PCB設計(jì)的核心問題解決方案

       進行(xíng)印刷電(diàn)路闆(PCB)設計(jì)是指通(tōng)過設計(jì)原理(lǐ)圖紙，進行(xíng)線路布局，以盡可(kě)能低(dī)的成本生(shēng)産電(diàn)路闆。過去，這通(tōng)常需要借助于價格昂貴的專用工具才能完成，但(dàn)是現在，随着免費的高(gāo)性能軟件工具——例如DesignSpark PCB——以及設計(jì)模型的日益普及，大(dà)大(dà)加快了電(diàn)路闆設計(jì)人(rén)員的設計(jì)速度。 

    盡管工程設計(jì)人(rén)員知道(dào)，一個(gè)完美的設計(jì)方案是避免問題出現的最佳方式，不過這仍是一種既浪費時(shí)間(jiān)又浪費金錢(qián)，同時(shí)治标不治本的方法。比如，如果在電(diàn)磁兼容性(EMC)測試階段發現問題，将會(huì)造成大(dà)量的成本投入，甚至需要對最初的設計(jì)方案進行(xíng)調整和(hé)重新制(zhì)作(zuò)，這将耗費數(shù)月的時(shí)間(jiān)。 

    布局是設計(jì)人(rén)員首先要面對的一個(gè)問題。這一問題取決于圖紙中的部分內(nèi)容，一些(xiē)設備基于邏輯考慮需要被設置在一起。但(dàn)是應該注意，對溫度比較敏感的元件，比如傳感器(qì)，應當與包括電(diàn)源轉換器(qì)在內(nèi)的産生(shēng)熱量的元件分開(kāi)設置。對于擁有(yǒu)多(duō)種電(diàn)源設置的設計(jì)，12伏和(hé)15伏電(diàn)源轉換器(qì)，可(kě)以分别設置在電(diàn)路闆的不同位置，因為(wèi)它們産生(shēng)的熱量和(hé)電(diàn)子噪聲會(huì)對其它元件以及電(diàn)路闆的可(kě)靠性和(hé)性能造成影(yǐng)響。 

    上(shàng)述元件也會(huì)對電(diàn)路設計(jì)的電(diàn)磁性能造成影(yǐng)響，這不僅僅對于電(diàn)路闆的性能和(hé)能耗十分重要，對于電(diàn)路闆經濟性也會(huì)帶來(lái)很(hěn)大(dà)的影(yǐng)響，因此所有(yǒu)在歐洲銷售的電(diàn)路闆設備都必須獲得(de)CE标志(zhì)，以證明(míng)不會(huì)對其它系統造成幹擾。不過，這通(tōng)常隻是從電(diàn)源供應方面來(lái)說的，還(hái)有(yǒu)許多(duō)設備會(huì)發出噪聲，例如DC-DC轉換器(qì)、以及高(gāo)速數(shù)據轉換器(qì)等。由于電(diàn)路闆設計(jì)存在缺陷， 這些(xiē)噪聲能夠被信道(dào)捕獲，并作(zuò)為(wèi)小(xiǎo)型天線進行(xíng)輻射，從而産生(shēng)雜頻噪聲及頻率異常區(qū)域。 

    遠場(chǎng)電(diàn)磁幹擾(EMI)問題可(kě)以通(tōng)過在噪聲點加裝濾波器(qì)或者使用金屬外殼來(lái)屏蔽信号的方式加以解決。但(dàn)是對電(diàn)路闆上(shàng)能夠釋放電(diàn)磁幹擾(EMI)的設備予以充分的重視(shì)，卻使得(de)電(diàn)路闆可(kě)以選用更廉價的外殼，從而有(yǒu)效降低(dī)整個(gè)系統的成本。 

