快速判斷PCB設計的質(zhì)量的7種方法

2020-03-23

在與硬件企業(yè)家合作的多年中，我看到太多設計不佳的印刷電路板（PCB）案例，這些案例永遠都無(wú)法滿(mǎn)足商業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量要求。在某些情況下，這些委員會(huì )是由企業(yè)家自己設計的，而有時(shí)則是由自由工程師設計的。尤其是在聘請假定的專(zhuān)家來(lái)設計PCB的情況下，能夠判斷其工作質(zhì)量很重要。正如我認為許多電氣工程師會(huì )同意的那樣，大多數工程師從來(lái)沒(méi)有在學(xué)校教過(guò)PCB設計，因此，請務(wù)必避免雇用缺乏實(shí)際PCB設計經(jīng)驗的工程師。

盡管確實(shí)需要PCB設計專(zhuān)家來(lái)進(jìn)行適當的完整設計審查，但仍有一些方法可以快速判斷PCB設計的質(zhì)量。原理圖可以告訴您如何將各個(gè)組件連接在一起以提供給定的功能。然而，就其本身而言，它提供了有關(guān)如何將組件實(shí)際放置和連接在一起以提供功能產(chǎn)品的非常有限的信息。例如，原理圖線(xiàn)轉換為印刷電路板（PCB）上的走線(xiàn)。但是，除非在原理圖中明確記錄，否則原理圖幾乎不會(huì )提供有關(guān)這些線(xiàn)路所攜帶信號種類(lèi)的信息。

如果由與設計原理圖的工程師不同的工程師設計PCB布局，則此原理圖文檔尤為重要。這些線(xiàn)路中的信號可能是低電平，低噪聲的信號，必須將其從更嘈雜的PCB走線(xiàn)引開(kāi)，以免產(chǎn)生噪聲。或者，它們可能是快速的數據或時(shí)鐘信號，它們會(huì )扇出到多個(gè)芯片上的許多引腳。在這種情況下，走線(xiàn)的長(cháng)度應匹配，并保持較短，以避免延遲不匹配。

如果沒(méi)有正確設計這些走線(xiàn)，則某些PCB可能會(huì )起作用，而某些PCB可能不會(huì )起作用，這取決于用于填充每個(gè)PCB的組件的特性和公差。換句話(huà)說(shuō)，即使PCB忠實(shí)地實(shí)現了完整工作原理圖的所有組件互連，最終產(chǎn)品也可能無(wú)法按預期工作。

本文介紹了7種快速判斷PCB設計的質(zhì)量的方法。

這里的重點(diǎn)是布局和組件放置，而不是電路板構造本身的實(shí)際質(zhì)量（這完全取決于電路板制造商）。

最后，本文并非旨在具有很高的技術(shù)性，并且當然不會(huì )涵蓋所有可能性，尤其是對于高度復雜的設計或具有獨特要求的設計。

本文的目的是向您展示如何快速確定您是否有不良的PCB設計，因為在PCB設計中有一些特定的領(lǐng)域，新設計師最有可能做錯這些事情。

1 – PCB走線(xiàn)

總體看一下PCB上的可見(jiàn)跡線(xiàn)。這些將被阻焊劑覆蓋，阻焊劑是聚合物的類(lèi)似漆的薄層，覆蓋銅跡線(xiàn)以防止氧化和短路。

該層通常為綠色，但也可以使用其他顏色。請注意，白色阻焊層往往會(huì )使痕跡最難看見(jiàn)。在大多數情況下，只需使用標準綠色即可。

另外，實(shí)際上只有頂層和底層是可見(jiàn)的，并且如果木板有兩層以上，您將看不到內部層。盡管如此，僅審查外部層應該提供一些有關(guān)設計質(zhì)量的線(xiàn)索。

首先，查看所有跡線(xiàn)是否都在沒(méi)有急劇彎曲的直線(xiàn)段中延伸。銳角對于某些高功率和高頻走線(xiàn)可能很麻煩。

與其嘗試確定哪些跡線(xiàn)可以接受90°彎曲，不如簡(jiǎn)單地避免它們。無(wú)論如何，可以設置大多數CAD PCB布局軟件包來(lái)避免此問(wèn)題。

