拒絕無效畫板，資深工程師的PCB防翻車指南

此類在線工具雖然有幫助，但不夠全面。此類工具大多未考慮散熱要求、特定網(wǎng)絡(luò)的載流能力、因功能或安全間距要求而增加的電壓間距，也未將避免高敏感電路串?dāng)_所需的額外設(shè)計(jì)技術(shù)和間距納入考量。簡(jiǎn)而言之，此類工具對(duì)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景一無所知。本文將提供一套指導(dǎo)流程，協(xié)助設(shè)計(jì)更優(yōu)質(zhì)的PCB。

原理圖設(shè)計(jì)始終處于首位，設(shè)計(jì)人員應(yīng)透徹理解原理圖內(nèi)容及電路內(nèi)部工作原理。這一點(diǎn)至關(guān)重要，怎么強(qiáng)調(diào)都不為過。

如前所述，電路板面積和尺寸通常取決于元器件和引腳數(shù)量，而疊層結(jié)構(gòu)則由網(wǎng)絡(luò)或傳輸線的數(shù)量及其功能決定。原理圖（或設(shè)計(jì)方案）應(yīng)明確上述約束條件，但實(shí)際情況并非總是如此，有時(shí)可用空間極為有限。在原理圖中布置元器件時(shí)，應(yīng)反映實(shí)際布局需求，或至少在原理圖中添加相應(yīng)注釋以輔助布局。需要緊湊布置的節(jié)點(diǎn)應(yīng)在原理圖上標(biāo)注為緊湊，需要靠近的電路應(yīng)在原理圖上就近放置。諸如此類的做法將有助于后續(xù)的器件布局工作。有些設(shè)計(jì)（如射頻或高速數(shù)字電路）需關(guān)注物理距離（傳播延遲）或其他模擬特性（例如精密模擬電路）；而在其他設(shè)計(jì)中，電路元器件可視為集總元件，物理距離不再重要。所有上述細(xì)節(jié)均應(yīng)以適當(dāng)方式標(biāo)注在原理圖上，以明確從原理圖過渡到PCB設(shè)計(jì)時(shí)的關(guān)鍵要素。

在一定程度上，布局方案也會(huì)影響原理圖設(shè)計(jì)，比如當(dāng)需要克服低層數(shù)板帶來的設(shè)計(jì)妥協(xié)，或進(jìn)行多板設(shè)計(jì)（包括板對(duì)板連接器）時(shí)。差分信號(hào)的應(yīng)用即為典型案例（圖1）。此項(xiàng)技術(shù)常用于需長(zhǎng)距離傳輸?shù)哪M或數(shù)字信號(hào)，例如電纜傳輸場(chǎng)景。在這項(xiàng)技術(shù)中，正負(fù)信號(hào)同時(shí)通過電纜傳輸（除地線外）。各信號(hào)產(chǎn)生的位移電流在地線上相互抵消，從而形成幾乎不受共模干擾或電磁干擾(EMI)影響的通信路徑。同樣的技術(shù)也可用于PCB上的短距離傳輸，以保持接地完整性，適用于精密或敏感模擬 信號(hào)，或在PCB走線距離過長(zhǎng)時(shí)使用。

圖1a中，兩條等長(zhǎng)的互補(bǔ)信號(hào)線并行布設(shè)，共用同一接地平面。圖1b中，信號(hào)線分布于不同層，由接地平面分隔。由于各信號(hào)的物理位置幾乎相同，耦合的干擾信號(hào)也應(yīng)一致。因此，差分信號(hào)可有效抑制耦合噪聲。

有時(shí)無法完全消除地線中的電流，此時(shí)需將接地平面分割為多個(gè)區(qū)域，或改用接地樹結(jié)構(gòu)。是否有必要采用上述方法取決于布局的幾何形狀。為便于實(shí)施，可修改原理圖以分離地線：保持同一網(wǎng)絡(luò)，但使用不同的地線符號(hào)（如gnd1、gnd2、gnd3等），從而強(qiáng)制在布局中實(shí)現(xiàn)地線分離。

