摘 要

        詳細(xì)介紹有關(guān)電路板的PCB 設(shè)計(jì)過(guò)程以及應(yīng)注意的問(wèn)題。在設(shè)計(jì)過(guò)程中針對(duì)普通元
器件及一些特殊元器件采用不同的布局原則,；比較手工布線,、自動(dòng)布線及交互式布線的優(yōu)點(diǎn)
及不足之處,；介紹PCB 電路以及為了減小電路之間的干擾所采取的相關(guān)措施。結(jié)合親身設(shè)計(jì)
經(jīng)驗(yàn),，以基于ARM,、自主移動(dòng)的嵌入式系統(tǒng)核心板的PCB 設(shè)計(jì)為例，簡(jiǎn)單介紹有關(guān)四層電路
板的PCB 設(shè)計(jì)過(guò)程以及應(yīng)注意的相關(guān)問(wèn)題,。

        印制電路板(PCB)在電子產(chǎn)品中,，起到支撐電路元件和器件的作用，同時(shí)還提供電路元
件和器件之間的電氣連接,。其實(shí),，PCB 的設(shè)計(jì)不僅是排列、固定元器件,，連通器件的引腳這
樣簡(jiǎn)單,，它的好壞對(duì)產(chǎn)品的抗干擾能力影響很大．甚至對(duì)今后產(chǎn)品的性能起著決定性作用。
隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,，元器件和產(chǎn)品的外形尺寸變得越來(lái)越小，工作頻率越來(lái)越高,，使
得PCB 上元器件的密度大幅提高,，這也就增加了PCB 設(shè)計(jì)、加工的難度,。因此,，可以這樣說(shuō)，
PCB 設(shè)汁始終是電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中最重要的內(nèi)容之一,。

1 布局
        所謂布局就是把電路圖中所有元器件都合理地安排在面積有限的PCB 上,。從信號(hào)的角度
講，主要有數(shù)字信號(hào)電路板,、模擬信號(hào)電路板以及混合信號(hào)電路板3 種,。在設(shè)計(jì)混合信號(hào)電
路板時(shí)，一定要仔細(xì)考慮,，將元器件通過(guò)手工方式擺放在電路板的合適位置,，以便將數(shù)字和
模擬器件分開(kāi)。

        在安排PCB 的布局過(guò)程巾,，最關(guān)鍵的問(wèn)題是：開(kāi)關(guān),、按鈕、旋鈕等操作件以及結(jié)構(gòu)件(簡(jiǎn)
稱“特殊元件”)等,，必須事先安排到指定(合適)的位置上,。放置好之后，可以設(shè)置元器什
的屬性,，將LOCK 項(xiàng)選中,，這樣就可以避免以后的操作誤將其移動(dòng),；而對(duì)于其他元器件的位
置安排，必須同時(shí)兼顧布線的布通率和電氣性能的最優(yōu)化,，以及今后的生產(chǎn)工藝和造價(jià)等多
方面因素．所謂的“兼顧”往往是對(duì)設(shè)計(jì)工作人員水平和經(jīng)驗(yàn)的挑戰(zhàn),。

1.1 特殊元件的布局原則

• ①應(yīng)當(dāng)盡可能地縮短元器件之間的連線，設(shè)法減小它們的分布參數(shù)和相互之間的電磁干擾,。那些易受電磁干擾的元器件不能挨得太近,，輸入和輸出元件應(yīng)盡量彼此遠(yuǎn)離。
• ②某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差,，因此應(yīng)加大它們之間的距離,，以避免放電而引起意外的短路；同時(shí)從安全的角度考慮,，帶高壓的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時(shí)手不易觸及的地方,。
• ③對(duì)于質(zhì)量超過(guò)15g 的兀器件，應(yīng)當(dāng)使用支架加以固定后,，再進(jìn)行焊接,。那些又大又重、發(fā)熱量大的元器件,，不宜裝在印制板上,，而應(yīng)裝在整機(jī)的機(jī)箱底板上；且要考慮散熱問(wèn)題,，熱敏元器件應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件,。
• ④對(duì)于電位器、可凋電感線,、可變電容器,、微動(dòng)開(kāi)關(guān)等可調(diào)元件的布局，應(yīng)考慮整機(jī)的結(jié)構(gòu)要求,。若是機(jī)內(nèi)調(diào)節(jié),，則應(yīng)放在印制板上方便調(diào)節(jié)的地方；若是機(jī)外調(diào)節(jié),，則其位置要與調(diào)節(jié)旋鈕在機(jī)箱面板上的位置相適應(yīng),。
  

