PCB布线浅谈

Jeff_Zhu · 发表于 2012-4-14 20:49

PCB布线是一个大话题。看似很简单的工作，实际上其中大有学问。能够布线和能布好线这是完全不同的两个概念，一个工程师花个一个多月也就能学会布线了，而往往布了十几年后方才觉得他其实不会布线。

既然是一个这么复杂的话题，那三言两语是无法说清的。我在这里只能给大家一些布线的常识，尽可能的解释的通俗易懂一些，如果要了解更多的话就需要自己去啃那些大部头著作了。本人水平有限，只能是抛砖引玉，把一些杂乱的知识点提供给大家，希望多多少少能够对大家有一些帮助

Jeff_Zhu · 发表于 2012-4-14 20:49

本帖最后由 Jeff_Zhu 于 2012-4-14 21:18 编辑

首先，为什么PCB布线会这么重要？如果大家都对线材很痴迷的话，拇指粗的线往往都不屑一顾，还要什么特殊的焊接方式，多股还是单股的区别，等等。当你们回头来看下PCB的时候就什么想法都没了，35um厚的铜箔，也就是三十分之一毫米厚，弯弯曲曲，粗粗细细的，很没有艺术感的布在那里，那个铜是很普通的铜，那个板材也是很普通的板材，有些国内不负责任的厂商用的板材甚至用普通万用表都能测出来不是绝缘的。看到了机箱外面这么光表的东西，来看看这个PCB，完全象是狗shi。不错，这就是狗shi，是每个系统都绕不开的狗shi，所以怎么更好的设计这么laji的东西就显得尤为重要

所以，整个PCB设计，说白了，就是围绕着这些PCB的不完美性来的。所以，前面说到的为什么布了十几年线的工程师反而觉得不会布线了，就是因为看看了形形色色的问题，知道了这根线布了出去就会导致什么恶果，所以，就变的不知道怎么布了，反正这是个权衡的艺术，没有标准的答案。布线的高手都是有着很理性的知识，但是又带着一些感性去布线，布出来的线颇有艺术感，所以，往往布线的水平的怎么样，只要远远的望过去，不需要细看其中的一条条线，就能大致了解布线工程师的水平了。本人所属的行业比较特殊，和很多的知名的电子代工厂都关系密切，所以，别人是阅女无数，我只能是悲催的阅板无数了。

Jeff_Zhu · 发表于 2012-4-14 20:49

本帖最后由 DAWEIZLW 于 2012-8-12 11:44 编辑

先说一下PCB的分类，
从板材角度来讲分成FR1, FR2, FR3, FR4, FR5, G10, G11，还会有陶瓷基板的，不过现在一般都是FR4的，这些不用解释那么多了，这些板材的绝缘性能实际上并不是太强，所有在有些高要求的仪表中，可以看到一些特氟龙的绝缘端子镶嵌在PCB上以达到更好的绝缘性能。

从PCB的层数分可以分为单层，双层和多层的。单层现在基本淘汰了，做板的价格都是双层的，也就是说你可以做单层，但是价格和双层一样。双层板现在在音响系统中用的挺多，作为功放这种粗狂型的板子，其实双层是无所谓，但对于DAC这种，双层比起多层就有明显的劣势了，这以后我会详细的讲。多层板就是指4层及4层以上的板，在音响系统中没有什么BGA出现，而且元器件的密度也不高，所以一般来讲4层就足够了，6层的实在没必要，而且现在4层板的费用已经蛮便宜了，但6层板的价格还是高高在上，基本上做不起。

从过孔来分可以分成通孔，盲孔，和埋孔。通孔很好理解，就是一个孔是从顶层直接通到底层的。盲孔顾名思义是从顶层或底层的孔穿到中间层，然后就不继续穿了，这个好处就是这个过孔的位置不是从头堵到尾的，其他层在这个过孔的位置上还是可以走线的。埋孔就是这个过孔是中间层到中间层的，被埋起来的，你从表面是完全看不到。盲埋孔板很贵，一般只有在需要很高密度的设计中才用，我之前做过一个盲埋孔板，光打样费就花了我一万多。不过在音响系统中通常没有这么复杂的电路，不会有盲埋孔板出现。
借用别人一张图

地线和电源从原则上来将都一样的处理方法，我就简称地线的处理了

在模拟系统中不可以象数字系统中把地作为一个平面，然后任何接地点都就近接到地平面上去。通常我们掌握的一个很有名的死道理就是单点接地，英文管这叫做"daisy chain"，菊花形，或者叫做雏菊型接地，反正不管怎么看都是个比较银荡的意思。但是理想很丰满，现实很骨感，你会发现这个菊花无法容纳这么多的 - 线。或者说这些线要都跑到菊花那里太远了。我前面说过，PCB布线没有一个标准答案，需要权衡。那么，不菊花好像是不对的，走线太长好像也是不对的，肿么办呢？

