PCB详细布局、布线设计概述

发布时间：2023-01-09作者来源：蒋修国浏览：2094

在硬件设计中，PCB设计是其中非常重要、不可或缺的一个步骤。对于一些简单的产品，PCB设计可能只是简单地把所有的器件、网络对应地连接起来。而对于高速电路、射频电路，PCB的设计直接影响到产品的功能是否正常、产品是否能满足入市的要求。下面，将从PCB设计的流程、PCB布局、PCB布线、PCB设计检查表四个方面做介绍。

PCB设计的流程

PCB的质量直接决定了一款电子产品的好与坏，那么一个好的PCB设计流程就至关重要。很多工程师认为，PCB设计就是简单地把所有的元器件摆好之后，再把所有相关的器件引脚连接在一起。这是一种狭隘的观点，一个好的PCB设计流程从原理方案设计时就已经开始，比如如何选择合适的方案、选择合适的电子元器件等等。具体如下图所示：

具体包含了原理方案设计、原理图网表输出和导入、机械结构图导入、层叠结构设计和编辑、信号完整性（SI）/电源完整性（PI）前仿真、PCB布局、设计约束规则导入、PCB布线、信号完整性（SI）/电源完整性（PI）/电磁兼容性（EMC）/热后仿真、设计可制造性（DFM）检查、生成生产文件（Gerber）。这些工作可能是一个工程师完成的，也有可能是多个工程师合作完成的。当然，并不是每一个产品的PCB设计流程都是一样的，具体的产品可以根据这个流程进行适当的细化、增加或者删减。

下面将就PCB设计流程中的几个重要步骤做进一步的介绍。

PCB布局

在设计中，布局是一个重要的环节。布局结果的好坏将直接影响布线的效果，因此可以这样认为，合理的布局是 PCB 设计成功的[敏感词]步。简单的理解，PCB布局就是把所有的元器件按照功能结构、模块化、满足DXF的要求、满足顺畅布局布线等原则进行。

考虑整体美观一个产品的成功与否，一是要注重内在质量，二是兼顾整体的美观，两者都较完美才能认为该产品是成功的。在一个 PCB 板上，组件的布局要求要均衡，疏密有序，不能头重脚轻或一头沉。

图布局好的PCB

上面说到的只是一些大的方向和要求，其实PCB布局需要考虑到的因素非常多，比如常常会按照“先大后小，先满足结构后满足美观，先难后易”的布置原则，就是把重要的核心单元电路、高速电路、射频电路、核心元器件、接口电路优先布局，然后再把一些辅助性的电路布局好。在进行PCB布局设计时具体可以遵循以下原则进行布局。

1、布局中应参考原理框图，根据单板的主信号流向规律安排主要元器件。布局应尽量满足以下要求：

在没有特殊要求时，使布线的总长度尽可能短，关键信号线最短；
去耦电容的布局时，依据电容的大小尽量依照越小的电容越靠近IC的电源管脚，并使之与电源和地之间形成的回路最短；
减少信号回流路径，不要出现跨分割现象。

2、元器件的排列首先要满足功能的要求，同时还要便于后续调试和维修，即小元件周围不能放置大元件、需调试的元器件周围要有足够的空间，太紧凑就会导致无法下烙铁。

3、相同结构电路部分，尽可能采用“对称式”标准布局；按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准优化布局。

4、同类型插装元器件在X或Y方向上应朝一个方向放置。同一种类型的有极性分立元件也要尽量在X或Y方向上保持一致，便于生产和检验。

5、发热元件要一般应均匀分布，以利于单板和整机的散热，除温度检测元件以外的温度敏感器件应远离发热量大的元器件。除了温度传感器，三极管也属于对热敏感的器件。

6、高电压、大电流信号与小电流，低电压的弱信号完全分开。

7、模拟信号与数字信号分开；高频信号与低频信号分开；高频元器件的间隔要充分。

8、元件布局时，应适当考虑使用同一种电源的器件尽量放在一起，以便于将来的电源路径设计以及与其它电源平面分割开。

对于一些特殊元器件的位置在布局时一般要遵守以下原则：

1、DC/DC 变换器、开关元件和整流器应尽可能靠近变压器放置，整流二极管尽可能靠近调压元件和滤波电容器。以减小其线路长度。

2、电磁干扰（EMI）滤波器要尽可能靠近 EMI 源。尽可能缩短高频元器件之间的连接，设法减少他们的分布参数及和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互离的太近，输入和输出应尽量远离。

