1、深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 1997 年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的 PCB 设计、PCB 快速制造、SMT 加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话：0755-26546699-223开发经验PCB 布板闲谈 毕业 4 年以来，虽然其中有段时间在做嵌入式实时软件系统的驱动部分，可一直都挂着“硬件工程师”的头衔。其实有点惭愧，谈不上对硬件的有多深的造诣，除了有相当一部分时间设计硬件电路以外，更重要的也就是 PCB 布板。仔细想想，其中亲手布过的电路板，从简单的数字电视
2、机顶盒前面板的单层板，到复杂一点的 AT89C51 为核心的工业控制类的双层板，无线扩频电台的基带双层板，高速 FPGA的应用板，再到比较复杂的含有 DDR MEMERY 总线的四层板等不下 20 块，所幸的还有接触过的手机电路的 8 层板，所以，终归对 PCB 的布板有些想法。想法也罢，经验也罢，只要能够对读者的布板有所帮助的话，也就达到了我写这篇文章的目的。 一块优秀的电路板，除了在实现电路原理功能之外，还要考虑 EMI,EMC，ESD，信号完整性等电气特性，也要考虑机械结构，大功耗芯片的散热问题，在这基础上再考虑电路板美观问题。所以，PCB 板布线是门艺术，具体而言是门折衷的艺术。在开始
3、学习摸索 PCB 布线之前，或许您会在各式各样的参考书中看见各式各样的 PCB 板布线的规则，即使许多规则在一定程度上会是有相同的内涵，可是在不同的实际布板实践中会有不同的侧重点，甚至规则之间会产生冲突。举个例子：规则一信号传输的路径越短越好，规则二是在高频布线要求阻抗匹配。在考虑布 DDR MEMORY 的总线时，SOP 封装的 MEMERY 芯片不可能对所有的 TRACK 实现规则一,正确的做法是整体考虑阻抗匹配的条件下实现所有的 TRACK 相对最短。因此，实际布线中规则之间的不可兼得就会让读者布线过程中自觉的有效的利用这些规则时产生种种疑惑，甚至就陷入这样或者是那样的一般性的规则中不知
4、所措。在这就需要强调一点xA8DxA8D 各种布线规则只是指导性的，要结合实际的布线过程去不断折衷以取得最大的效用。我想只要在实际布线中自觉注意这些规则，或多或少会对布线的效果有所帮助。1 模块化，结构化的思想不仅体现在硬件原理设计中，也要反映在布局布线效果中 如今的硬件平台的集成度越来越高，系统越来越复杂，自然而然也就要求无论是硬件原理图的设计中还是 PCB 布线中使用模块化，结构化设计的方法。如果接触过大规模的 FPGA 或是 CPLD 就知道，复杂 IC 的设计必然要求采用自上至下的模块化的设计方法。所以作为硬件工程师，在了解系统整体架构的前提下，首先应该在原理图和 PCB 布线设计中自
5、觉融合模块化的设计思想。举个例子，数字电视机顶盒的硬件平台的主 ICQAMI5516 中就有如下的几种模块： 深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 1997 年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的 PCB 设计、PCB 快速制造、SMT 加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话：0755-26546699-223ST20:主频 180MHZ 的 32 位 RISC CPU PTI:TRANSPORT STREAM 的处理单元 DISPLAY:MPEG-2 解码，显示处理单元 DEMOD
6、ULATOR:QAM 解调器 MEMORY INTERFACE：不同应用系统所需要不同的 MEMORY 的接口 STBUS：各个模块的数据通讯总线 PERIPHERALS:UART,SMARTCARD,IIC,GPIO,PWM 等常用外设 AUDIO:音频输出接口 VEDIO:视频输出接口 QAMI5516 模块化的设计过程，虽然不一定要求硬件工程师了解系统的方方面面，可是必然要求在设计硬件平台时，把在实际运用中使用到的 IC 不同模块的接口部分当作一个子系统来处理：例如音频部分电路和视频部分电路在布局布线的时候就应该在一个整体区域内进行。这样做，不仅延续了 IC 模块化设计的思路，而且可以方
