PCB 设计的策略与技巧

1. PCB设计的策略与技巧 尽管现在的EDA工具很强大，但随着PCB尺寸要求越来越小，器件密度越来越高，极其苛刻的布线规则，这些都使得PCB设计的难度并不小。如何实现PCB高的布通率以及缩短设计时间呢？本文简要介绍PCB规划、布局和布线的设计技巧和要点，希望能从下面一些具体的例子的中带给大家一些启发。

2. 概述 PCB设计主要包括: 一. 信号完整性设计 二. 工艺及结构设计 三. 热设计

3. 一 信号完整性设计 信号完整性设计：即是对信号质量的控制,它在很大程度上决定着整个电路板性能的好坏,产品的正常功能能否实现、可靠性问题、EMC能否达标都是此设计阶段的主要任务。 主要考虑的方面： 1、电路板层数的设计 2、混合信号的分区设计 3、地线的设计 4、去藕和旁路电容设计 5、布线设计

4. １．电路板的层数设计 　　电路板的层数设计要考虑到电气性能、器件密 度、成本和结构等各方面的要求。设计师需要综合 考虑来取得折中方案。 “五－五”规则：即时钟频率大于５MHz或者脉冲上升 时间小于５ns，宜于选择多层电路板。 （１）Vcc、GND的层数 　　单板电源的层数由其种类数量决定：对于单一 电源供电的PCB，一个电源平面足够了；对于多种 电源，若互不交错，可考虑采取电源层分割（保证 相邻层的关键信号布线不跨分割区）；对于电源相 互交错的单板，则必须考虑采用2个或以上的电源平

5. 面。 　　对于地的层数要考虑： • 元件面下面（第2层或倒数第2层）有相对完整的地平面。 • 高频、高速、时钟等关键信号有一相邻地平面。 • 关键电源应与其对应地平面相邻。 　　从屏蔽的角度考虑，地平面一般均作了接地处 理，并作为基准电平参考点，其屏蔽效果远远优于 电源平面。因此，在选择参考平面时，应优选地平 面。

6. （２）电源层、地层、信号层的相对位置 单板层的排布一般原则： • 元件面下面（第二层）为地平面，提供器件屏蔽层以及为顶层布线提供参考平面。 • 所有信号层尽可能与地平面相邻。 • 尽量避免两信号层直接相邻。 • 主电源尽可能与其对应地相邻。 • 兼顾层压结构对称。 ２０Ｈ原则：一般电源层敷铜要内缩于地层，即电 源层到板边的距离要比地层到板边的距离大２０Ｈ （Ｈ指的是电源层到相应地层的层间厚度）．

7. 例１ 四层板，优选方案1 　　方案１为现行四层PCB的主选层设置方案，在 元件面下有一地平面，关键信号优选布TOP层。

8. 　至于层厚设置，有以下建议： ● 满足阻抗控制 ● 芯板（GND到POWER）不宜过厚，以降低电　　　 源到地平面的分布阻抗，保证电源平面的去耦效果 六层板，优选方案3 　　对于六层板，优先考虑方案3，优选布线层S2，其 次S3、S1。主电源及其对应的地布在4、5层。

9. 　　层厚设置时，增大S2-P之间的间距，缩小P-G2　　层厚设置时，增大S2-P之间的间距，缩小P-G2 之间的间距（相应缩小G1-S2层之间的间距），以 减小电源平面的阻抗，减少电源对S2的影响。 　　在成本要求较高时，可采用方案1，优选布线层 S1、S2，其次S3、S4 。与方案1相比，方案2保证 了电源、地平面相邻，减少电源阻抗，但S1、S2、 S3、S4全部裸露在外，只有S2才有较好的参考平 面。 　　对于局部、少量信号要求较高的场合，方案4比 方案3更合适，它能提供极佳的布线层S2。 （注：S－信号层，P－电源层，G－地层）

10. ２．混合信号PCB的分区设计 混合信号电路PCB的设计很复杂，元器件的局、布线以及电源和地线的处理将直接影响到电路性能和电磁兼容性能。 如何降低数字信号和模拟信号间的相互干扰呢 ？在设计之前必须了解电磁兼容(EMC)的两个基本原则：第一个原则是尽可能减小电流环路的面积；第二个原则是系统只采用一个参考面。 相反，如果系统存在两个参考面，就可能形成一个偶极天线(注：小型偶极天线的辐射大小与线的长度、流过的电流大小以及频率成正比) ；而如果信号不能通过尽可能小的环路返回，就可能形