3、对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元器件的布局应考虑整块扳子的结构要求，一些经常用到的开关，在结构允许的情况下，应放置到手容易接触到的地方。元器件的布局到均衡，疏密有度。

4、发热元件应该布置在 PCB 的边缘，以利散热。如果 PCB 为垂直安装，发热元件应该布置在 PCB 的上方。热敏元件应远离发热元件。

5、在电源布局时，尽量让器件布局方便电源线布线走向。布局时需要考虑减小输入电源回路的面积。满足流通的情况下，避免输入电源线满板跑，回路圈起来的面积过大。电源线与地线的位置良好配合，可降低电磁干扰的影响。如果电源线和地线配合不当，会出现很多环路，并可能产生噪声。

6、高、低频电路由于频率不同，其干扰以及抑制干扰的方法也不相同。所以在元件布局时，应将数字电路、模拟电路以及电源电路按模块分开布局。将高频电路与低频电路有效隔离，或者分成小的子电路模块板，之间用接插件连接。

7、布局中还应特别注意强、弱信号的器件分布及信号传输方向路径等问题。为将干扰减轻到最小程度，模拟电路和数字电路分隔开之后，保持高、中、低速逻辑电路在 PCB 上也要用不同区域，PCB 板按频率和电流开关特性分区。噪声元件与非噪声元件要距离远一些。热敏元件与发热元件距离远一些。低电平信号通道远离高电平信号通道和无滤波的电源线。将低电平的模拟电路和数字电路分开，避免模拟电路、数字电路和电源公共回线产生公共阻抗耦合。

PCB布线

当原理图网表导入到PCB设计软件中时，所有的元器件相互连接的引脚都是通过“鼠线”连接的，这些并没有网络属性意义。如下图所示：

图鼠线连接的PCB

这需要工程师把它们按照相应的设计约束规则相互连接起来。只有当所有的网络连接在一起时，它们才有电气特性。布线就是这样一个作用，即把所有的信号网络、电源网络和地网络都连接好。

在PCB布线时需要使用到设计约束规则，这些规则就包含信号网络的线宽、差分对内的线间距、差分对之间的等长误差、传输线之间的间距要求、传输线的总长度、传输线对内或者对间的分段等长要求等等。如下图所示为Intel某平台对PCIE设计的要求：

图Intel某平台对PCIE设计的要求

按照相应的要求完成布局、布线之后，就得到了一份错落有致的PCB版图，如下图所示为连接好的PCB版图：

图连接好的PCB版图

PCB设计完成之后，就可以按照生产要求输出生产文件，一般包括PCB生产文件、PCBA生产文件、钢网文件等等。

PCB设计检查表

在正式生成PCB生产文件之前，一般都会对PCB设计进行详细的检查，包括DFM、SI、PI、EMC、Thermal、可靠性等等检查。如何检查呢？有的公司是通过工具进行检查，有的公司是通过各个工程师自己检查，不管是哪一种，其实都是依照一定的规则进行检查分析，也就是大家通常所说的PCB设计检查。

