1、PCB 设计总结一、 概述PCB 是一个连接电子元器件的载体。 PCB 设计是一个把原理设计上的电气连接变成实实在在的，可用的线路连接。简单的 PCB 设计就是将器件的管脚按照一定的需要连通，但对于高速，高密度的 PCB 设计，涉及到很多的方面，包括结构方面，信号完整性，EMC，EMI，电源设计，加工工艺方面等等。二、 布局1 材料PCB 材料很多，我们目前使用的基本都是 FR4 的，TG 参数（高耐热性）是一个很重要的指标，一般结构工程师会在他们提供的 cutout 里面给出 TG 参数的要求。2 合理的层数安排一块板 PCB 层数多少合适，要基于生产成本和信号质量需求两方面考虑。对于速度低
2、，密度小的板块，可以考虑层数少些，对于高速，高密度板，要尽可能多的安排完整的电地层，以保证较好的信号质量。3 电源层和地层3.1、电源层和地层的作用和区别电源层和地层都可以作为参考平面，在一定程度上来说他们是一样的。但是，相对来说，电源平面的特性阻抗较高，与参考平面存在较大的电位势差。而地平面作为地基准，地平面的屏蔽作用要远远好于电源屏幕，对于重要信号，最好选择地平面作为参考屏幕。3.2、电源层，信号层，地层位置A、第二层为地层，用于屏蔽器件（如果有更重要的信号需要地，可以进行调整）B、所有信号层都有参考平面。C、最好不要相邻信号层，有的话，要安排信号走向为垂直方向。D、关键信号参考平面为完整
3、的地平面不跨分割区。3.3、几种常用的板子的叠层方案四层版方案 电源层数 地层数 信号层数 1 2 3 41 1 1 2 S G P S2 1 1 2 G S S P3 1 1 2 S P G S我们一般选用方案 1，方案 3 也可以选择，前提条件是一些重要信号线必须在第四层。方案 1 示意图：T O PG N DV C CB O T在该方案中表层具有较好的信号质量，对器件也有较好的屏蔽，使电源层和地层距离适当拉近，可以降低电源地的分布阻抗，保证电源地的去耦效果。其它一些方案参考 paul wang 发的一份 emc 规范。XIO_16 的分层结构，本板具有很多对 ESSI 差分对和 4 对
4、2.5G 差分对，本板需要 3 种主电源，3.3V 和 1.0V 电源是交错在一起的，无法进行分割，考虑到 1.2V 电源电流比较大，同时为了信号质量比较好，本板采用了 3 个完整的电源平面。连接插座和 5336 的差分对需要两个布线层完成，信号质量最好的是 midlayer1，其次是 midlayer4，我们将 ESSI 线放到了这两层。Line 侧的 2.5G 线放在了 midlayer1 层，这样过孔的支线比较短。和接插件相连的 2.5G 线，由于层数的限制，放到了 midlayer2 层，与相邻层没有叠层的区域内。相对来说，这对线的质量要稍微差一点，但是两个参考平面都是完整的，所以质量
5、应该也是有保证的。4 网表的调入正确无误的网表调入，是一个好的 PCB 设计的开始。要做到正确的网表调入，要做到以下几点：1) 保证只有一个 PCB 库，这样可以保证调用的库是准确的。2) 第一次调入网表会耗费很多时间，因为系统有一个比较 pcb 网表和原理图网表的过程，所以第一次调入的时候，即使有问题，也执行调入操作，这样可以节约一些时间。3) 以后再调入更新 的网表，一定要确定 update footprint 和 delete components not in 两个选项，保证调入的数据和网表一致，有错误的时候修改原理图，直到没有错误为止。5 规则设置将不同的网络分配到不同的 net c