1.2 普通元器件的布局

• ①按照電路的流程安排各個(gè)電路單元的位置，使布局便于信號(hào)的流通,，并且盡量使信號(hào)能夠保持一致的方向,。
• ②以每個(gè)功能電路的核心元件為中心，圍繞它來(lái)進(jìn)行布局,。元器件應(yīng)當(dāng)均勻,、整齊、緊湊地排列在PCB 上．盡量減少和縮短各器件之間的引線和連接,。
• ③在高頻下工作的電路,，要考慮元器件之間的分布參數(shù),。一般情況下，電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列,，不僅可以達(dá)到美觀的效果,，而且易于裝焊和批量生產(chǎn)。
• ④位于電路板邊緣的元器件,，離電路板邊緣一般不小于2mm,；電路板的最佳形狀為矩形，其長(zhǎng)寬比可為3：2 或4：3,。當(dāng)電路板面尺寸大于200mm×150mm 時(shí),，應(yīng)考慮電路板所承受的機(jī)械強(qiáng)度。若在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中,，開(kāi)始時(shí)并不能確定PCB 板所需的尺寸,，則可以設(shè)計(jì)得稍微大一些。待PCB 設(shè)計(jì)工作結(jié)束后,，可在Protel DXP 中選擇Design→Board Shape→Redefine Board Shape 操作,，對(duì)原先的PCB 進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉簟?br>

        另外，根據(jù)本人的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn),，若要對(duì)已有的電路板進(jìn)行某些功能的擴(kuò)充或縮減,，需
要重新設(shè)計(jì)新的PCB，則在實(shí)際布局時(shí)可以參照母板上的布局,，通過(guò)手工方式將元器件安排
在恰當(dāng)?shù)奈恢蒙希辉诓季€過(guò)程中,，再根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整,，以進(jìn)一步提高布通率。

2 布線
        布線是在布局之后,，通過(guò)設(shè)汁銅箔的走線圖,，按照原理圖連通所有的走線。顯然,，布局
的合理程度將直接影響到布線的成功率,，因而往往在布線的整個(gè)過(guò)程中，都需要對(duì)布局進(jìn)行
適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,。布線設(shè)計(jì)可以采用雙層走線和單層走線,；對(duì)于極其復(fù)雜的設(shè)計(jì)，也可以考慮多
層布線方案,。

        在PCB 設(shè)計(jì)中,，布線足完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要步驟?？梢赃@樣說(shuō),，前面各項(xiàng)準(zhǔn)備工作都是
為它而做的,。PCB 布線有單面布線、雙面布線和多層布線,。布線的方式有兩種：自動(dòng)布線和
交互式布線,。

        在PCB 設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員往往希望能夠采用自動(dòng)布線的方式,。在通常情況下,，對(duì)于純數(shù)
字信號(hào)電路板(尤其信號(hào)電平比較低，電路板密度比較小時(shí))采用自動(dòng)布線是沒(méi)有問(wèn)題的,。但
是,，在設(shè)計(jì)模擬信號(hào)．混合信號(hào)或高速電路板時(shí)，如果也完全采用自動(dòng)布線,，可就要出問(wèn)題
了,，甚至可能帶來(lái)嚴(yán)重的電路性能問(wèn)題。

目前,，雖然已經(jīng)有一些自動(dòng)布線的工具功能非常強(qiáng)大,，通常可以達(dá)到100％的布通率,，
但是整體外觀效果不是很美觀,，有時(shí)連線排列雜亂無(wú)章，兩個(gè)引腳之間的連線并不是最短(最
優(yōu))路徑,。

        對(duì)于電路相對(duì)比較復(fù)雜的設(shè)計(jì),，請(qǐng)盡量不要完全采用自動(dòng)布線方式。建議在采用自動(dòng)布
線之前,，首先采用交互式方式預(yù)先對(duì)那些要求比較嚴(yán)格的線進(jìn)行布線,。同時(shí)輸入端和輸出端
的邊線應(yīng)避免相鄰平行，以免產(chǎn)生反射干擾,；兩相鄰層的布線要相互垂直,，平行容易產(chǎn)生寄
生耦合，這一約束條件可以在布線規(guī)則中添加,。

        自動(dòng)布線的布通率,，依賴于良好的布局。布線規(guī)則要預(yù)先設(shè)定,，包括走線的彎曲次數(shù),、
導(dǎo)通孔的數(shù)目和步進(jìn)的數(shù)目等。一般先進(jìn)行探索式市線,，快速地把短線先連通,；然后再進(jìn)行
迷宮式布線，先把要布的線進(jìn)行全局的布線路徑優(yōu)化,，它可以根據(jù)需要斷開(kāi)已布的線,，并重
新布線,，以改進(jìn)總體效果。

