快速判断PCB设计的质量的7种方法

2020-03-23

在与硬件企业家合作的多(duō)年中，我看到太多(duō)设计不佳的印刷電(diàn)路板（PCB）案例，这些案例永遠(yuǎn)都无法满足商(shāng)业生产的质量要求。在某些情况下，这些委员会是由企业家自己设计的，而有(yǒu)时则是由自由工程师设计的。尤其是在聘请假定的专家来设计PCB的情况下，能(néng)够判断其工作质量很(hěn)重要。正如我认為(wèi)许多(duō)電(diàn)气工程师会同意的那样，大多(duō)数工程师从来没有(yǒu)在學(xué)校教过PCB设计，因此，请務(wù)必避免雇用(yòng)缺乏实际PCB设计经验的工程师。

尽管确实需要PCB设计专家来进行适当的完整设计审查，但仍有(yǒu)一些方法可(kě)以快速判断PCB设计的质量。原理(lǐ)图可(kě)以告诉您如何将各个组件连接在一起以提供给定的功能(néng)。然而，就其本身而言，它提供了有(yǒu)关如何将组件实际放置和连接在一起以提供功能(néng)产品的非常有(yǒu)限的信息。例如，原理(lǐ)图線(xiàn)转换為(wèi)印刷電(diàn)路板（PCB）上的走線(xiàn)。但是，除非在原理(lǐ)图中明确记录，否则原理(lǐ)图几乎不会提供有(yǒu)关这些線(xiàn)路所携带信号种类的信息。

如果由与设计原理(lǐ)图的工程师不同的工程师设计PCB布局，则此原理(lǐ)图文(wén)档尤為(wèi)重要。这些線(xiàn)路中的信号可(kě)能(néng)是低電(diàn)平，低噪声的信号，必须将其从更嘈杂的PCB走線(xiàn)引开，以免产生噪声。或者，它们可(kě)能(néng)是快速的数据或时钟信号，它们会扇出到多(duō)个芯片上的许多(duō)引脚。在这种情况下，走線(xiàn)的長(cháng)度应匹配，并保持较短，以避免延迟不匹配。

如果没有(yǒu)正确设计这些走線(xiàn)，则某些PCB可(kě)能(néng)会起作用(yòng)，而某些PCB可(kě)能(néng)不会起作用(yòng)，这取决于用(yòng)于填充每个PCB的组件的特性和公差。换句话说，即使PCB忠实地实现了完整工作原理(lǐ)图的所有(yǒu)组件互连，最终产品也可(kě)能(néng)无法按预期工作。

本文(wén)介绍了7种快速判断PCB设计的质量的方法。

这里的重点是布局和组件放置，而不是電(diàn)路板构造本身的实际质量（这完全取决于電(diàn)路板制造商(shāng)）。

最后，本文(wén)并非旨在具有(yǒu)很(hěn)高的技术性，并且当然不会涵盖所有(yǒu)可(kě)能(néng)性，尤其是对于高度复杂的设计或具有(yǒu)独特要求的设计。

本文(wén)的目的是向您展示如何快速确定您是否有(yǒu)不良的PCB设计，因為(wèi)在PCB设计中有(yǒu)一些特定的领域，新(xīn)设计师最有(yǒu)可(kě)能(néng)做错这些事情。

1 – PCB走線(xiàn)

总體(tǐ)看一下PCB上的可(kě)见迹線(xiàn)。这些将被阻焊剂覆盖，阻焊剂是聚合物(wù)的类似漆的薄层，覆盖铜迹線(xiàn)以防止氧化和短路。

该层通常為(wèi)绿色，但也可(kě)以使用(yòng)其他(tā)颜色。请注意，白色阻焊层往往会使痕迹最难看见。在大多(duō)数情况下，只需使用(yòng)标准绿色即可(kě)。

另外，实际上只有(yǒu)顶层和底层是可(kě)见的，并且如果木(mù)板有(yǒu)两层以上，您将看不到内部层。尽管如此，仅审查外部层应该提供一些有(yǒu)关设计质量的線(xiàn)索。

首先，查看所有(yǒu)迹線(xiàn)是否都在没有(yǒu)急剧弯曲的直線(xiàn)段中延伸。锐角对于某些高功率和高频走線(xiàn)可(kě)能(néng)很(hěn)麻烦。