    在電(diàn)路闆的設計(jì)過程中，電(diàn)磁幹擾(EMI)确實是一個(gè)不得(de)不重視(shì)的因素。電(diàn)磁串擾能夠與信道(dào)産生(shēng)耦合，從而将信号打亂為(wèi)噪聲，影(yǐng)響電(diàn)路闆的整體(tǐ)性能。如果耦合噪聲過高(gāo)，則信号有(yǒu)可(kě)能會(huì)被完全覆蓋，因此必須加裝更加昂貴的信号放大(dà)器(qì)，才能夠恢複正常。不過，如果在電(diàn)路闆的設計(jì)之初，就能夠充分考慮到信号線路布局的話(huà)，上(shàng)述問題就可(kě)以避免。由于電(diàn)路闆的設計(jì)會(huì)根據不同設備、不同使用地點、不同散熱需求、以及不同的電(diàn)磁幹擾(EMI)情況，而有(yǒu)所不同，這時(shí)設計(jì)模闆便派上(shàng)了大(dà)用場(chǎng)。 

    電(diàn)容同樣也是電(diàn)路闆設計(jì)中一個(gè)不容忽視(shì)的重要問題，因為(wèi)電(diàn)容會(huì)影(yǐng)響信号的傳播速度、增加電(diàn)量的消耗。信道(dào)會(huì)與旁邊的線路産生(shēng)耦合或者垂直穿越兩個(gè)電(diàn)路層，從而在無意中形成一個(gè)電(diàn)容器(qì)。通(tōng)過減少(shǎo)平行(xíng)線路的長度、在其中一條線路上(shàng)加裝扭結從而切斷耦合等方式，上(shàng)述問題可(kě)以相對容易地加以解決。不過，這也需要工程設計(jì)人(rén)員充分考慮生(shēng)産設計(jì)原則，确保設計(jì)方案便于制(zhì)造，同時(shí)避免由于線路彎折角度過大(dà)造成的任何噪聲輻射。線路之間(jiān)的距離也有(yǒu)可(kě)能會(huì)過近，這将會(huì)在線路之間(jiān)産生(shēng)短(duǎn)的回路，尤其是在線路彎折處，随着時(shí)間(jiān)的推移，會(huì)出現金屬“晶須”。設計(jì)規則檢測通(tōng)常可(kě)以标示出回路風險比正常情況更高(gāo)的區(qū)域。 

    這一問題在接地層的設計(jì)中顯得(de)尤為(wèi)突出。一個(gè)金屬電(diàn)路層，有(yǒu)可(kě)能會(huì)與其上(shàng)方和(hé)下方的所有(yǒu)線路形成耦合。盡管該金屬層确實能夠有(yǒu)效阻隔噪聲，不過該金屬層同時(shí)也會(huì)産生(shēng)伴生(shēng)電(diàn)容，影(yǐng)響線路的運行(xíng)速度，并增加電(diàn)量的消耗。 

    就多(duō)層電(diàn)路闆的設計(jì)而言，不同電(diàn)路闆層之間(jiān)的通(tōng)孔設計(jì)，恐怕是最具争議性的一個(gè)問題，因為(wèi)通(tōng)孔設計(jì)會(huì)給電(diàn)路闆的生(shēng)産制(zhì)造，帶來(lái)許多(duō)問題。電(diàn)路闆層之間(jiān)的通(tōng)孔，會(huì)影(yǐng)響信号的性能，降低(dī)電(diàn)路闆設計(jì)的可(kě)靠性，因此應當予以充分的重視(shì)。 

    解決方案： 

    在印刷電(diàn)路闆(PCB)的設計(jì)過程中，可(kě)以采取許多(duō)不同的方法，來(lái)解決各種問題。其中既有(yǒu)設計(jì)方案本身的調整，比如調整線路布局，減少(shǎo)噪聲;也有(yǒu)印刷電(diàn)路闆布局方面的方法。設計(jì)元件可(kě)以通(tōng)過布局工具進行(xíng)自動安裝，不過如果能夠對自動布局進行(xíng)手動調節，将有(yǒu)助于提高(gāo)電(diàn)路闆設計(jì)的質量。通(tōng)過這一措施，設計(jì)規則檢測将借助于技(jì)術(shù)文件，确保電(diàn)路闆的設計(jì)能夠滿足電(diàn)路闆生(shēng)産廠商的要求。 