        在手工布線時(shí),，為了確保正確實(shí)現(xiàn)電路,，需要遵循一些通用的設(shè)計(jì)規(guī)則：盡量采用地平
面作為電流回路；將模擬地平面與數(shù)字地平面分開(kāi),；如果地平面被信號(hào)線隔斷,，那么為減少
對(duì)地電流回路的干擾，應(yīng)使信號(hào)走線與地平面垂直,；模擬電路盡量靠近電路扳邊緣放置,，數(shù)
字電路盡量靠近電源連接端放置，這樣做町以減小由數(shù)字開(kāi)關(guān)引起的di/dt 出效應(yīng),。

3 PCB 電路及電路抗干擾措施
        抗干擾設(shè)計(jì)與具體電路有著密切的關(guān)系,，也是一個(gè)很復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題。這里結(jié)合在PCB
設(shè)計(jì)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)做一些簡(jiǎn)單的介紹,。

• ①電源線的設(shè)計(jì),。根據(jù)PCB 電流的大小，盡量加粗電源線的寬度(在布線設(shè)計(jì)規(guī)則中,，可以單獨(dú)為電源線和地線的線寬做新的約束規(guī)則),，減少環(huán)路電阻，尤其要注意使電源線,、地線的供電方向與數(shù)據(jù),、信號(hào)的傳遞方向相反，有助于增強(qiáng)抗噪聲能力,。
• ②地線的設(shè)計(jì),。地線既是特殊的電源線，又是信號(hào)線,。除了要遵循電源線的設(shè)計(jì)原則外，還應(yīng)做到：數(shù)字地與模擬地分開(kāi),；若線路板上既有邏輯電路又有線性電路,，則應(yīng)使它們盡量分開(kāi)；低頻電路的地應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地,，實(shí)際布線有困難時(shí)可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地,；高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線應(yīng)短而粗,，高頻元件周?chē)M量用柵格狀進(jìn)行大面積地敷銅,；盡量加寬電源和地線寬度，最好是地線要比電源線寬一些,，它們的寬度關(guān)系是,，地線>電源線>信號(hào)線,。
• ③數(shù)字電路系統(tǒng)的接地構(gòu)成閉環(huán)路，即構(gòu)成一個(gè)地網(wǎng),，能提高抗噪聲能力,。
• ④數(shù)字電流不應(yīng)流經(jīng)模擬器件，高速電流不應(yīng)流經(jīng)低速器件,。
• ⑤在電源地線之間加上去耦電容,，以提高電源回路的抗干擾能力。
  

4 具體實(shí)例
        以下實(shí)例是基于ARM,、自主移動(dòng)的嵌入式系統(tǒng)核心板的PCB 設(shè)計(jì),。
4.1 核心板原理圖
        在核心板原理圖中，核心元件為S3C44BOX,。該元件是一款高性能的16／32 位RISC 微
處理器,，66MHz 的主頻，內(nèi)部集成了LCD 控制器,，適用于手持設(shè)備,，采用160-QFP 封裝。在
該系統(tǒng)中,，電源電路需要使用5V 和3．3V 的直流穩(wěn)壓電源,，其中S3C44BOX 使用2．5V 電源，
外圍器件需3．3V 電源,，其他部分器件需5V 電源,；晶振電路用于向CPU 以及其他電路提供
工作時(shí)鐘，S3C44BOX 使用常用的無(wú)源晶振,；U6,、U7 和U9 構(gòu)成此系統(tǒng)的存儲(chǔ)系統(tǒng)。