6、lass，根据需要设置线宽，线间距等等各项规则。6 布局合理的布局可以让 PCB 板具有良好的稳定性，同时可以让 layout 更加容易完成。如何进行布局，也是要基于多方面考虑到，主要包括信号走向，热分析要求，电气要求等等。6.1、模块化布局6.1.1、按照功能模块划分一块电路板的组成，会有很多种不同的功能模块，比如线路接口模块，驱动模块，CPU 模块等等,一般一个模块都会有它自己的一些相关电路，将这些相关电路的器件放在一起，可以让布线更短，更容易，减少各个模块的相互干扰。6.1.2、按照工作频率划分按照不同高低的频率进行划分，减少不同频率的干扰。 （在高速，高密度的 pcb 设计中，这点比较
7、难以实现）6.1.3、按照信号分类按照信号分可以分为模拟信号和数字信号。模拟信号比较容易受到数字信号的干扰，应该将模拟信号和数字信号放在不同的区域，电源和地平面应该将数字电源地和模拟电源地分离，在一点用粗线相连。6.1.4、综合布局主要按照一个信号的流向，模块的分布，结构要求，热分析要求布局，兼顾美观性。6.2、特殊器件布局6.2.1、电源部分布局开关电源是 EMI 产生的一个重要源头，单板供电线路越长，产生的干扰越严重，所以电源部分应当布在电源进来的地方，并且与板上的逻辑电源地进行区域隔离。6.2.2、时钟部分时钟是板上最大的干扰源，时钟的放置应该远离输入输出模块（包括输入输出线） ，远离前
8、面板，尽量靠近它驱动的负载。6.2.3、电感线圈电感线圈是最容易受 EMI 干扰的器件，要离 EMI 源头尽量远，线圈下 PCB 不能有高速线和敏感线。6.2.4、总线驱动器总线驱动器也是一个强大 EMI 源头，要远离前面板，靠近被驱动端。6.2.5、滤波电容滤波电容要就近安放在被滤波的电源脚附近，越近越好，尤其是滤除高频噪声的电容。储能电容要均匀分布。去静电电容我们目前我们使用的是 0.1uf 和 22pf 的组合，成对的跨接在导轨和逻辑地之间。6.2.6、匹配电阻端接匹配电阻要就近放在匹配的源端（指的是有源端匹配要求的情况下） 。6.2.7、bead 的安放Bead 安放在逻辑地和保护地（
9、CGND）的分割槽上。6.2.8、变压器变压器安放在逻辑地和保护地（CGND）的分割槽上，变压器底部没有任何信号线和电源地，可以更好隔离外界噪声和内部电路。7 、布线7.1、线层的安排对于布线时，哪些信号线安排在哪些层，在进行布线前，应该有个基本的安排，线层的安排，主要基于以下几个方面的考虑：1) 重要的信号线要安排在有完整的参考平面的层，参考平面最好是 GND 层，另一相邻的平面不会让这些信号有跨分割区的问题存在。对于特别重要的信号线，要求除了引脚上的过孔外，不添加其他过孔的情况下能够完成布线。2) 相邻层走线为正交关系。3) 低速线，可以安排在表层7.2、线间距合理的线间距可以减少信号之间
10、的串扰。考虑线间距，既要考虑信号之间的相互干扰，也要考虑在一定的间距下布线能不能完成，我们对线间距一般有如下几点要求：1) 普通信号线两倍线间距,对于表层和底层信号，由于有时候基于阻抗考虑，会较内层粗很多，在从芯片引脚引出的较短的一段线，可以不受此要求的约束。2) 时钟信号 3 倍线间距，如果时钟频率很高，需要尽可能地再增大间距。3) 622M ESSI 线，40mil 间距以上。4) 48V 电源（包括 12V）与逻辑信号，逻辑电源之间间距 27mil，48V 电源之间 15mil，逻辑信号，逻辑电地和 CGND 之间间距 27mil。7.3、导轨处理1) 板卡两边需要两条导轨与机框相连，板