与其尝试确定哪些迹線(xiàn)可(kě)以接受90°弯曲，不如简单地避免它们。无论如何，可(kě)以设置大多(duō)数CAD PCB布局软件包来避免此问题。

请注意，有(yǒu)一些例外。一些印刷電(diàn)感器是方形的同心螺旋形，一些印刷天線(xiàn)具有(yǒu)急剧的弯曲。但是，这两个都易于识别。

2 –去耦電(diàn)容器

所有(yǒu)芯片需要電(diàn)源才能(néng)正常工作，但是当发生什么電(diàn)源一段距离从芯片需要電(diàn)源了吗？在这些情况下，必须通过PCB走線(xiàn)（虽然通常通过内层上的PCB電(diàn)源板）為(wèi)芯片供電(diàn)。

去耦電(diàn)容器的位置非常靠近芯片的電(diàn)源引脚，以滤除任何高频噪声，以免对芯片产生负面影响。

通常，如果一个芯片具有(yǒu)多(duō)个VDD引脚，则每个这样的引脚都需要至少一个去耦電(diàn)容器，有(yǒu)时还需要更多(duō)。

这些去耦電(diàn)容器的物(wù)理(lǐ)位置应非常靠近它们应该去耦的引脚。如果这没有(yǒu)发生，则其效果将大大降低。

如果您的PCB设计没有(yǒu)在大多(duō)数微芯片的電(diàn)源引脚旁边放置去耦電(diàn)容器，那么这说明设计不正确。

如果您雇用(yòng)了某人来设计PCB，但他(tā)们没有(yǒu)正确处理(lǐ)去耦電(diàn)容器，那么您应该找一名新(xīn)设计师。

3 – PCB走線(xiàn)的長(cháng)度均衡

在要求多(duō)个信号之间具有(yǒu)精确定时关系的设计中，PCB走線(xiàn)的長(cháng)度必须匹配。例如，当将高速时钟信号路由到多(duō)个芯片或在微处理(lǐ)器和RAM 存储器之间运行的数据和地址总線(xiàn)时，这一点至关重要。

这样可(kě)以确保所有(yǒu)信号以相同的延迟到达目的地，从而保留了信号沿之间的关系。这需要访问原理(lǐ)图，并知道哪一组信号線(xiàn)需要精确的时序关系。

然后，按照走線(xiàn)查看是否已实现某种走線(xiàn)長(cháng)度均衡（称為(wèi)延迟線(xiàn)）。这些延迟線(xiàn)通常看起来像弯曲的線(xiàn)。

请注意，信号路径中的过孔会导致额外的延迟。如果无法避免这些问题，请检查所有(yǒu)需要精确时序关系的走線(xiàn)组是否具有(yǒu)相同数量的通孔。或者，您可(kě)以使用(yòng)延迟線(xiàn)来补偿通孔引起的延迟。

4 –天線(xiàn)馈線(xiàn)

如果您的设计包括无線(xiàn)電(diàn)发射器，接收器或收发器（发射器和接收器组合在一起），则它必须具有(yǒu)天線(xiàn)。

為(wèi)了获得有(yǒu)效性能(néng)，RF芯片上射频（RF）引脚之间的馈線(xiàn)应与与其相连的馈線(xiàn)阻抗匹配。反过来，该馈線(xiàn)必须匹配天線(xiàn)的阻抗。

為(wèi)了使天線(xiàn)与无線(xiàn)電(diàn)芯片之间的功率传输最大化，此阻抗匹配是必需的。

任何不匹配都会导致实际传输功率的减小(xiǎo)，从而减小(xiǎo)工作范围。该馈線(xiàn)只是具有(yǒu)受控阻抗的PCB走線(xiàn)，该阻抗与天線(xiàn)阻抗（通常為(wèi)50Ω）匹配。

如果变送器的输出阻抗与馈線(xiàn)的阻抗不匹配，则通常采用(yòng)由電(diàn)感器和電(diàn)容器组成的匹配网络。

為(wèi)了实现受控阻抗，馈線(xiàn)是PCB走線(xiàn)，其计算出的宽度在接地层上延伸。该走線(xiàn)的宽度取决于铜走線(xiàn)的厚度，PCB基板的厚度和介電(diàn)常数。

有(yǒu)许多(duō)在線(xiàn)工具可(kě)用(yòng)于计算给定铜厚度和基板材料所需的确切宽度，并且在实际的PCB中确认这种情况。我最喜欢的是可(kě)以从Broadcom下载的名為(wèi)AppCad的免费软件。

如果天線(xiàn)是PCB天線(xiàn)，则应位于PCB的一侧，没有(yǒu)任何接地平面。应该清除任何其他(tā)痕迹，并遠(yuǎn)离任何大型组件。

天線(xiàn)周围的丝网印刷标记通常很(hěn)好，但是铜制标记（例如PCB编号或公司名称）会使天線(xiàn)失谐。

5 –元件放置

除了放置去耦電(diàn)容器外，在電(diàn)路板上放置元件还有(yǒu)其他(tā)一些注意事项。

这里有(yǒu)一些注意事项：

如果電(diàn)路包含電(diàn)感器，则不应将它们放置得太近。電(diàn)感产生磁场。将它们紧密地放置在一起，尤其是首尾相连可(kě)能(néng)会导致它们之间不必要的耦合。