11. 成一个大的环状天线(注：小型环状天线的辐射大小与环路面积、流过环路的电流大小以及频率的平方成正比)。在设计中要尽可能避免这两种情况。成一个大的环状天线(注：小型环状天线的辐射大小与环路面积、流过环路的电流大小以及频率的平方成正比)。在设计中要尽可能避免这两种情况。 一种建议将混合信号电路板上的数字地和模拟地分割开，这样能实现数字地和模拟地之间的隔离。尽管这种方法可行，但是存在很多潜在的问题，在复杂的大型系统中问题尤其突出。最关键的问题是不能跨越分割间隙布线，一旦跨越了分割间隙布线，电磁辐射和信号串扰都会急剧增加。在PCB设计中最常见的问题就是信号线跨越分割地或电源而产生EMI问题。

12. 例２ 　　如图1所示，我们采用上述 分割方法，而且信号线跨越了两 个地之间的间隙，在这种情况下 当把分割地在电源处连接在一起 时，将形成一个非常大的电流环 路。流经大环路的高频电流会产 生辐射和很高的地电感，如果流 过大环路的是低电平模拟电流， 该电流很容易受到外部信干扰。 另外，模拟地和数字地通过一根 长导线连接在一起会构成偶极天 线。 图１

13. 图２ 方法一： 　　如果必须对地线层进行分割， 而且必须通过分割之间的间隙布线 ，可以先在被分割的地之间进行单 点连接，形成两个地之间的连接桥 ，然后通过该连接桥布线。这样， 在每一个信号线的下方都能够提供 一个直接的电流回流路径，从而使 形成的环路面积很小。如图２所示。 方法二： 　　采用光隔离器件或变压器也能实现信号跨越分割 间隙。对于前者，跨越分割间隙的是光信号；对于后 者，跨越分割间隙的是磁场。

14. 方法三：　　采用差分信号， 信号从一条线流入从另外一条信号线返回，这种情况下不需要地作为回流路径。 方法四： PCB设计采用统一地，通过数字电路和模拟电路 分区以及合适的信号布线，避免了地分割带来的潜 在的麻烦．在这种情况下元器件的布局和分区就成 为决定设计优劣的关键。如果布局布线合理，数字 地电流将限制在电路板的数字部分，不会干扰模拟 信号。

15. 　要深入探讨数字信号对模拟信号的干扰必须先　要深入探讨数字信号对模拟信号的干扰必须先 了解高频电流的特性。许多设计工程师仅仅考虑信 号电流从哪儿流过，而忽略了电流的具体路径。高 频电流总是选择阻抗最小(电感最低)，直接位于信 号下方的路径，因此返回电流会流过邻近的电路层 ，而无论这个临近层是电源层还是地线层。由此可 以得知，只有将数字信号布线在电路板的模拟部分 之上或者将模拟信号布线在电路板的数字部分之上 时，才会出现数字信号对模拟信号的干扰。

16. 在实际工作中一般倾向于使用统一地，而将PCB 分区为模拟部分和数字部分。模拟信号在电路板所有 层的模拟区内布线，而数字信号在数字电路区内布线。 如果系统仅有一个A/D转换器， 如图３中所示，将地分割开，在 A/D转换器下面把模拟地和数字地 部分连接在一起。采取该方法时， 必须保证两个地之间的连接桥宽度 与IC等宽，并且任何信号线都不能 跨越分割间隙。 图３

17. 　　如果系统中A/D转换器较多， 例如10个A/D转换器，如果在每一 个A/D转换器的下面都将模拟地和 数字地连接在一起，则产生多点相 连，模拟地和数字地之间的隔离就 毫无意义。而如果不这样连接，就 违反了厂商的要求。（大多数的 A/D厂商会建议将AGND和DGND 图４ 管脚通过最短的引线连接到同一个低阻抗的地上) 。 　　最好的办法就是一开始就使用统一地。如图４所 示将统一的地分为模拟部分和数字部分。

18. ３．地线设计 （１）正确选择单点接地和多点接地 低频电路中，信号的工作频率小于1MHz，它的 布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的 环流对干扰影响较大，因而应采用一点接地。 　　当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得 很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点 接地。 当工作频率在1～10MHz时，如果采用一点接地 ，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多 点接地法。