請注意，有一些例外。一些印刷電感器是方形的同心螺旋形，一些印刷天線(xiàn)具有急劇的彎曲。但是，這兩個(gè)都易于識別。

2 –去耦電容器

所有芯片需要電源才能正常工作，但是當發(fā)生什么電源一段距離從芯片需要電源了嗎？在這些情況下，必須通過(guò)PCB走線(xiàn)（雖然通常通過(guò)內層上的PCB電源板）為芯片供電。

去耦電容器的位置非?？拷酒碾娫匆_，以濾除任何高頻噪聲，以免對芯片產(chǎn)生負面影響。

通常，如果一個(gè)芯片具有多個(gè)VDD引腳，則每個(gè)這樣的引腳都需要至少一個(gè)去耦電容器，有時(shí)還需要更多。

這些去耦電容器的物理位置應非?？拷鼈儜撊ヱ畹囊_。如果這沒(méi)有發(fā)生，則其效果將大大降低。

如果您的PCB設計沒(méi)有在大多數微芯片的電源引腳旁邊放置去耦電容器，那么這說(shuō)明設計不正確。

如果您雇用了某人來(lái)設計PCB，但他們沒(méi)有正確處理去耦電容器，那么您應該找一名新設計師。

3 – PCB走線(xiàn)的長(cháng)度均衡

在要求多個(gè)信號之間具有精確定時(shí)關(guān)系的設計中，PCB走線(xiàn)的長(cháng)度必須匹配。例如，當將高速時(shí)鐘信號路由到多個(gè)芯片或在微處理器和RAM 存儲器之間運行的數據和地址總線(xiàn)時(shí)，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

這樣可以確保所有信號以相同的延遲到達目的地，從而保留了信號沿之間的關(guān)系。這需要訪(fǎng)問(wèn)原理圖，并知道哪一組信號線(xiàn)需要精確的時(shí)序關(guān)系。

然后，按照走線(xiàn)查看是否已實(shí)現某種走線(xiàn)長(cháng)度均衡（稱(chēng)為延遲線(xiàn)）。這些延遲線(xiàn)通?？雌饋?lái)像彎曲的線(xiàn)。

請注意，信號路徑中的過(guò)孔會(huì )導致額外的延遲。如果無(wú)法避免這些問(wèn)題，請檢查所有需要精確時(shí)序關(guān)系的走線(xiàn)組是否具有相同數量的通孔?；蛘?，您可以使用延遲線(xiàn)來(lái)補償通孔引起的延遲。

4 –天線(xiàn)饋線(xiàn)

如果您的設計包括無(wú)線(xiàn)電發(fā)射器，接收器或收發(fā)器（發(fā)射器和接收器組合在一起），則它必須具有天線(xiàn)。

為了獲得有效性能，RF芯片上射頻（RF）引腳之間的饋線(xiàn)應與與其相連的饋線(xiàn)阻抗匹配。反過(guò)來(lái)，該饋線(xiàn)必須匹配天線(xiàn)的阻抗。

為了使天線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)電芯片之間的功率傳輸最大化，此阻抗匹配是必需的。

任何不匹配都會(huì )導致實(shí)際傳輸功率的減小，從而減小工作范圍。該饋線(xiàn)只是具有受控阻抗的PCB走線(xiàn)，該阻抗與天線(xiàn)阻抗（通常為50Ω）匹配。

如果變送器的輸出阻抗與饋線(xiàn)的阻抗不匹配，則通常采用由電感器和電容器組成的匹配網(wǎng)絡(luò )。

為了實(shí)現受控阻抗，饋線(xiàn)是PCB走線(xiàn)，其計算出的寬度在接地層上延伸。該走線(xiàn)的寬度取決于銅走線(xiàn)的厚度，PCB基板的厚度和介電常數。

有許多在線(xiàn)工具可用于計算給定銅厚度和基板材料所需的確切寬度，并且在實(shí)際的PCB中確認這種情況。我最喜歡的是可以從Broadcom下載的名為AppCad的免費軟件。