11、边沿侧铜箔据板边沿 25mil，另一侧距板边沿3mm。2) 导轨底下所有电地层挖空，并且地比导轨多挖 27mil，电源比地多挖 27mil。3) 导轨上每隔 2mm 放一个小过孔（18/10mil ） 。需要做开窗处理。4) 导轨两面都需做开窗处理7.4、板边沿内电层处理板边沿的内电层需要往里面挖一些，地往里面挖 20mil，电源往里面挖 40mil。7.5、拼板拼板需要在单板的副本里面做，这样拼板能够继承所有单板的属性。拼板拷贝的时候一定要打开所有层，并选择所有层。所有 split 和 polygon 都不进行 rebuild。8 、后期检查后期检查是确保 pcb 设计没有问题的最后一个保障
12、了，没有一个规范的话，检查总会出现纰漏。8.1、单板检查1) DRC 检测：包括 un-routed net 检查、short circuit 检查、最近距离检查、对于 broken net，一般除了 CGND，其它网络都要相连，具体情况可以和原理图进行核对。对于 short circuit，由于 BGA 有些不用的孔为了跳线方便，也打出来了，会形成短路告警，最好一一核对。2) 网表校验：要求所有网络和原理图生成的网表一一对应，有不同的地方需要和原理图进行核对，确定不同的地方是不是错误。3) 图号核对：图号核对部分包括对图号，版本号，板名，防静电标志，ECI标志（现在要求不能存在该标志） ，条
13、码框。4) Mark 点核对：包括板子三个对角的 mark 点，1mm 及 1mm 以下 pitch 的BGA 对角 mark 点核对。5) Tenting 核对：我们的板子是要求进行盖绿油加工的，需要对盖绿油的孔进行 tenting 操作，核对方法是关掉所有层，只打开 multi layer，top solder layer 和 bottom solder layer，然后仔细校对，如果有发现没有 tenting 的孔，打开所有层确认是否需要 tenting。注意：导轨上的孔是不做 tenting 的。6) 层标识核对，核对层标识是否和叠层顺序一致。7) 泪滴核对：核对是否有做过泪滴。8)
14、核对导轨是否已经加上 solder 层了，表层和底层都需要。9) 检查是否该做花盘的地方已经按照要求做了花盘了。8.2、拼板检查题外话：做拼板请在单板的副本上做，这样不会丢失层。拷贝单板的时候要打开所有层，Polygon 和 split 都不进行 rebuild，以保持和单板完全一致。1) DRC 检测：只进行 un-routed net 检测，正常情况是有几个拼板，就会分成几个不相连的网络2) 图号核对：确定拼板过程中没有丢失图号信息。3) Mark 点核对，确定拼板过程中没有丢失 mark 点。4) 导轨 solder 层核对，确定没有丢失导轨上的 solder 层。5) 核对不必要的定位
15、孔、丝印层上的辅助线（建议用新增的机械层做辅助线）和机械层上会割断板子的线是否已经删除。6) 检查花盘是否被更改。8.3、加工数据检查1) 核对是否所有必要的层都已经生成数据了，粗略看看生成的数据是不是和PCB 最后版本一致2) 钻孔层和 Gerber 层是否良好重叠。3) 核对不必要的定位孔和辅助线是否已经删除。4) 核对导轨上的 solder 层是否存在。5) 核对图号信息，版本号信息是否正确。6) 检查花盘是否被更改。Net Class P48V N48V CGNDCGND-CS_PSVout-internalVout-CS_PS UnitsP48V8 to 12 22 22 40 22
