如何布線(xiàn)PCB

2021-09-19

如何布線(xiàn)PCB

PCB设计上的布線(xiàn)和过孔通常被认為(wèi)是一项简单的任務(wù)。导入板子并在板上布置元件后，开始用(yòng)铜连接元件似乎是一件相对容易的事情。虽然在简单板上的低速 TTL DIP 组件时代可(kě)能(néng)确实如此，但今天的设计要求要复杂得多(duō)。PCB 上的走線(xiàn)可(kě)能(néng)带有(yǒu)非常具體(tǐ)的设计要求，旨在确保布線(xiàn)过程中的信号完整性。

尽管走線(xiàn)可(kě)能(néng)有(yǒu)特定的布線(xiàn)要求，但如今更高级的 PCB布線(xiàn)功能(néng)可(kě)以帮助您设置和遵循走線(xiàn)的设计规则。您将用(yòng)于電(diàn)路板的重要布線(xiàn)技术取决于您使用(yòng)的信号标准和所需的布線(xiàn)拓扑。如果这是您第一次设计 PCB 并且您已准备好布線(xiàn)阶段，那么请不要担心，我们将向您展示如何布線(xiàn)PCB 并确定您在 PCB 中应遵循的布線(xiàn)要求。

开始 PCB布線(xiàn)

所有(yǒu) PCB 都需要有(yǒu)铜来连接表层或内层上的组件，称為(wèi)走線(xiàn)。什么是“简单”设备取决于几个因素，这些因素将决定您在 PCB 中使用(yòng)的适当走線(xiàn)设计。您会在低速和高速信号标准中发现的一些重要设计布線(xiàn)要求包括：

走線(xiàn)的载流能(néng)力，因為(wèi)高電(diàn)流板可(kě)能(néng)需要大走線(xiàn)甚至多(duō)边形

電(diàn)路板中使用(yòng)的走線(xiàn)宽度，这将确保可(kě)制造性并会影响串扰

任何需要特定宽度的受控阻抗信号，必须根据 PCB 叠层设置

路由拓扑，这将决定走線(xiàn)如何分(fēn)支连接到多(duō)个组件

沿迹線(xiàn)的总损耗，决定了最大允许的迹線(xiàn)長(cháng)度

并行总線(xiàn)和差分(fēn)对中允许的偏斜；具有(yǒu)源同步时钟（SPI 或 I2C）和并行总線(xiàn)的协议都具有(yǒu)最大偏斜规范

作為(wèi)设计师，您的工作是在所有(yǒu)这些方面找到平衡点，并确定以上列表中的哪些点对于不同的网络最重要。例如，高速设计依赖于差分(fēn)对的受控阻抗，而高電(diàn)流 DC 设计需要具有(yǒu)不一定具有(yǒu)特定阻抗的宽走線(xiàn)。

首先，让我们看看更基本的電(diàn)路板的一些布線(xiàn)要求，然后我们将进入更高级的设计。

简单的 PCB 走線(xiàn)布線(xiàn)

如果您的设计没有(yǒu)以高速运行，它的密度不足以产生串扰问题，并且您的走線(xiàn)需要承载低電(diàn)流，那么您通常可(kě)以自由选择可(kě)以轻松容纳您的组件引脚和引線(xiàn)的走線(xiàn)宽度。在这些设计中可(kě)以使用(yòng) 5-15 密耳的走線(xiàn)宽度，因為(wèi)它们足够小(xiǎo)，可(kě)以直接布線(xiàn)到大多(duō)数组件的焊盘中。下面显示了一个带有(yǒu)运算放大器的基本示例，其中在低速 IC、一些電(diàn)阻器和電(diàn)容器之间布線(xiàn)。

像这样的更简单的设计通常不关心阻抗、标准路由拓扑或高電(diàn)流。然而，很(hěn)少有(yǒu)现代设计如此简单，以至于它们不需要某种程度的走線(xiàn)设计或路由规则的确定。

现代 PCB 的布線(xiàn)规则

今天的電(diàn)路板，即使是那些只使用(yòng)简单 MCU 和低功率级的電(diàn)路板，也需要一定程度的走線(xiàn)设计和布線(xiàn)规则来确保信号完整性。设计人员需要确定其连接的走線(xiàn)几何要求，以确保可(kě)靠性和信号完整性。

确定给定跟踪中的当前需求；PCB 中電(diàn)源電(diàn)路中的布線(xiàn)可(kě)以承载高電(diàn)流。

如果電(diàn)流非常低（小(xiǎo)于 1 A），请通过查看组件数据表或信号标准来确定是否需要阻抗控制。

如果需要阻抗控制，计算达到阻抗目标所需的走線(xiàn)宽度。如果需要差分(fēn)对，还要计算所需的走線(xiàn)间距。

如果需要阻抗控制，很(hěn)可(kě)能(néng)会使用(yòng)单端或差分(fēn)对来实现路由拓扑。请務(wù)必检查您的信令标准以确定您的路由要求，其中包括损耗预算（确定总長(cháng)度）、阻抗要求以及差分(fēn)对或并行总線(xiàn)中允许的長(cháng)度不匹配等内容。

一旦确定了電(diàn)路板中的任何布線(xiàn)要求，就可(kě)以為(wèi)设计中的特定网络设置设计规则。这涉及在您的设计规则中设置最小(xiǎo)或最大走線(xiàn)宽度，并且您的布線(xiàn)工具将在您布線(xiàn)时使用(yòng)这些规范来设置走線(xiàn)宽度。