7、便在需要进行 PCB 板的物理分隔，减少不同模块之间的电气耦合，可以方便整个系统的调试。我们知道，硬件调试中最容易检查，处理电路原理设计中的错误的方法就是“头痛医头，脚痛医脚” ，即上述的 QAMI5516 平台中，如果音频部分电路有问题，首先要做的就是检查校验音频模块。深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 1997 年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的 PCB 设计、PCB 快速制造、SMT 加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话：0755-26546699-223模块化的思想还
8、体现在系统总线的布线上，通常总线都区分为 CONCROL BUS,DATA BUS,ADDR BUS,这三类。例如上面 QAMI5516 中 SMI 上使用的是一片 16M 的 SDRAM,工作频率在 100MHZ，这就要求这一组总线在布线过程中需要统一成一个整体来考虑阻抗匹配。在实际的布线过程中，不可能要把这些线布得七零八落吧。 模块化的思想也有利于 PCB 板的布局。 模块化的思想也有利于硬件系统的功能的扩展或是更改。 2 站在整个系统的角度上，分析各个模块信号的性质，确定其在整个系统中占据的地位，从而确定模块在布局布线的优先级 布局对于整个系统具有重要的意义，这要求在实际的布线过程中，对
9、于各个模块的具体处理有轻重缓急之分。一般的布局规则，都要求区分模块是模拟电路，还是数字电路，是高频电路还是低频电路，是主要的干扰源还是敏感的关键信号等等。因此，在布局之前必须仔细分析各个模块信号的性质包括模块的属性，功能，供电电源，具体信号的频率，电流的流向，电流强度等，以确定模块在 PCB 板上布局。通常，在机械结构确定的情况下，复杂的系统还会有 N 种不同的布局方式，这需要站在系统的角度上依照一些规则的折中来找出最优化的布局布线。 在数字模块中，都会有时钟，例如 SDRAM 的 CLOCK，而时钟电路是影响 EMC 的主要因素。集成电路的大部分噪声都与时钟频率及其多次谐波有关。如果 CLO
10、CK 信号是一个正弦波形式，如果处理不当，对系统会“贡献”一个该频率或是该频率的倍频的干扰源，如果是 CLOCK 信号是方波形式，则对系统“贡献”一个杂散频率的干扰源。同时，CLOCK 还是一个容易受干扰的信号，如果 CLOCK 受到干扰，对数字系统的影响可想而知。因此，时钟电路模块是属于关键模块，在布局布线过程中优先各种规则考虑其布局布线。 类似的还有在现在许多的嵌入式硬件系统中的各种各样的中断模块。中断的触发有电平触发和边沿触发。曾经碰到过一个设置为上升沿触发的中断因外界的干扰而不断的被触发，最终导致了 RTOS 由于处理不过来而堵死的现象。 深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 19
11、97 年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的 PCB 设计、PCB 快速制造、SMT 加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话：0755-26546699-223按照这一原则来分析二个简单的电路布局。在一个我接触到的手机硬件平台中，显示屏的亮度电路是通过一个 PWM 产生的不同脉宽信号，经过一个 RC 积分电路建立不同的背光灯电压来实现的。PWM 信号和 CLOCK 相比，在对整个系统 EMI 的影响上在某种意义上是相同的。但是如果仔细分析一些，就应该知道，如果在布线时，IC 的 PWM
12、信号在尽可能短的路径上建立模拟的电平后才在 PCB 板上传输，也就是说电阻和电容尽可能的靠近 PWM 管脚放置，这样可以使 PWM 对系统的干扰减小到最小。在手机硬件平台的设计中，RF 部分和音频部分是系统的核心，这两部分的布线占据绝对核心的地位，在布线时置于优先考虑的地位。所以在实际布局布线中，这两个模块的信号线单独布在一中间层，并且在其邻层使用电源层和地层，把它屏蔽起来，同时其他模块尽量远离这两个模块，以免引入干扰。另外尝试着考虑这样一个细节:MIC 输入很小的音频信号需要经过放大到一定的程度后再输入到 AUDIO ADC 中。我们知道抽象意义上的信道传输信噪比是衡量噪声对系统的影响。可以