19. （２）尽量加粗接地线 若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变 化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性 能变坏。因此应将接地线尽量加粗，使它能通过三 倍于印制电路板的允许电流。如有可能，接地线的 宽度应大于3mm。（一般情况下，地线宽度＞电源 线宽度＞信号线宽度） （３）地线与电源线应配合布置，彼此尽量靠近和　　　　 　　　平行

20. 例３ 图５在此电路 板上，使用不同的路 线来布电源线和地线 ，由于这种不恰当配 合，电路板的电子元 器件和线路受电磁干 扰的可能性比较大。 图５

21. 　　图６在此单面 板中，到电路板上 器件的电源线和地 线彼此靠近。此电 路板中电源线和地 线的配合比图５中 恰当。电路板中电 子元器件和线路受 电磁干扰(EMI)的 可能性降低了 679/12.8倍或约54 倍 图６

22. （４）将接地线构成闭环路 设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系 统时，将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声 能力。其原因在于：印制电路板上有很多集成电路 元件，尤其遇有耗电多的元件时，因受接地线粗细 的限制，会在地结上产生较大的电位差，引起抗噪 声能力下降，若将接地结构成环路，则会缩小电位 差值，提高电子设备的抗噪声能力。（注意：模拟 电路不能采用此方法。）

23. ４．去耦或旁路电容配置 在电路板上加旁路或去耦电容，以及这些电容 在板上的位置，对于数字和模拟设计来说都属于常 识。（作用不同，但用法一致。）其配置规则如下： （１）电源输入端跨接一个10～100uF的电解电容 器，如果印制电路板的位置允许，采用100uF以上 的电解电容器的抗干扰效果会更好。 （２）为每个集成电路芯片配置一个0.01uF的陶瓷 电容器。如遇到印制电路板空间小而装不下时，可 每4～10个芯片配置一个1～10uF钽电解电容器。

24. （３）对于噪声能力弱、关断时电流变化大的器件（３）对于噪声能力弱、关断时电流变化大的器件 和ROM、RAM等存储型器件，应在芯片的电源线 （Vcc）和地线（GND）间直接接入去耦电容。 （４）去耦电容的引线不能过长，特别是高频旁路 电容不能带引线。 此外，还应注意以下两点： （1）在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时 ，操作它们时均会产生较大火花放电，必须采用RC 电路来吸收放电电流。一般R取1～2K，C取2.2～ 47uF。 （2）CMOS的输入阻抗很高，且易受感应，因此在使 用时对不用端要接地或接正电源。

25. ５．PCB布线设计 （１）PCB设计产生的寄生元件 PCB设计中很容易形成可能产生问题的两种基本 寄生元件：寄生电容和寄生电感。设计电路板时， 放置两条彼此靠近的走线就会产生寄生电容。分两 种情况：在不同的两层，将一条走线放置在另一条 走线的上方；或者在同一层，将一条走线放置在另 一条走线的旁边，如图７所示。在这两种走线配置 中，一条走线上电压随时间的变化(dV/dt)可能在另 一条走线上产生电流。如果另一条走线是高阻抗的 ，电场产生的电流将转化为电压。

26. 　　电路板中寄生电感产生的原理与寄生电容形成的原理类似。一条走线上电流随时间的变化(dI/dt)，由于这条走线的感抗，会在同一条走线上产生电压；并由于互感的存在，会在另一条走线上产生成比例的电流。　　电路板中寄生电感产生的原理与寄生电容形成的原理类似。一条走线上电流随时间的变化(dI/dt)，由于这条走线的感抗，会在同一条走线上产生电压；并由于互感的存在，会在另一条走线上产生成比例的电流。 图７　大家可以根据图７中的公 式自己计算出实际工作电路中耦 合电流是多大

27. 如果在第一条走线上的电压变化足够大，干扰可能如果在第一条走线上的电压变化足够大，干扰可能 会降低数字电路的电压容限而产生误差。这种现象 在数字电路中比较常见，因为数字电路中存在较大 的瞬时开关电流。 图８　如果不注意走线的放置，PCB中的走线可能产生线路 感抗和互感。这种寄生电感对于包含数字开关电路的电路运行 是非常有害的。