16、 40 milN48V 228 to 12 22 40 22 40 milCGND 22 228 to 12 8 to 12 22 27 milCGND-CS_PS 40 408 to 12 8 to 12 22 27 milVout-internal 22 22 22 22 8 to 12 10 milVout-CS_PS 40 40 27 27 10 8 to 12 mil高速 PCB 设计必知的几个基本概念和技术要点来源：龙人计算机研究所 作者：站长 时间： 2009-10-12 15:32:18高速 PCB 设计必知的几个基本概念和技术要点高速 PCB 设计是一个相对复杂的过程，由于高
17、速 PCB 设计中需要充分考虑信号、阻抗、传输线等众多技术要素，常常成为 PCB 设计初学者的一大难点，本文提供的几个关于高速 PCB设计的基本概念及技术要点将为初学者提供一些技术参考。1、什么是高速电路通常认为如果数字逻辑电路的频率达到或者超过 45MHZ50MHZ，而且工作在这个频率之上的电路已经占到了整个电子系统一定的份量（比如说），就称为高速电路。实际上，信号边沿的谐波频率比信号本身的频率高，是信号快速变化的上升沿与下降沿（或称信号的跳变）引发了信号传输的非预期结果。因此，通常约定如果线传播延时大于 1/2数字信号驱动端的上升时间，则认为此类信号是高速信号并产生传输线效应。信号的传递发
18、生在信号状态改变的瞬间，如上升或下降时间。信号从驱动端到接收端经过一段固定的时间，如果传输时间小于 1/2 的上升或下降时间，那么来自接收端的反射信号将在信号改变状态之前到达驱动端。反之，反射信号将在信号改变状态之后到达驱动端。如果反射信号很强，叠加的波形就有可能会改变逻辑状态。2、高速信号的确定上面我们定义了传输线效应发生的前提条件，但是如何得知线延时是否大于 1/2 驱动端的信号上升时间？ 一般地，信号上升时间的典型值可通过器件手册给出，而信号的传播时间在PCB 设计中由实际布线长度决定。下图为信号上升时间和允许的布线长度(延时) 的对应关系。PCB 板上每单位英寸的延时为 0.167ns
19、.。但是，如果过孔多，器件管脚多，网线上设置的约束多，延时将增大。通常高速逻辑器件的信号上升时间大约为 0.2ns。如果板上有 GaAs芯片，则最大布线长度为 7.62mm。设 Tr 为信号上升时间， Tpd 为信号线传播延时。如果 Tr4Tpd，信号落在安全区域。如果2TpdTr4Tpd，信号落在不确定区域。如果 Tr2Tpd，信号落在问题区域。对于落在不确定区域及问题区域的信号，应该使用高速布线方法。3、什么是传输线PCB 板上的走线可等效为下图所示的串联和并联的电容、电阻和电感结构。串联电阻的典型值 0.25-0.55 ohms/foot，因为绝缘层的缘故，并联电阻阻值通常很高。将寄生电
20、阻、电容和电感加到实际的 PCB 连线中之后，连线上的最终阻抗称为特征阻抗 Zo。线径越宽，距电源/地越近，或隔离层的介电常数越高，特征阻抗就越小。如果传输线和接收端的阻抗不匹配，那么输出的电流信号和信号最终的稳定状态将不同，这就引起信号在接收端产生反射，这个反射信号将传回信号发射端并再次反射回来。随着能量的减弱反射信号的幅度将减小，直到信号的电压和电流达到稳定。这种效应被称为振荡，信号的振荡在信号的上升沿和下降沿经常可以看到。4、传输线效应基于上述定义的传输线模型，归纳起来，传输线会对整个电路设计带来以下效应。 反射信号 Reflected signals 延时和时序错误 Delay & T
21、iming errors 多次跨越逻辑电平门限错误 False Switching 过冲与下冲 Overshoot/Undershoot 串扰 Induced Noise (or crosstalk) 电磁辐射 EMI radiation（1）反射信号如果一根走线没有被正确终结(终端匹配)，那么来自于驱动端的信号脉冲在接收端被反射，从而引发不预期效应，使信号轮廓失真。当失真变形非常显着时可导致多种错误，引起设计失败。同时，失真变形的信号对噪声的敏感性增加了，也会引起设计失败。如果上述情况没有被足够考虑，EMI 将显着增加，这就不单单影响自身设计结果，还会造成整个系统的失败。反射信号产生的主要原