如果天線(xiàn)是PCB天線(xiàn)，則應位于PCB的一側，沒(méi)有任何接地平面。應該清除任何其他痕跡，并遠離任何大型組件。

天線(xiàn)周?chē)慕z網(wǎng)印刷標記通常很好，但是銅制標記（例如PCB編號或公司名稱(chēng)）會(huì )使天線(xiàn)失諧。

5 –元件放置

除了放置去耦電容器外，在電路板上放置元件還有其他一些注意事項。

這里有一些注意事項：

如果電路包含電感器，則不應將它們放置得太近。電感產(chǎn)生磁場(chǎng)。將它們緊密地放置在一起，尤其是首尾相連可能會(huì )導致它們之間不必要的耦合。

此外，電感器不應靠近大型金屬物體放置。磁場(chǎng)會(huì )在這些物體中感應出電流，這會(huì )改變電感器的值。

環(huán)形或圓環(huán)形的電感器通常不易產(chǎn)生雜散磁場(chǎng)，因此其影響較小。如果無(wú)法避免將電感器靠近放置，則應將它們彼此垂直放置，以減少不必要的互耦合。

如果評估板中包含功率電阻器或任何有大量熱量產(chǎn)生的組件，則需要考慮熱量對附近其他組件的影響。

例如，如果電路中包含用于補償環(huán)境溫度影響的熱敏電阻，則不應將其靠近任何功率電阻放置。溫度補償電容器也是如此。

如果電路包含板載開(kāi)關(guān)穩壓器，則與之相關(guān)的所有組件都應物理定位在PCB的一部分上，并盡可能遠離處理小信號的部分。這些往往會(huì )產(chǎn)生很大的開(kāi)關(guān)噪聲，會(huì )對噪聲敏感的電路部分產(chǎn)生負面影響。

如果PCB直接在電源部分上直接施加了交流電源，則交流側應位于電路板的一部分上。

此外，PCB本身應具有物理屏障，以將AC與板的其余部分分隔開(kāi)。通常，這是通過(guò)在PCB中有一個(gè)將兩個(gè)部分分開(kāi)的插槽來(lái)實(shí)現的。

6 –跡線(xiàn)寬度和布線(xiàn)

攜帶大電流的走線(xiàn)應適當調整大小。下圖2顯示了針對不同額定電流的IPC（印刷電路研究所）推薦走線(xiàn)（有時(shí)也稱(chēng)為走線(xiàn)）寬度：

由于噪聲拾取問(wèn)題，攜帶小模擬信號的走線(xiàn)不應與攜帶數字或快速變化信號的走線(xiàn)平行。

同樣，一般來(lái)說(shuō)，連接電感的走線(xiàn)不應超過(guò)所需寬度。它們可能像天線(xiàn)一樣工作，并產(chǎn)生有害的射頻發(fā)射。

7 –地面和地面

對于任何中等復雜的PCB，至少使用四層板，兩層內層為電源和接地層。

如果設計同時(shí)包含模擬和數字部分，則應將接地層分開(kāi)，并且僅在公共點(diǎn)（通常電源負極）處連接。這樣可以避免來(lái)自數字部分的大接地電流尖峰對模擬部分產(chǎn)生不利影響。

如果僅使用兩層，則每個(gè)子電路的接地回路走線(xiàn)應分開(kāi)，然后將它們全部連接至電源負極端子。

如下圖3所示，將任何子部分或IC的接地回路連接到公共接地回路中，使其返回電源負極，這是不好的設計。

這里的問(wèn)題是PCB銅走線(xiàn)確實(shí)具有一定的電阻。因此，流經(jīng)走線(xiàn)的電流將導致電壓下降。在上面的示例中，走線(xiàn)最右端的芯片將看到其接地參考電壓高于實(shí)際接地參考電壓。

此外，它的接地將根據圖中左側所有芯片的返回電流而反彈。

結論

無(wú)論您是學(xué)習設計自己的PCB還是計劃將其外包給電氣工程師，都需要能夠判斷PCB設計的質(zhì)量。如果您沒(méi)有設計經(jīng)驗并且將PCB設計外包，那么請注意本文中突出顯示的七個(gè)方面，以確定您的工程師是否值得您付錢(qián)。

實(shí)際上，如果他們不符合這七個(gè)標準中的任何一個(gè)，那么我建議您考慮尋找新設計師。另一方面，如果您要設計自己的PCB，請確保避免這些常見(jiàn)錯誤。

無(wú)論如何，在進(jìn)行原型開(kāi)發(fā)之前，由獨立工程師進(jìn)行完整的設計審查總是一個(gè)好主意。

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