28. 有两种办法可以减少上述寄生元件问题： ●　最常用的技术是根据电容的方程，改变走线之间 　 的尺寸。即增加两条走线的距离d和减少走线的 长度Ｌ。 ●　另一种技术是在这两条走线之间布地线。地线是 低阻抗的，而且添加这样的另外一条走线将削弱 产生干扰的电场。 （２）信号线最短原则 愈是重要和敏感的信号，其器件之间的连线愈 要短。尽量减少印制导线的不连续性，导线宽度不 要突变，导线拐弯处一般取钝角或圆弧形，因为直 角或夹角在高频电路中会影响电气性能。禁止环状 走线。

29. （３）环路最小原则 信号线与其回路构成的环面积要尽可能的小， 环面积越小，对外辐射越少，接收外界的干扰也小。 （４）布线优先次序 　　关键信号线优先：电源、模拟小信号，高速信 号，时钟信号和同步信号等关键信号优先布线。 密度优先原则：从单板上连接关系最复杂的器 件着手布线，从单板上连线最密集的区域开始布线。

30. （ ５）自动布线 　　在布线质量满足设计要求的情况下，可使用自 动布线器以提高工作效率，在自动布线前应完成以 下工作：自动布线控制为了更好的控制布线质量， 一般在运行前要详细定义布线规则，这些规则可以 在软件的图形界面内进行定义，但软件提供了更好 的控制方法，即针对设计情况，写出自动布线控制 文件，软件在该文件控制下运行。

31. 二　工艺及结构设计 PCB在考虑电设计的基础上，要考虑满足工艺与 结构要求。 １．元件放置的方向性 （１）元器件放置方向考虑布线，装配，焊接和维 修的要求后，尽量统一。在PBA 上的元件尽量要求 有统一的方向，有正负极型的元件也要有统一的方 向。 （２）对采用波峰焊工艺的PCB板，DIP器件轴向 与波峰焊传送方向垂直，阻、容件轴向要与传送方 向垂直， 排阻及 SOP（PIN间距大于等于1.27mm）

32. 元器件轴向与传送方向平行；PIN间距小于1.27mm (50mil)的IC、SOJ、PLCC、QFP等有源元件避免用 波峰焊；见图９。 图９　图示插件与贴片过波峰焊的布局要求

33. ２．元件距离 BGA与相邻元件的距离>5mm；其他贴片元件相 互间的距离≥0.75mm；贴装元件焊盘外侧与相邻插 装元件的外侧距离>2mm。 图10 图11

34. ３．焊盘设计 　　焊盘设计必须参照元器件技术资料上提供的元 器件尺寸参数或参考焊盘来设计，一般遵循如下规 则： ——片式分立元件（电阻、电容、电感、单片二极管等）的焊盘形状需与元件焊接面的形状一致，焊盘内距要小于元件端电极的内距，焊盘外距要大于元件端电极的外距约0.5~2mm，焊盘宽度等于或略大于元件端电极的宽度。 ——片式小外形封装晶体管的焊盘间的中心矩必须与器件引线间的中心矩相等，焊盘内距要小于引脚内距，焊盘外距要大于引脚外距，焊盘形状亦需与焊接面一致。

35. ——IC类元件焊盘中心矩必须与器件引线的中心矩相等，焊盘宽度等于或略大于引脚宽度，焊盘内距小于引脚内距，焊盘外距要大于引脚外距。——IC类元件焊盘中心矩必须与器件引线的中心矩相等，焊盘宽度等于或略大于引脚宽度，焊盘内距小于引脚内距，焊盘外距要大于引脚外距。 ——对于手工插件元器件，焊盘通孔一般大于元件引脚0.2~0.3mm（特殊情况可以达到0.5mm） 。 表一　元件引脚外径与焊盘孔径关系表

36. ４．大面积导体中连接腿的处理 此问题在我部生产过程中造成的焊接不良现象比较常见，故单独拿出来讲。     　在大面积的接地（电）中，常用元器件的腿与其连接，对连接腿的处理需要进行综合的考虑，就电气性能而言，元件腿的焊盘与铜面满接为好，但对元件的焊接装配就存在一些不良隐患如：①焊接需要大功率加热器。②容易造成虚焊点。所以兼顾电气性能与工艺需要，做成十字花焊盘，称之为热隔离（heat shield）俗称热焊盘（Thermal），这样，可使在焊接时因截面过分散热而产生虚焊点的可能性大大减少。多层板的接电（地）层腿的处理相同。