活学活用，首先要了解为什么要菊花。究其原因就是PCB板上的导线不是理想导线，有着一定阻抗，那么当电流流过这个这个底线上的阻抗的时候，就产生了压降。电流越大，这个压降越大，如果是自身产生的电流，那么这个压降影响自身，这通常没有什么问题，充其量就是多了等效电阻而已。但问题是，地线如果是公用的，那么A部分产生的电流在地线上产生的压降，如果B也是分享这条地线的话，那么A部分的信号就耦合到B部分去了。这种现在在数字部分尤其明显，称为ground bounce，我曾经测到过一百多豪伏的ground bounce，多么恐怖的事。

那么说到底，就是电流惹的祸，大电流引起了压降造成的忽扰，这么讲比较通俗易懂些。所以，处理地线的一个方法就是把地线分成power ground和signal ground。Power ground通常都是大电流的，但是作为电源，很多的模拟器件都有一定的PSRR，也就是电源共模抑制，电源的干扰通常都会被消除掉很多。信号地都是走信号的，信号一般都是小电流，小电流当然引起的忽扰就比较小，可以忽略。如果把信号地和电源地混在一起就很难处理了，电源地产生的干扰对信号系统的地来说只能完全吃进，没有丝毫的抵抗能力。

当然，最好的做法就是能够了解各个地线的电流大小，和各个部分是否共模相关，然后区别对待，灵活运用

除了电源地，信号地，另一个就是屏蔽地了。顾名思义，是用来屏蔽的。屏蔽地一般都是整层铺铜的形式，但是需要注意的是不能和电源地和信号地连接在一起，否则就全乱了，屏蔽地连接了很多大大小小的铜层，但是接地点只能是一个，就是前面所说的那个单点接地点。

如果这是一个数字模拟信号混合的设计，例如DAC，这种混合式电路的接地非常的复杂，如果乱来的话，化神奇变腐朽是必定的。所以，DIY要玩DAC的话，如果对自己的PCB布线不是很有信心的话，最好就是参照官方的PCB布线来，一般来讲官方都会提供一个demo板的设计文档让你下载的。

首先是布局，一个原则是数字和模拟尽可能的分开，令一个原则是低速的不要和高速的接近。一个推荐的布局如图所示
布局.PNG

对于这种混合系统，最基本的原则就是把数字地和模拟地分开，数字地由于都是开关器件，电流在开关的一瞬间都很大，不动的时候又很小，所以数字地是很脏的，不可以和模拟地混在一起。

还需要注意的就是在分隔地平面的时候，层和层之间必须保持一致，不能把数字地和模拟地并行重叠起来，因为PCB的板实际上可以理解成一个电容，而且这个电容的性能还很是不错的。如果将数字地和模拟地并行的叠在一起的话，那么板上的寄生电容就可以把数字部分的噪声耦合到模拟部分去了

不光是数字地平面会将噪声耦合到模拟地平面，数字信号也同样会耦合，而在混合式的电路中，数字信号和模拟信号是无法完全分开的，在这种情况下，首先要掌握的一个原则就是不要把模拟信号走到数字平面去，而宁可把数字信号走到模拟平面中去，而依靠模拟的屏蔽地来滤除掉数字信号耦合来的噪声。其次，就是线越短越好。最后，线越细越好，很多工程师都会犯这个错误，以为线粗了阻抗就低了然后耦合的效应就少了，实际不然，PCB层与层之间的电容耦合完全是以面积来算的，所以，数字信号跑到模拟平面中去的话，需要的是又短又细。

另外一个需要引起注意的就是那些DAC芯片往往都是有分数字地和模拟地，很多不明白的人本着发烧的态度，不惜工本不惜心血的去把那两个地分开处理，其实这是大错特错，那些芯片标注出来数字地和模拟地只是告诉使用者那两个脚的内部区别而已，而并不是要你去分开2个地来处理，绝大部分的DAC内部的数字地和模拟地都是连在一起的，如果你在外部把板子的数字地连到了芯片的数字地，板子的模拟地连到了芯片的模拟地，那么恭喜你，你的数字地和模拟地就混在一起了，而且，连接的唯一通道就是在这颗最关键的DAC芯片内部，这让人情何以堪啊，离hifi早已十万八千里去了。所以，DAC的数字地和模拟地都需要连接到板子的模拟地上，而且不要分开走线，反而要尽可能的用粗线连在一起，因为芯片内部的地线平面往往不够强壮，外部提供一个更为强壮的地平面的话会有所改善。关于这颗DAC内部的数字部分是不是会对模拟部分产生影响这就不需要你去关心了，设计者会来保证这颗芯片达到所标注的指标的。

