#技术风云榜#PCB布线设计（一）

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: u5 d% ^  l2 O5 H0 V8 U#技术风云榜#PCB布线设计（一）
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在当今激烈竞争的电池供电市场中，由于成本指标限制，设计人员常常使用双面板。尽管多层板(4层、6层及8层)方案在尺寸、噪声和性能方面具有明显优势，成本压力却促使工程师们重新考虑其布线策略，采用双面板。在本文中，我们将讨论自动布线功能的正确使用和错误使用，有无地平面时电流回路的设计策略，以及对双面板元件布局的建议。


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自动布线的优缺点以及模拟电路布线的注意事项
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8 L+ g( S8 y* a% z1 v　　设计PCB时，往往很想使用自动布线。通常，纯数字的电路板(尤其信号电平比较低，电路密度比较小时)采用自动布线是没有问题的。但是，在设计模拟、混合信号或高速电路板时，如果采用布线软件的自动布线工具，可能会出现一些问题，甚至很可能带来严重的电路性能问题。
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: s! D1 X* @) b7 {　　例如，图1中显示了一个采用自动布线设计的双面板的顶层。此双面板的底层如图2所示，这些布线层的电路原理图如图3a和图3b所示。设计此混合信号电路板时，经仔细考虑，将器件手工放在板上，以便将数字和模拟器件分开放置。

! t! W+ y3 a! J8 q$ B　　采用这种布线方案时，有几个方面需要注意，但最麻烦的是接地。如果在顶层布地线，则顶层的器件都通过走线接地。器件还在底层接地，顶层和底层的地线通过电路板最右侧的过孔连接。当检查这种布线策略时，首先发现的弊端是存在多个地环路。另外，还会发现底层的地线返回路径被水平信号线隔断了。这种接地方案的可取之处是，模拟器件(12位A/D转换器MCP3202和2.5V参考电压源MCP4125)放在电路板的最右侧，这种布局确保了这些模拟芯片下面不会有数字地信号经过。
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　　图3a和图3b所示电路的手工布线如图4、图5所示。在手工布线时，为确保正确实现电路，需要遵循一些通用的设计准则：尽量采用地平面作为电流回路；将模拟地平面和数字地平面分开；如果地平面被信号走线隔断，为降低对地电流回路的干扰，应使信号走线与地平面垂直；模拟电路尽量靠近电路板边缘放置，数字电路尽量靠近电源连接端放置，这样做可以降低由数字开关引起的di/dt效应。

　　这两种双面板都在底层布有地平面，这种做法是为了方便工程师解决问题，使其可快速明了电路板的布线。厂商的演示板和评估板通常采用这种布线策略。但是，更为普遍的做法是将地平面布在电路板顶层，以降低电磁干扰。

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图1 采用自动布线为图3所示电路原理图设计的电路板的顶层

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8 L. i8 Y. W7 ?& q' s/ h) k& ?8 S图2 采用自动布线为图3所示电路原理图设计的电路板的底层
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图3a 图1、图2、图4和图5中布线的电路原理图

　
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图3b 图1、图2、图4和图5中布线的模拟部分电路原理图

　
6 J0 t0 V$ s8 r6 _+ Q有无地平面时的电流回路设计

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　　对于电流回路，需要注意如下基本事项：
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7 u' {- A1 J! i) v) v+ G　　1. 如果使用走线，应将其尽量加粗

" V2 u" `/ A* O' F4 p6 F　　PCB上的接地连接如要考虑走线时，设计应将走线尽量加粗。这是一个好的经验法则，但要知道，接地线的最小宽度是从此点到末端的有效宽度，此处“末端”指距离电源连接端最远的点。
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: r2 j6 {: ~1 ]8 k　　2. 应避免地环路

　　3. 如果不能采用地平面，应采用星形连接策略(见图6)

　　通过这种方法，地电流独立返回电源连接端。图6中，注意到并非所有器件都有自己的回路，U1和U2是共用回路的。如遵循以下第4条和第5条准则，是可以这样做的。

% ]  ^; {$ {* r' y5 o: g　　4. 数字电流不应流经模拟器件
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　　数字器件开关时，回路中的数字电流相当大，但只是瞬时的，这种现象是由地线的有效感抗和阻抗引起的。对于地平面或接地走线的感抗部分，计算公式为V = Ldi/dt，其中V是产生的电压，L是地平面或接地走线的感抗，di是数字器件的电流变化，dt是持续时间。对地线阻抗部分的影响，其计算公式为V= RI, 其中，V是产生的电压，R是地平面或接地走线的阻抗，I是由数字器件引起的电流变化。经过模拟器件的地平面或接地走线上的这些电压变化，将改变信号链中信号和地之间的关系(即信号的对地电压)。
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) t; U, ], d9 z8 h+ C　　5. 高速电流不应流经低速器件
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6 a4 p# z: y; {- d# I# j8 p- Z2 n; ~　　与上述类似，高速电路的地返回信号也会造成地平面的电压发生变化。此干扰的计算公式和上述相同，对于地平面或接地走线的感抗，V = Ldi/dt ；对于地平面或接地走线的阻抗，V = RI 。与数字电流一样，高速电路的地平面或接地走线经过模拟器件时，地线上的电压变化会改变信号链中信号和地之间的关系。
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* r+ W: V: l0 ~8 ^% [图4 采用手工走线为图3所示电路原理图设计的电路板的顶层
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0 j  l* J4 N) H9 I% [  G$ r
3 `0 p$ W5 p+ r* Y& e* B图5 采用手工走线为图3所示电路原理图设计的电路板的底层

　
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图6 如果不能采用地平面，可以采用“星形”布线策略来处理电流回路
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/ A/ z# o5 U& y' f! z( y' x图7 分隔开的地平面有时比连续的地平面有效，图b)接地布线策略比图a) 的接地策略理想
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6 s/ @  [" T/ s# C% y9 w　　6. 不管使用何种技术，接地回路必须设计为最小阻抗和容抗
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　　7. 如使用地平面，分隔开地平面可能改善或降低电路性能，因此要谨慎使用
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! l0 o* o/ j+ X2 k　　分开模拟和数字地平面的有效方法如图7所示
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　　图7中，精密模拟电路更靠近接插件，但是与数字网络和电源电路的开关电流隔离开了。这是分隔开接地回路的非常有效的方法，我们在前面讨论的图4和图5的布线也采用了这种技术。

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