37. 例４ 差的设计： 好的设计：

38. ５．线宽和线间距的设置 　　线宽和线间距的设置要考虑的因素: ——单板的密度。板的密度越高，倾向于使用更细 　　的线宽和更窄的间隙。 ——信号的电流强度。当信号的平均电流较大时， 　　应考虑布线宽度所能承载的电流。线宽可参考 　　以下数据：PCB设计时铜箔厚度，走线宽度和 　　电流的关系，不同厚度，不同宽度的铜箔的载 　　流量见表2。表中的数据均为温度在10℃下的 　　线路电流承载值。也可以使用经验公式计算： 0.15X线宽(W)=电流(I)。 　　电流承载值与线路上的元器件数量/焊盘以及过 　　孔都有关系。

40. ——电路工作电压：线间距的设置应考虑其介电强——电路工作电压：线间距的设置应考虑其介电强 　　度。 ——可靠性要求。可靠性要求高时，倾向于使用较 　　宽的布线和较大的间距。 ——PCB加工技术限制，见表３ 。 表３

41. 6．拼板设计要求 ——拼板的尺寸不可太大，也不可太小，应以制造 　　装配和测试过程便于加工，不产生较大变形为 　　宜。 ——拼板的工艺夹持边和安装工艺应由PCB板的制 　　造和安装工艺来确定。 ——每块拼板上应设计光学定位点和定位孔。需要确定尽量不要变动。 ７．特殊器件布局 （１）某些元器件或导线之间可能有较高的电差位 ，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。 带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及 的地方。

42. （２）重量超过15g的元器件，应当用支架加以固定（２）重量超过15g的元器件，应当用支架加以固定 ，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件， 不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上， 且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。 （３）对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、 微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求 若是机内调节，应放在印制板上方便调节的地方； 若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上 的位置相适应。 （４）应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位 置。

43. 三　热设计 从有利于散热的角度出发，印制版最好是直立 安装，板与板之间的距离一般不应小于2cm，而且器 件在印制版上的排列方式应遵循一定的规则： ——元件的排列应有利于散热，必要的情况下使用　　　风扇和散热器，对于小尺寸高热量的元件加散热器尤为重要。 ——大功率MOSFET 等元件下面可以通过敷铜来散热，而且在这些元件的周围尽量不要放热敏感元件。如果功率特别大，热量特别高，可以加散热片进行散热。

44. ——在水平方向上，大功率器件尽量靠近印制板边沿布置，以便缩短传热路径；在垂直方向上，大功率器件尽量靠近印制板上方布置，以便减少这些器件工作时对其它器件温度的影响。——在水平方向上，大功率器件尽量靠近印制板边沿布置，以便缩短传热路径；在垂直方向上，大功率器件尽量靠近印制板上方布置，以便减少这些器件工作时对其它器件温度的影响。 ——同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列，发热量小或耐热性差的器件（如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等）放在冷却气流的最上流（入口处），发热量大或耐热性好的器件（如功率晶体管、大规模集成电路等）放在冷却气流最下游。

45. ——设备内印制板的散热主要依靠空气流动，所以在设计时要研究空气流动路径，合理配置器件或印制电路板。空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动，所以在印制电路板上配置器件时，要避免在某个区域留有较大的空域。整机中多块印制电路板的配置也应注意同样的问题。——设备内印制板的散热主要依靠空气流动，所以在设计时要研究空气流动路径，合理配置器件或印制电路板。空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动，所以在印制电路板上配置器件时，要避免在某个区域留有较大的空域。整机中多块印制电路板的配置也应注意同样的问题。 ——对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域（如设备的底部），千万不要将它放在发热器件的正上方，多个器件最好是在水平面上交错布局。

46. 以上所述只是印制电路板可靠性设计的一些通用原则，印制电路板可靠性与具体电路有着密切的关系，在设计中还需根据具体电路进行相应处理，才能最大程度地保证印制电路板的可靠性。以上所述只是印制电路板可靠性设计的一些通用原则，印制电路板可靠性与具体电路有着密切的关系，在设计中还需根据具体电路进行相应处理，才能最大程度地保证印制电路板的可靠性。