Jeff_Zhu · 发表于 2012-4-14 20:50

本帖最后由 Jeff_Zhu 于 2012-4-15 22:27 编辑

走线

PCB上的每一根线不光要考虑到阻抗，其实还要看成一根根的天线，可以将自身的信号耦合到其他的走线上去也可以接受别的“天线”发射出来的信号。如果要过深的讲这个问题的话那就不是这里可以讲完的了。

首先，一段导线可以理解成一个电感

举个例子，一段10厘米长的线差不多有57毫欧的电阻和每厘米8nH的电感。在100kHz的时候，感抗达到了50毫欧。所以，在100kHz以上，这根线更多的就象是个电感，而不是电阻了。

所以，走线的长度是很重要的，越长的走线就能感应到越低频率的噪声，就越象根天线。另外需要说的是过孔也象是个电感，所以过孔也是越少越好。

那么说到这里，可能大家就知道了贴片为什么比直插好了，首先，没有引脚，其次，更小的体积利于更短的走线，最后，直插的那个过孔也可以避免了

那既然走线越短越好，那么我们就应该避免把元件放的很开，搞一个很大的电路板不是奢侈，而是一个不良的设计。有一些大个的电解电容占了很多空间，导致走线变长，实际上这个电容本身带来的改善还不如走线变长所带来的劣化，所以，我再次提醒，PCB设计是个权衡的过程，不能死干蛮干。一些大个的元器件一定要足够重要，否则的话就不要用。

交流信号会产生一个反向的电能量，需要为这个反向电能量提供一个返回的途径

这个图显示了3种走线方式，第一种是初学者最容易犯的错误，首先是没有用到地平面来提供信号返回途径，另外是用了2条线，也许是认为一条线不够粗，就用2条线，这样好像就够粗了，其实这2条线形成了一个闭合的回路，成了一个良好的环形天线，结果可想而知。第二种用到了地平面做信号返回途径，但是这个返回途径不是一帆风顺的，那么这个信号在返回的途中，就会给其他的电路造成一些不必要的影响。第三种就是一个比较好的设计了，提供了一个良好的信号返回途径。

在线径粗细发生变化的时候，会发生一些反射的现象，所以最好的设计就是能过保证线径的粗细不要发生显著的变化，通常线的粗细变化发生在拐角处，直角是最差的，45度角好一些，圆角是最好的。但是圆角对PCB设计来讲处理比较麻烦，所以一般是看信号的敏感程度来定，一般的信号用45度角就可以了，只有那些非常敏感的线才需要用圆角，从音频的应用来看，基本没有这么高频的信号。所以，45度角就足够了。

考虑到信号的反馈途径和屏蔽的话，那基本我们就可以用2种方法来实施，

第一种是微带线，有一边是靠着地平面的。第二种是带线，两边都靠着地平面，就象热狗的香肠被两片面包夹着一样，对于微带线和带线的设计还需要考虑到阻抗的匹配，但是在音频系统中频率都很低就不需要去计较这些了。如果是非常敏感的信号的话还可以在同一层上把这条线给包裹起来，这样的话，就相当于全方位包裹了这条线

那么，讲到这里，我们就知道4层板对于音频的优势了，假设这4层分别的名字为顶层，内层一，内层二，底层的话，我们可以只在顶层和内层二走线，也就是只用2层走线，和普通的双面板的设计没什么两样，但是，最后把内层一和底层铺铜做成屏蔽地。这样的话顶层的走线和内层一的屏蔽地形成了微带线，内层二的走线和内层一及底层形成了带线。
咋一看好像内层二的带线比较牛，但是顶层的线不需要走过孔，连接比较短，比较直接，所以权衡下来还是能在顶层走就在顶层走。

退耦电容我们很熟悉，很多板子都是因为那一颗颗花花绿绿的退耦电容而显得很精彩，给人带来美的遐想和心灵的安慰。退耦电容一般来说有两个作用，一个是提供芯片瞬间的大电流，二是去除电源噪声，一方面是让电源的噪声尽量少的影响芯片，另一方面是芯片产生的噪声不要影响到电源。在音频系统中通常由一颗几uF到几十uF的极性电容并联一个10nF或100nF的小薄膜电容或陶瓷电容。退耦电容的布线讲究一个“短”字，就是尽可能靠近芯片的电源管脚，远了就可谓是远水解不了近火，没什么意义了。那个100nF需要最靠近管脚，然后接下来就是那颗大的。需要注意的是走线的时候不可以让电源先走到芯片的管脚再走到退耦电容，这就没什么意义了。一定要电源经过了退耦电容之后再连接到芯片的管脚，这个图列举了几种错误的连接法和一个正确的连接法

好了，本人水平有限，基本上也就只能讲这么多了，回头再想到一些零散的知识点的话再更新吧，希望大家有更好的补充