    将不同的電(diàn)路闆層進行(xíng)分隔，可(kě)以減少(shǎo)伴生(shēng)電(diàn)容，不過，這将增加電(diàn)路闆的層數(shù)，從而增加成本，帶來(lái)更多(duō)通(tōng)孔方面的問題。盡管采用正交電(diàn)網供電(diàn)系統和(hé)接地線路設計(jì)可(kě)能會(huì)增加電(diàn)路闆的物理(lǐ)尺寸，但(dàn)卻可(kě)以有(yǒu)效發揮雙層電(diàn)路闆中接地層的效用，降低(dī)電(diàn)容量和(hé)電(diàn)路闆生(shēng)産制(zhì)造的複雜性。 

    包括DesignSpark PCB在內(nèi)的設計(jì)工具，在設計(jì)之初，就可(kě)以幫助工程設計(jì)人(rén)員解決許多(duō)問題， 不過工程設計(jì)人(rén)員還(hái)是需要對印刷電(diàn)路闆(PCB)的設計(jì)需求有(yǒu)充分的了解。舉例來(lái)說，如果印刷電(diàn)路闆(PCB)的編輯人(rén)員，在開(kāi)始設計(jì)之初便需要對電(diàn)路闆的層數(shù)有(yǒu)所了解，例如，一個(gè)雙層的電(diàn)路闆，則需要有(yǒu)一個(gè)接地層和(hé)一個(gè)電(diàn)源層，兩個(gè)相互獨立的闆層構成。元件自動布局技(jì)術(shù)的用處很(hěn)大(dà)，可(kě)以幫助設計(jì)人(rén)員花(huā)費更多(duō)的時(shí)間(jiān)，來(lái)對設備的布局區(qū)域進行(xíng)設計(jì)，例如，供電(diàn)設備如果與敏感的信号線路或者是溫度較高(gāo)的區(qū)域距離過近的話(huà)，就會(huì)産生(shēng)很(hěn)多(duō)問題。與此相同的是，信号線路也可(kě)以進行(xíng)自動布線，同時(shí)避免大(dà)部分問題的出現，不過，對高(gāo)風險區(qū)域進行(xíng)分析和(hé)手動操作(zuò)，将有(yǒu)助于大(dà)幅度提高(gāo)印刷電(diàn)路闆(PCB)設計(jì)的質量、提高(gāo)收益、降低(dī)總體(tǐ)成本。 

    設計(jì)規則檢測同樣也是一個(gè)非常有(yǒu)力的工具，能夠對線路進行(xíng)檢測，确保線路之間(jiān)的距離不至于過近，從而造成回路過短(duǎn)。不過，整體(tǐ)設計(jì)仍然具有(yǒu)很(hěn)高(gāo)的經濟價值。設計(jì)規劃檢測工具同時(shí)也可(kě)以用來(lái)檢測和(hé)調整電(diàn)源層與接地層，避免産生(shēng)大(dà)的伴生(shēng)電(diàn)容區(qū)域。 

    上(shàng)述工具對于Gerber和(hé)Excellon也将帶來(lái)很(hěn)大(dà)幫助，有(yǒu)助他們為(wèi)了生(shēng)産出最終的設計(jì)成品，而進行(xíng)線路和(hé)電(diàn)路闆印制(zhì)，以及通(tōng)孔鑽孔等方面的工作(zuò)。這樣一來(lái)，技(jì)術(shù)文件就與電(diàn)路闆制(zhì)造商緊密相連。 

    在印刷電(diàn)路闆(PCB)的設計(jì)過程中需要考慮諸多(duō)問題，而包括DesignSpark PCB 在內(nèi)的工具，能夠有(yǒu)效地處理(lǐ)其中的大(dà)部分問題。通(tōng)過采用某些(xiē)最佳實踐指導原則，工程設計(jì)人(rén)員能夠有(yǒu)效地減少(shǎo)成本、提高(gāo)電(diàn)路闆的可(kě)靠性，同時(shí)滿足系統規格的要求，以較低(dī)的成本彎沉系統認證，從而避免出現更多(duō)問題。