此外，電(diàn)感器不应靠近大型金属物(wù)體(tǐ)放置。磁场会在这些物(wù)體(tǐ)中感应出電(diàn)流，这会改变電(diàn)感器的值。

环形或圆环形的電(diàn)感器通常不易产生杂散磁场，因此其影响较小(xiǎo)。如果无法避免将電(diàn)感器靠近放置，则应将它们彼此垂直放置，以减少不必要的互耦合。

如果评估板中包含功率電(diàn)阻器或任何有(yǒu)大量热量产生的组件，则需要考虑热量对附近其他(tā)组件的影响。

例如，如果電(diàn)路中包含用(yòng)于补偿环境温度影响的热敏電(diàn)阻，则不应将其靠近任何功率電(diàn)阻放置。温度补偿電(diàn)容器也是如此。

如果電(diàn)路包含板载开关稳压器，则与之相关的所有(yǒu)组件都应物(wù)理(lǐ)定位在PCB的一部分(fēn)上，并尽可(kě)能(néng)遠(yuǎn)离处理(lǐ)小(xiǎo)信号的部分(fēn)。这些往往会产生很(hěn)大的开关噪声，会对噪声敏感的電(diàn)路部分(fēn)产生负面影响。

如果PCB直接在電(diàn)源部分(fēn)上直接施加了交流電(diàn)源，则交流侧应位于電(diàn)路板的一部分(fēn)上。

此外，PCB本身应具有(yǒu)物(wù)理(lǐ)屏障，以将AC与板的其余部分(fēn)分(fēn)隔开。通常，这是通过在PCB中有(yǒu)一个将两个部分(fēn)分(fēn)开的插槽来实现的。

6 –迹線(xiàn)宽度和布線(xiàn)

携带大電(diàn)流的走線(xiàn)应适当调整大小(xiǎo)。下图2显示了针对不同额定電(diàn)流的IPC（印刷電(diàn)路研究所）推荐走線(xiàn)（有(yǒu)时也称為(wèi)走線(xiàn)）宽度：

由于噪声拾取问题，携带小(xiǎo)模拟信号的走線(xiàn)不应与携带数字或快速变化信号的走線(xiàn)平行。

同样，一般来说，连接電(diàn)感的走線(xiàn)不应超过所需宽度。它们可(kě)能(néng)像天線(xiàn)一样工作，并产生有(yǒu)害的射频发射。

7 –地面和地面

对于任何中等复杂的PCB，至少使用(yòng)四层板，两层内层為(wèi)電(diàn)源和接地层。

如果设计同时包含模拟和数字部分(fēn)，则应将接地层分(fēn)开，并且仅在公共点（通常電(diàn)源负极）处连接。这样可(kě)以避免来自数字部分(fēn)的大接地電(diàn)流尖峰对模拟部分(fēn)产生不利影响。

如果仅使用(yòng)两层，则每个子電(diàn)路的接地回路走線(xiàn)应分(fēn)开，然后将它们全部连接至電(diàn)源负极端子。

如下图3所示，将任何子部分(fēn)或IC的接地回路连接到公共接地回路中，使其返回電(diàn)源负极，这是不好的设计。

这里的问题是PCB铜走線(xiàn)确实具有(yǒu)一定的電(diàn)阻。因此，流经走線(xiàn)的電(diàn)流将导致電(diàn)压下降。在上面的示例中，走線(xiàn)最右端的芯片将看到其接地参考電(diàn)压高于实际接地参考電(diàn)压。

此外，它的接地将根据图中左侧所有(yǒu)芯片的返回電(diàn)流而反弹。

结论

无论您是學(xué)习设计自己的PCB还是计划将其外包给電(diàn)气工程师，都需要能(néng)够判断PCB设计的质量。如果您没有(yǒu)设计经验并且将PCB设计外包，那么请注意本文(wén)中突出显示的七个方面，以确定您的工程师是否值得您付钱。

实际上，如果他(tā)们不符合这七个标准中的任何一个，那么我建议您考虑寻找新(xīn)设计师。另一方面，如果您要设计自己的PCB，请确保避免这些常见错误。

无论如何，在进行原型开发之前，由独立工程师进行完整的设计审查总是一个好主意。

上海韬放電(diàn)子提供专业的電(diàn)路设计，如果您有(yǒu)这方面的需求请联系我们，