PCB设计的核心——解决问题

作者：RS Components全球技术营销总监Mark Cundle

进行印刷电路板(PCB)设计是指通过设计原理图纸，进行线路布局，以尽可能低的成本生产电路板。过去，这通常需要借助于价格昂贵的专用工具才能完成，但是现在，随着免费的高性能软件工具——例如DesignSpark PCB——以及设计模型的日益普及，大大加快了电路板设计人员的设计速度。

尽管工程设计人员知道，一个完美的设计方案是避免问题出现的最佳方式，不过这仍是一种既浪费时间又浪费金钱，同时治标不治本的方法。比如，如果在电磁兼容性(EMC)测试阶段发现问题，将会造成大量的成本投入，甚至需要对最初的设计方案进行调整和重新制作，这将耗费数月的时间。

挑战

布局是设计人员首先要面对的一个问题。这一问题取决于图纸中的部分内容，一些设备基于逻辑考虑需要被设置在一起。但是应该注意，对温度比较敏感的元件，比如传感器，应当与包括电源转换器在内的产生热量的元件分开设置。对于拥有多种电源设置的设计，12伏和15伏电源转换器，可以分别设置在电路板的不同位置，因为它们产生的热量和电子噪声会对其它元件以及电路板的可靠性和性能造成影响。

上述元件也会对电路设计的电磁性能造成影响，这不仅仅对于电路板的性能和能耗十分重要，对于电路板经济性也会带来很大的影响，因此所有在欧洲销售的电路板设备都必须获得CE标志，以证明不会对其它系统造成干扰。不过，这通常只是从电源供应方面来说的，还有许多设备会发出噪声，例如DC-DC转换器、以及高速数据转换器等。由于电路板设计存在缺陷， 这些噪声能够被信道捕获，并作为小型天线进行辐射，从而产生杂频噪声及频率异常区域。

远场电磁干扰(EMI)问题可以通过在噪声点加装滤波器或者使用金属外壳来屏蔽信号的方式加以解决。但是对电路板上能够释放电磁干扰(EMI)的设备予以充分的重视，却使得电路板可以选用更廉价的外壳，从而有效降低整个系统的成本。

在电路板的设计过程中，电磁干扰(EMI)确实是一个不得不重视的因素。电磁串扰能够与信道产生耦合，从而将信号打乱为噪声，影响电路板的整体性能。如果耦合噪声过高，则信号有可能会被完全覆盖，因此必须加装更加昂贵的信号放大器，才能够恢复正常。不过，如果在电路板的设计之初，就能够充分考虑到信号线路布局的话，上述问题就可以避免。由于电路板的设计会根据不同设备、不同使用地点、不同散热需求、以及不同的电磁干扰(EMI)情况，而有所不同，这时设计模板便派上了大用场。

电容同样也是电路板设计中一个不容忽视的重要问题，因为电容会影响信号的传播速度、增加电量的消耗。信道会与旁边的线路产生耦合或者垂直穿越两个电路层，从而在无意中形成一个电容器。通过减少平行线路的长度、在其中一条线路上加装扭结从而切断耦合等方式，上述问题可以相对容易地加以解决。不过，这也需要工程设计人员充分考虑生产设计原则，确保设计方案便于制造，同时避免由于线路弯折角度过大造成的任何噪声辐射。线路之间的距离也有可能会过近，这将会在线路之间产生短的回路，尤其是在线路弯折处，随着时间的推移，会出现金属“晶须”。设计规则检测通常可以标示出回路风险比正常情况更高的区域。

这一问题在接地层的设计中显得尤为突出。一个金属电路层，有可能会与其上方和下方的所有线路形成耦合。尽管该金属层确实能够有效阻隔噪声，不过该金属层同时也会产生伴生电容，影响线路的运行速度，并增加电量的消耗。

就多层电路板的设计而言，不同电路板层之间的通孔设计，恐怕是最具争议性的一个问题，因为通孔设计会给电路板的生产制造，带来许多问题。电路板层之间的通孔，会影响信号的性能，降低电路板设计的可靠性，因此应当予以充分的重视。

解决方案

在印刷电路板(PCB)的设计过程中，可以采取许多不同的方法，来解决各种问题。其中既有设计方案本身的调整，比如调整线路布局，减少噪声;也有印刷电路板布局方面的方法。设计元件可以通过布局工具进行自动安装，不过如果能够对自动布局进行手动调节，将有助于提高电路板设计的质量。通过这一措施，设计规则检测将借助于技术文件，确保电路板的设计能够满足电路板生产厂商的要求。

将不同的电路板层进行分隔，可以减少伴生电容，不过，这将增加电路板的层数，从而增加成本，带来更多通孔方面的问题。尽管采用正交电网供电系统和接地线路设计可能会增加电路板的物理尺寸，但却可以有效发挥双层电路板中接地层的效用，降低电容量和电路板生产制造的复杂性。

包括DesignSpark PCB在内的设计工具，在设计之初，就可以帮助工程设计人员解决许多问题， 不过工程设计人员还是需要对印刷电路板(PCB)的设计需求有充分的了解。举例来说，如果印刷电路板(PCB)的编辑人员，在开始设计之初便需要对电路板的层数有所了解，例如，一个双层的电路板，则需要有一个接地层和一个电源层，两个相互独立的板层构成。 元件自动布局技术的用处很大，可以帮助设计人员花费更多的时间，来对设备的布局区域进行设计，例如，供电设备如果与敏感的信号线路或者是温度较高的区域距离过近的话，就会产生很多问题。与此相同的是，信号线路也可以进行自动布线，同时避免大部分问题的出现，不过，对高风险区域进行分析和手动操作，将有助于大幅度提高印刷电路板(PCB)设计的质量、提高收益、降低总体成本。

设计规则检测同样也是一个非常有力的工具，能够对线路进行检测，确保线路之间的距离不至于过近，从而造成回路过短。不过，整体设计仍然具有很高的经济价值。设计规划检测工具同时也可以用来检测和调整电源层与接地层，避免产生大的伴生电容区域。

上述工具对于Gerber和Excellon也将带来很大帮助，有助他们为了生产出最终的设计成品，而进行线路和电路板印制，以及通孔钻孔等方面的工作。这样一来，技术文件就与电路板制造商紧密相连。

结论

在印刷电路板(PCB)的设计过程中需要考虑诸多问题，而包括DesignSpark PCB 在内的工具，能够有效地处理其中的大部分问题。通过采用某些最佳实践指导原则，工程设计人员能够有效地减少成本、提高电路板的可靠性，同时满足系统规格的要求，以较低的成本弯沉系统认证，从而避免出现更多问题。[!--empirenews.page--]