13、相互参照，一个小的噪声在音频信号放大之前就串扰就信道和在音频信号在放大之后才进信道对音频指标的影响。如果这信道的路径不得以经过一些强干扰源的区域，建议音频信号进行放大后再进行传输。 再比如在复杂系统的总线上通常会挂接类型的设备，如 I2C 总线可以挂 127 个从设备，在某些机顶盒硬件平台中通常会挂上 DEMODULATOR,TUNER,E2PROM。这也要求对不同的设备对于分享总线的频率上加以区分，对于使用频率高的设备放在相对比较重要的位置上。例如在上述 QAMI5516 平台上的 EMI 接口同时使用了 SDRAM，FLASH 两种设备。基于对系统的理解，SDRAM 放置的是实时操作系统的
14、运行代码，FLASH 是作为一种存储介质，在软件系统运行过程中 SDRAM 相对于 FLASH 有更多的读写操作，因此在布线过程中应该先考虑 SDRAM 的位置。 3 注重电源完整性，布局布线中优先考虑电源和地线的处理 在任何电子系统中，干扰源对系统的干扰不外乎通过两种途径：一是通过导体的传递，二是通过电磁辐射经过空间的耦合。在频率较低的系统中主要是第一种路径，在高频系统中也有相当部分的干扰原因是通过导体的传递，其中比较明显的就是 IC 产生的噪声通过电源和地干扰整个系统。因此，电源的完整性或者说是电源质量对整个系统的抗干扰能力具有至关重要的意义。电源完整性实际上是信号完整性的一部分，然而考虑
15、到电源对于所有系统的重要性，在此单独列出。要声明的是，在实际系统中，要深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 1997 年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的 PCB 设计、PCB 快速制造、SMT 加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话：0755-26546699-223做到这一点并不容易，系统中总会有各种不同频率的噪声。在电路设计和 PCB 布局布线中只是极力的减小各种频率的噪声，从而提高系统的抗噪声的整体性能。同时，在复杂系统中，减少系统的噪声不是更改一两电容的值就能够做到，而是
16、需要注意电源滤波效果的累积。在手机硬件设计中，有专门的 PMU 来对管理对各个模块供电，然而 PMU 都是来自 VBAT。无法想象，如果是敏感的音频运放的供电没有经过滤波的处理，直接取自 VBAT，又或者，像给 SDRAM 供电的电路没有做滤波处理，任由这部分数字电路的开关噪声污染整个 VBAT，会是有什么样的后果？ 如果对电源完整性有了足够的重视，结合起前面说过的模块化和各个模块仔细分析后，这部分还是相对比较好处理。对于 IC 电源 VCC 通常的规则一般都会用旁路电容和去耦电容进行处理，并且在布板的时候尽量让这类电容靠近 IC 的电源输入处。如果在要求苛刻的系统中，还可以对不同的敏感频率采
17、用LCCL 电路（串接一个电感或是磁珠，并一个电解电容，并一个瓷片电容，再串一个小的电感，具体值需要依照相应频率确定）滤波。曾经做一个复杂的系统，由于在系统的 DEMODULATOR 上的一路核心电源上没有使用旁路电容，从而使 DEMODULATOR 的解调后的误码率高的无法忍受。对于系统中各种 GND 的处理，一般要求分析电流的回流路径。电流具有总是选择阻抗最小回流路径的性质。这是一个核心原则，可以通过这样一个事实来理解：在 PCB 布线中有“铺铜”这样的模式。 “铺铜”经常会在网络 GND 上使用，所有的数字信号都可以抽象成一个最基本的门级电路，GND 也就是信号回流路径的一部分。GND 就是通过“铺铜”的方式，使信号的路径上的总阻抗变小。 “就近接地” ， “最小化接地阻抗”也正是基于这样的考虑。 上面只是抛砖引玉的讲述了这几年来鄙人在 PCB 板中的一些感触颇深的几点，有了这三个指导性原则，并结合具体的许多布线规则，剩下就是您的态度问题了。当然，毕竟能力和见识有限，其中难免有所偏颇，不足之处恳请指正。如有技术问题请到 PCB 网城发贴讨论，点击进入：BBS.PCB