22、因：过长的走线；未被匹配终结的传输线，过量电容或电感以及阻抗失配。（2） 延时和时序错误信号延时和时序错误表现为：信号在逻辑电平的高与低门限之间变化时保持一段时间信号不跳变。过多的信号延时可能导致时序错误和器件功能的混乱。通常在有多个接收端时会出现问题。电路设计师必须确定最坏情况下的时间延时以确保设计的正确性。信号延时产生的原因：驱动过载，走线过长。（3）多次跨越逻辑电平门限错误信号在跳变的过程中可能多次跨越逻辑电平门限从而导致这一类型的错误。多次跨越逻辑电平门限错误是信号振荡的一种特殊的形式，即信号的振荡发生在逻辑电平门限附近，多次跨越逻辑电平门限会导致逻辑功能紊乱。反射信号产生的原因：过长
23、的走线，未被终结的传输线，过量电容或电感以及阻抗失配。（4）过冲与下冲过冲与下冲来源于走线过长或者信号变化太快两方面的原因。虽然大多数元件接收端有输入保护二极管保护，但有时这些过冲电平会远远超过元件电源电压范围，损坏元器件。（5） 串扰串扰表现为在一根信号线上有信号通过时，在 PCB 板上与之相邻的信号线上就会感应出相关的信号，我们称之为串扰。信号线距离地线越近，线间距越大，产生的串扰信号越小。异步信号和时钟信号更容易产生串扰。因此解串扰的方法是移开发生串扰的信号或屏蔽被严重干扰的信号。（6）电磁辐射EMI(Electro-Magnetic Interference)即电磁干扰，产生的问题包含
24、过量的电磁辐射及对电磁辐射的敏感性两方面。EMI 表现为当数字系统加电运行时，会对周围环境辐射电磁波，从而干扰周围环境中电子设备的正常工作。它产生的主要原因是电路工作频率太高以及布局布线不合理。目前已有进行 EMI 仿真的软件工具，但 EMI 仿真器都很昂贵，仿真参数和边界条件设置又很困难，这将直接影响仿真结果的准确性和实用性。最通常的做法是将控制 EMI 的各项设计规则应用在设计的每一环节，实现在设计各环节上的规则驱动和控制。5、避免传输线效应的方法针对上述传输线问题所引入的影响，我们从以下几方面谈谈控制这些影响的方法。（1）严格控制关键网线的走线长度如果设计中有高速跳变的边沿，就必须考虑到
25、在 PCB 板上存在传输线效应的问题。现在普遍使用的很高时钟频率的快速集成电路芯片更是存在这样的问题。解决这个问题有一些基本原则：如果采用 CMOS 或 TTL 电路进行设计，工作频率小于 10MHz，布线长度应不大于 7 英寸。工作频率在 50MHz 布线长度应不大于 1.5 英寸。如果工作频率达到或超过 75MHz 布线长度应在 1 英寸。对于 GaAs 芯片最大的布线长度应为 0.3 英寸。如果超过这个标准，就存在传输线的问题。（2）合理规划走线的拓扑结构解决传输线效应的另一个方法是选择正确的布线路径和终端拓扑结构。走线的拓扑结构是指一根网线的布线顺序及布线结构。当使用高速逻辑器件时，除
26、非走线分支长度保持很短，否则边沿快速变化的信号将被信号主干走线上的分支走线所扭曲。通常情形下，PCB 走线采用两种基本拓扑结构，即菊花链(Daisy Chain)布线和星形(Star)分布。对于菊花链布线，布线从驱动端开始，依次到达各接收端。如果使用串联电阻来改变信号特性，串联电阻的位置应该紧靠驱动端。在控制走线的高次谐波干扰方面，菊花链走线效果最好。但这种走线方式布通率最低，不容易 100%布通。实际设计中，我们是使菊花链布线中分支长度尽可能短，安全的长度值应该是：Stub Delay = Trt *0.1.例如，高速 TTL 电路中的分支端长度应小于 1.5 英寸。这种拓扑结构占用的布线空