自然界總是傾向于從源端獲取最少能量（無論是存儲(chǔ)還是耗散）。對(duì)于接地平面上方走線中的交流信號(hào)，信號(hào)地回流電流始終沿信號(hào)走線正下方的地平面流動(dòng)。原本僅依據(jù)法拉第定律即可完成電磁場(chǎng)限制的目的，但信號(hào)走線周圍仍設(shè)有完整的接地平面（帶狀線設(shè)計(jì)則有兩個(gè)接地平面）。實(shí)心接地平面可提供更優(yōu)的高頻去耦性能（即在更高頻率下提供更低阻抗的電源），且大面積銅箔能更有效地限制直流和交流電磁場(chǎng)。

既然如此，為何還要使用接地樹結(jié)構(gòu)而非接地平面？圖2和圖3展示了這兩種方法，并附有描述有損傳輸線阻抗的公式。

先來看這個(gè)公式，在直流條件下(ω = 0)，線路的阻抗是√((R/G))（即損耗部分）。對(duì)于電流回流路徑，1/G同樣代表電阻，因此電流沿最小電阻路徑回流，充分利用所有可用銅箔。此現(xiàn)象本質(zhì)上是自然界在最小化能量。在此低頻情況下，I²R損耗消耗的能量遠(yuǎn)大于接地回路電感存儲(chǔ)的能量。當(dāng)ω = 0時(shí)，直流回流電流不再局限于信號(hào)走線正下方區(qū)域，銅箔中的電流流動(dòng)會(huì)在接地平面上產(chǎn)生電壓降。

構(gòu)建接地樹時(shí)，應(yīng)從變壓器開始，優(yōu)先引導(dǎo)噪聲最大的電流回流（圖2）。隨后，繼續(xù)將其他接地回流電流匯入以測(cè)量地為終點(diǎn)的分支。此方法可將接地噪聲和誤差轉(zhuǎn)換為易于抑制的共模信號(hào)。注：為適應(yīng)元器件位置，某些分支可能較長(zhǎng)。最后可在所有分支上鋪設(shè)接地銅箔，在不影響此方法有效性的前提下降低電源阻抗。

先將接地平面的兩側(cè)分別指定為相鄰信號(hào)層的專用回流路徑。若未采用接地樹結(jié)構(gòu)，低頻下接地電流噪聲源轉(zhuǎn)化為共模誤差還是差模誤差，將完全取決于元器件布局。

而在高頻下，電感限制了總電流幅值，因此減少儲(chǔ)能成為降低源端能量提取的關(guān)鍵參數(shù)。

在低頻下，上述電流引起的接地電壓降可能導(dǎo)致測(cè)量誤差，具體取決于元器件布局及關(guān)鍵測(cè)量的接地參考點(diǎn)位置。由此可見，接地點(diǎn)的電位并非處處為零。

接下來分析圖3所示的接地平面布局。此方法通過控制回流電流路徑，確保大電流不會(huì)產(chǎn)生可被檢測(cè)到的電壓降。

在原理圖中，可對(duì)每個(gè)分支進(jìn)行差異化標(biāo)記，以強(qiáng)化PCB中的架構(gòu)設(shè)計(jì)。實(shí)際上，采用接地樹會(huì)顯著增加布局工作量，因?yàn)槿孕铻樗袀鬏斁€提供受控（且狹小）的場(chǎng)空間，以限制交流電磁場(chǎng)。圖2中所示的所有接地銅箔填充均為解決此問題所必需。

布線前的決策決定了后續(xù)設(shè)計(jì)的成敗。通過調(diào)整原理圖以滿足布局需求，并盡早選擇合適的接地架構(gòu)，可為電路板按預(yù)期運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。無論設(shè)計(jì)中采用實(shí)心接地平面還是精密控制的接地樹，目標(biāo)始終一致：限制電磁場(chǎng)、控制回流電流、防止噪聲耦合至敏感節(jié)點(diǎn)。