阻抗和路由拓扑

当您需要在 PCB布局中进行阻抗控制时，您需要使用(yòng)多(duō)种方法之一来确定阻抗。您可(kě)以使用(yòng)一些公式来确定设计中的阻抗，或者您可(kě)以使用(yòng)更专业的应用(yòng)程序来计算设计中所需的阻抗。单端和差分(fēn)对阻抗将具有(yǒu)定义的几何形状，以确保满足阻抗目标。

确定阻抗的最快方法是使用(yòng)包含内置计算器工具的 PCB设计软件。并非所有(yǒu) PCB设计应用(yòng)程序都包含这种类型的实用(yòng)程序，以及那些确实会产生不同精度水平的结果的应用(yòng)程序。最好的 PCB设计应用(yòng)程序将包括一个電(diàn)磁场求解器，它可(kě)以自动计算所需的走線(xiàn)几何形状。这些工具将获取 PCB 中的介電(diàn)常数和铜粗糙度信息，并使用(yòng)它来计算达到目标阻抗所需的走線(xiàn)宽度和差分(fēn)对间距。

走線(xiàn)布線(xiàn)拓扑定义了走線(xiàn)在组件输入和输出之间如何走線(xiàn)，以及走線(xiàn)如何从彼此分(fēn)支以到达多(duō)个组件。例如，DDR 布線(xiàn)使用(yòng)飞越拓扑，其中单个总線(xiàn)分(fēn)支以到达设计中的多(duō)个组件。在另一个示例中，SPI 使用(yòng)类似的总線(xiàn)拓扑，但在总線(xiàn)上的负载点处应用(yòng)了端接。其他(tā)组件可(kě)能(néng)使用(yòng)点对点拓扑来访问多(duō)个组件，这在设计需要单个组件通过单个 IO 接口与多(duō)个负载通信时最常见。确保您了解信号标准中所需的路由拓扑，以及这些走線(xiàn)是否需要阻抗控制。

PCB 中的布線(xiàn)

PCB布局中的走線(xiàn)通过简单地指向和单击電(diàn)路板中的位置进行布線(xiàn)。在此过程中，铜線(xiàn)将固定在用(yòng)户单击鼠标的所需位置，最终跨越布局到达所需位置。PCB 编辑器应用(yòng)程序中的布線(xiàn)工具可(kě)以在您在布局中布線(xiàn)时自动转角（通常為(wèi) 45° 角），并且它们可(kě)以在您在 PCB 中的组件之间移动迹線(xiàn)时放置过孔。

在开始布線(xiàn)之前，请花(huā)一些时间為(wèi)不同的布線(xiàn)制定策略，以确保您不会过度使用(yòng)过孔或需要添加额外的层来解决電(diàn)路板问题。您的 PCB布線(xiàn)策略将取决于您的 PCB布局；如果在 PCB布局中交叉的网络过多(duō)，则在没有(yǒu)过多(duō)层转换的情况下布線(xiàn)会更加困难。有(yǒu)时，您必须首先从最简单的布線(xiàn)开始，因為(wèi)这将帮助您确定哪些布線(xiàn)需要更多(duō)的时间和精力才能(néng)在 PCB布局中完全布線(xiàn)。

有(yǒu)些路線(xiàn)可(kě)能(néng)非常复杂，例如从这个 BGA 逃逸。这条路線(xiàn)穿过两个过孔，最终在表面层结束。

您应该考虑的一些重要的 PCB布線(xiàn)指南包括：

尝试在同一层上保持给定接口或信令协议的受控阻抗迹線(xiàn)

最大限度地减少高速协议和 RF 轨迹上的过孔转换

小(xiǎo)心不要在平面上的裂缝上布線(xiàn)并跟踪 PCB 中的返回路径；最好的方法是使用(yòng)统一的地面區(qū)域

尽量保持走線(xiàn)短而直接，不要让走線(xiàn)超过需要的長(cháng)度

对于大電(diàn)流布線(xiàn)，不要害怕使用(yòng)多(duō)边形来构建更大的导體(tǐ)；这些可(kě)用(yòng)于制造任何形状的导體(tǐ)

信号完整性是与 PCB 叠层设计和布線(xiàn)密切相关的一个领域。相对于信号层和布線(xiàn)的平面/GND/PWR 层的布置是信号完整性的主要决定因素，并且在 GND 的完整部分(fēn)上布線(xiàn)是确保您的设计保持信号完整性和抗 EMI 的最佳方法（串扰、外部射频噪声、電(diàn)源噪声等）。上面显示的这个简单指南和布線(xiàn)规则将有(yǒu)助于防止或减少许多(duō)信号完整性问题，并有(yǒu)助于确保您的電(diàn)路板保持功能(néng)。

可(kě)帮助您遵守基本 PCB布線(xiàn)指南的最先进的布線(xiàn)工具是交互式的。换句话说，这些工具是半自动化的，允许您為(wèi)一组信号定义布線(xiàn)，布線(xiàn)工具将放置走線(xiàn)，使其自动遵守您的设计规则。在这种类型的布線(xiàn)中，您的网络和网络组的设计规则会在您创建 PCB布局时自动检查。许多(duō)免费软件和开源设计程序迫使您手动完成所有(yǒu)工作，但 Altium Designer 等高级 PCB设计程序可(kě)以帮助您在完成 PCB布局和布線(xiàn)时保持高效。

Altium Designer 的交互式布線(xiàn)功能(néng)提供智能(néng)的半自动 PCB布線(xiàn)，遵循您的设计规则和基本布線(xiàn)要求。