本。

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