项目	检查内容	Y/N	备注
常规类检查项	禁止布局布线区域设置是否正确。(注意限高区)增加：晶振，电感，变压器下方画好禁布区。
	结构是否更新正确，螺孔大小，接口定位与方向是否正确。对于有疑问的接口方向有没有与结构工程师确认？
	结构是否是最终文件。
	封装是否经过检查。
	改版设计时，封装是否检查并更新（原点变化导致固定器件偏位等）
	有出差工程师自建或临时替换的封装有没有进行复查和更正
	光绘设置是否正确。
	每种电源是否都有来源，宽度是否都满足载流量。过孔数量是否足够。
	原理图和PCB文件网表否是[敏感词]的，导入是否一致
	是否有未摆器件、是否有未连接网络、是否有多余线段
	IPC网表是否对比、并确认没有断路和短路存在
规则设置	叠层设置是否正确。(包括正负片)是否有按增加的工艺制作说明进行规则设置
	差分线、单端线等线宽、线距规则设置是否正确。
	高电压安规设置是否正确。
	等长误差与[敏感词]长度设置是否正确。
	保护地是否设置2mm以上间距。
	是否有把相同分类的网络全部分配到对应的分组。
	相应规则是否打开。
	如果有隔离盘花焊盘，是否设置正确。
布局	确保结构限高区没有摆放超过限制高度的器件。
	有顺序要求的（如LED，按键）是否符合结构要求摆放。
	TVS、ESD保护器件是否靠近接口放置。
	数字、模拟、高速、低速部分是否分开布局。模拟布局是否保证主通路走线最短。
	相同模块是否相同布局。
	源端与末端匹配器件布局是否正确。
	晶体、晶振及时钟驱动器摆放是否合理。
	开关电源是否按要求布局布线。(回路是否最小，是否做单点接地)
	每种电源电压电容是否均匀分布。(0.1uf以下小电容每个电源管脚有一个)。
	热敏感器件是否远离电源和其他大功耗的元件(测温器件是否放在合适的位置)。
	绕线电感是否有平行摆放一起。（建议相互垂直摆放）
	射频电路是否考虑一字型或者L型布局。
	隔离器件（如变压器）前后部分器件要分开布局。
	发热量大的器件也要相互分开，方便散热。
	确保禁布区没有放置器件。
布线	锁相环电路，REF，电感两端走线是否加粗。
	信号或者电源孔密集处是否增加回流地孔。
	电源引脚出线是否都有20mil以上或同引脚一样宽。(包括热焊盘，上下拉电阻除外)
	所有关键信号线走线是否有跨相邻平面层分割。
	射频线与天线是否处理正确(加粗控50ohm阻抗，并加上相应的参考面，陶瓷天线按要求挖空，射频线周边加屏蔽地过孔。)
	模拟走线和不要求阻抗的线（如晶体时钟线，Reset等）是否加粗8mil以上。
	是否存在多余过孔和线，多余残桩（Stub）走线。
	是否存在直角和锐角走线。
	是否存在孤铜和无网络铜。
	有极性器件是否正确。(特别注意二极管、极性电容、ESD、LED等)
	布线拓朴结构是否合理。
	隔离器件(光耦、共模电感、变压器等)是否做隔离或挖空处理。
	静电保护地，保护地与工作地是否已做隔离设计（至少相隔2.5mm）
	电源模块、时钟模块是否有信号线走过，特别是开关电源电感下不能穿线。
	相邻信号层是否有平行走线。平行走线必需错开或者垂直走线，不可以重叠。
	差分线和重要信号线换层处是否加有回流地过孔。[敏感词]对称加上两个回流地孔。
	对敏感信号是否进行了地屏蔽处理，每500mil是否有一个过孔。
	多层板板边是否每150mil加有屏蔽地过孔。
	平面层是否有通孔隔离盘过大造成平面割断导致电源平面电流不足。
	电源平面与地平面比较是否有内缩。
	平面层各块电源网络是否都有花盘连接。
	IC与连接器是否都有电源和地管脚且加粗走线。
	发热量大器件铺铜面积是否足够大。是否在表层有加上散热开窗的铜皮。
	金手指上是否有铺铜，内层铺到金手指焊盘的一半的位置，金手指上是否有整块阻焊。
	器件(电阻电容电感等)引脚中间是否有过线。
	表层空白处是否有铺铜处理。
	两层板正反面地是否连接良好。特别注意电源和地在换层的地方过孔是否满足载流能力。
	串口芯片（例如232、485、429、422）部分电容走线是否加粗。
	时钟电路(包括晶体、晶振、时钟驱动器等）的电源是否进行了很好的滤波，对于时钟走线不能残桩（Stub）。
	做等长时，是否确保每个信号分组中的每一根网络都做到的等长。
	重要信号线是否优先布线，走在最优布线层。
	电源平面压差较大时，隔离带是否相应加宽。
	同组高速信号线的过孔数是否最少且个数一致，尽量小于2个过孔。
输出产生文件检查	确定SMT器件是否有开钢网和所有器件开阻焊层。
	阻焊开窗是否与表层铺铜一致。
	确定器件字符及丝印标示方向是否正确，是否有干涉和文字错误上焊盘现象，器件1脚标示是否正确明显。
	走线线宽是否与生产说明一致。
	非金属化孔焊盘是否设置正确。
	板上标注是否正确。(包括Drill层说明及误差标注）