27、间较小并可用单一电阻匹配终结。但是这种走线结构使得在不同的信号接收端信号的接收是不同步的。星形拓扑结构可以有效的避免时钟信号的不同步问题，但在密度很高的 PCB 板上手工完成布线十分困难。采用自动布线器是完成星型布线的最好的方法。每条分支上都需要终端电阻。终端电阻的阻值应和连线的特征阻抗相匹配。这可通过手工计算，也可通过 CAD 工具计算出特征阻抗值和终端匹配电阻值。在上面的两个例子中使用了简单的终端电阻，实际中可选择使用更复杂的匹配终端。第一种选择是 RC 匹配终端。 RC 匹配终端可以减少功率消耗，但只能使用于信号工作比较稳定的情况。这种方式最适合于对时钟线信号进行匹配处理。其缺点是 RC
28、 匹配终端中的电容可能影响信号的形状和传播速度。串联电阻匹配终端不会产生额外的功率消耗，但会减慢信号的传输。这种方式用于时间延迟影响不大的总线驱动电路。 串联电阻匹配终端的优势还在于可以减少板上器件的使用数量和连线密度。最后一种方式为分离匹配终端，这种方式匹配元件需要放置在接收端附近。其优点是不会拉低信号，并且可以很好的避免噪声。典型的用于 TTL 输入信号(ACT, HCT, FAST)。此外，对于终端匹配电阻的封装型式和安装型式也必须考虑。通常 SMD 表面贴装电阻比通孔元件具有较低的电感，所以 SMD 封装元件成为首选。如果选择普通直插电阻也有两种安装方式可选：垂直方式和水平方式。垂直安
29、装方式中电阻的一条安装管脚很短，可以减少电阻和电路板间的热阻，使电阻的热量更加容易散发到空气中。但较长的垂直安装会增加电阻的电感。水平安装方式因安装较低有更低的电感。但过热的电阻会出现漂移，在最坏的情况下电阻成为开路，造成 PCB 走线终结匹配失效，成为潜在的失败因素。（3）抑止电磁干扰的方法很好地解决信号完整性问题将改善 PCB 板的电磁兼容性 (EMC)。其中非常重要的是保证PCB 板有很好的接地。对复杂的设计采用一个信号层配一个地线层是十分有效的方法。此外，使电路板的最外层信号的密度最小也是减少电磁辐射的好方法，这种方法可采用“表面积层“技术“Build-up“设计制做 PCB 来实现。
30、表面积层通过在普通工艺 PCB 上增加薄绝缘层和用于贯穿这些层的微孔的组合来实现 ，电阻和电容可埋在表层下，单位面积上的走线密度会增加近一倍，因而可降低 PCB 的体积。PCB 面积的缩小对走线的拓扑结构有巨大的影响，这意味着缩小的电流回路，缩小的分支走线长度，而电磁辐射近似正比于电流回路的面积；同时小体积特征意味着高密度引脚封装器件可以被使用，这又使得连线长度下降，从而电流回路减小，提高电磁兼容特性。4 其它可采用技术为减小集成电路芯片电源上的电压瞬时过冲，应该为集成电路芯片添加去耦电容。这可以有效去除电源上的毛刺的影响并减少在印制板上的电源环路的辐射。当去耦电容直接连接在集成电路的电源管腿上而不是连接在电源层上时，其平滑毛刺的效果最好。这就是为什么有一些器件插座上带有去耦电容，而有的器件要求去耦电容距器件的距离要足够的小。任何高速和高功耗的器件应尽量放置在一起以减少电源电压瞬时过冲。如果没有电源层，那么长的电源连线会在信号和回路间形成环路，成为辐射源和易感应电路。走线构成一个不穿过同一网线或其它走线的环路的情况称为开环。如果环路穿过同一网线其它走线则构成闭环。两种情况都会形成天线效应(线天线和环形天线 )。天线对外产生 EMI 辐射，同时自身也是敏感电路。闭环是一个必须考虑的问题，因为它产生的辐射与闭环面积近似成正比。