4．2 四層電路板布線規(guī)則

• ①本PCB 設(shè)計(jì)使用的軟件工具為Protel DXP,。該核心板為四層電路板,，頂層和底層為信號(hào)層，中間哺層分別為電源層和地層,。頂層和底層的PCB 圖如圖2 和圖3 所示,。
• ②母板的原始PCB 尺寸為55mm×70mm，但在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中,，若也將PCB 尺寸設(shè)計(jì)為此值,，則在布線過(guò)程中會(huì)遇到難以布通的實(shí)際困難，因此先將板尺寸設(shè)計(jì)得稍微大一些,，在布線成功之后,，選擇Design→Board Shape→Redefine Roard Shape 對(duì)PCB 板進(jìn)行裁剪。
• ③在由原理圖生成PCB 圖時(shí)，通過(guò)手工的方式,，將一些要求比較嚴(yán)格的元器件(U5,、U6、U7 和U9)放置在適當(dāng)?shù)奈恢?，并將其鎖定,；同時(shí)要將晶振放置在U5 的附近。在擺放其他元器件時(shí)也要注意元器件之間的距離,，如果兩個(gè)元器件距離太近,，則會(huì)產(chǎn)生干擾，并呈綠色顯示,。
• ④在系統(tǒng)中,，S3C44BOX 的片內(nèi)工作頻率為66MHz。因此,，在印刷電路板的設(shè)計(jì)過(guò)程中,，應(yīng)該遵循一些高頻電路的設(shè)計(jì)基本原則，否則會(huì)使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定甚至不能正常工作,。
• ⑤對(duì)于目前高密度的PCB 設(shè)計(jì),，已經(jīng)感覺(jué)到貫通孔不太適應(yīng)了，浪費(fèi)了許多寶貴的布線通道,。為解決這一矛盾,，出現(xiàn)了盲孔和埋孔技術(shù)，它不僅實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)通孔的作用,，而且還省出許多布線通道,，使布線過(guò)程完成得更加方便、流暢,，更加完善,。在大多數(shù)教程中，也提倡在多層電路板的設(shè)計(jì)中采用盲孔和埋孔技術(shù),。這樣做雖然可以使布線工作變得容易,，但是同時(shí)也增加了PCB 設(shè)計(jì)的成本。因此是否選取此技術(shù),，要根據(jù)實(shí)際的電路復(fù)雜程度及經(jīng)濟(jì)能力來(lái)決定,。筆者在設(shè)計(jì)四層板的過(guò)程中并沒(méi)有采用此技術(shù)，如果覺(jué)得貫通孔數(shù)目太多,，則可以在布線前在布線規(guī)則中限制打孔的上限值。
• ⑥在布線前,，預(yù)先在布線規(guī)則中設(shè)置頂層采用水平布線,，而底層則采用垂直布線的方式。這樣做可以使頂層和底層布線相互垂直，從而避免產(chǎn)生寄生耦合,；同時(shí)在引腳間的連線拐彎處盡最避免使用直角或銳角,，因?yàn)樗鼈冊(cè)诟哳l電路中會(huì)影響電氣性能。
• ⑦PCB 設(shè)計(jì)采用交互式布線方式,。首先對(duì)元器件J1,、J2 與U5 之間的引腳連線手工進(jìn)行預(yù)布線，在微處理器的輸入／輸出信號(hào)中,，有相當(dāng)一部分是相同類(lèi)型的,，如數(shù)據(jù)線、地址線和信號(hào)線,。對(duì)于這些相同類(lèi)型的信號(hào)線應(yīng)該成組,、平行分布，并注意它們之間的長(zhǎng)短差異不要太大,，這樣既可以減小干擾,，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又可以使布線變得簡(jiǎn)單,，印刷電路板的外觀更加整齊美觀,。然后對(duì)其余元器件采用自動(dòng)布線(其問(wèn)可以嘗試不同的布線策略)，當(dāng)布線成功之后,，對(duì)一些不理想的布線可以進(jìn)行修改,、優(yōu)化。
• ⑧布線設(shè)計(jì)完成后,，須認(rèn)真檢查布線設(shè)計(jì)是否符合設(shè)計(jì)者所制定的規(guī)則,，同時(shí)電需要確認(rèn)所制定的規(guī)則是否符合印制板生產(chǎn)工藝的需求；然后對(duì)焊盤(pán)補(bǔ)淚滴,，使焊盤(pán)不容易起皮,，走線與焊盤(pán)不易斷開(kāi)；最后對(duì)印制線路板上進(jìn)行大面積敷銅,，這樣有利于散熱和屏蔽,，減小干擾。由于印制線路板板材的基板與銅箔間的粘合劑在浸焊或長(zhǎng)時(shí)間受熱時(shí),，會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)性氣體無(wú)法排除,，熱量不易散發(fā)，以致產(chǎn)生銅箔膨脹,、脫落現(xiàn)象,，因此在大面積敷制時(shí)，應(yīng)將其開(kāi)窗口設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀,。
  

結(jié)語(yǔ)
        本文中主要介紹丁有關(guān)電路板的PcB 沒(méi)汁過(guò)程以及注意事項(xiàng),，并將親身設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和大家
共同分享,，但由于本人能力有限，尚存在許多不足之處,，望能夠得到專業(yè)人士的指正和賜教,。
總之，PCB 板的沒(méi)計(jì)過(guò)程是一個(gè)既復(fù)雜而又簡(jiǎn)單的過(guò)程,，還需廣大電子工程設(shè)計(jì)人員自己去
體會(huì),，才能得到其中的真諦。