學無止境，PCB設計那些事

李清龍1023 2023-05-16 發(fā)布于安徽

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前言

時間好快，初入工作的我不知為何聽到PCB這個話題有許多的話要說?？赡茉谖疫^去的許多年里接觸了許許多多相關PCB的東西。從最初的拆解電路到自己設計板子，從國外的AD到國產(chǎn)的立創(chuàng)EDA，從雙層板到四層六層板，從低速到高速板設計，我都很有感觸。

企業(yè)文化

第一次接觸PCB是在我剛上小學的時候，將近十幾年前了。那個時候家在豫東農(nóng)村，對門鄰居家開了一家廢品收購站，經(jīng)?？梢栽谒业膹U品堆里扒拉出來很多電子產(chǎn)品。那個時候的變壓器里面的銅絲有紅色、紫色、綠色各種各樣，現(xiàn)在再也沒有見到過。也就是那個時候從一些電子產(chǎn)品里面發(fā)現(xiàn)了一些板子，上面有密密麻麻的小東西，那個時候很好奇就是這個板子可以讓小燈泡亮起來，讓小喇叭響起來。現(xiàn)在想起來原來那就是PCB板。

也就是那時的某天下午，我突發(fā)奇想，從小板子上拆下來許多的元件，亂七八糟連接在一顆小燈珠上，然后把手伸向了插座，妄想著自己這樣可笑的做法可以點亮這顆小燈珠。那年我手抓著燈珠，好像抓住了整個夏天。后面發(fā)生的事讓我整個人愣在原地了許久，我只記得眼前的插座發(fā)出一道刺眼的光，我的身體就像被定住了一樣木在原地，我可以清楚聽到心臟在劇烈的跳動著，像要跳出胸膛。這道明亮的閃光給那時我幼小的心靈帶來了強烈的震撼和畏懼，以至于過去了十幾年，即便許多記憶都已模糊而這個畫面我仍記憶猶新。

再次接觸到PCB是在我將要上初中的時候，因為我很喜歡音樂，我的爸爸給我買了一個藍牙音響，那大概是2012年，那時手機的品牌還是金立、波導、諾基亞。偶然的一天那個小音響壞了，我便把他拆開來看，當時的我就記得，原來是這一根導線斷了，那個時候還沒有玩烙鐵，拿著膠帶把引腳粘起來便湊合可以響了。那個時候的音響主板就是我們現(xiàn)在見到的這樣了，貼片的元件、綠色阻焊的雙層板、SOP8的D類功放芯片。這個小音響是我興趣的啟蒙，也就是從這個時候開始我喜歡上了功放這個東西。

時間過得很快，轉(zhuǎn)眼到了高中，河南這邊的高中很辛苦，早自習晚自習幾乎吃光了所有的課余時間。但是在周末我還是有一些時間去玩這些東西。我開始用淘寶，找到了入門必玩的TDA2030小功放，自己拿鋸子開木板，去淘喇叭，組裝了自己的第一臺8寸的音響。那個夏天我很開心，聽著自己做的音響，心情格外的涼爽。

轉(zhuǎn)眼上了大學，大學期間是我知識突飛猛進的時候，我花了許多的時間來學習基礎的模電數(shù)電電路知識，后來也學了擼代碼，但是在后面的比賽中逐漸向硬件傾斜，那年PCB廠商開始干仗，以前發(fā)一次板子要百十塊，現(xiàn)在等于免費。雖然說干仗這個詞語不好聽，但是不得不說這兩年對我們大學生在這個硬件PCB方向的發(fā)展起了很大的促進作用。大學期間參加了好多的競賽拿了許多的國獎省獎專利、主要做的都是硬件電路PCB設計這個方面，給我后面工作積累了一定的經(jīng)驗。

這是我第一次用AD繪制的PCB板子，看起來不太像第一次畫的吧

后面比賽繪制的驅(qū)動板

現(xiàn)在的我進入了一家功放設計公司，我很喜歡這個工作，從事的也是硬件相關的設計。在這里我開始重視許多之前沒有注意到的點，EMC、ESD、阻抗、高速、熱分析等等。我的心中有一個詞，叫學無止境，每到一個環(huán)境都可以學到新的知識，給自己新的感觸，下面就是我過去所用到的一小部分相關知識，漫談一下。

EDA軟件

真正的設計一款PCB一定要從EDA軟件開始，沒有EDA軟件就沒有PCB。我們常用的EDA軟件有許多。消費類產(chǎn)品用PADs多一點，高速多層板用Cadence多一點。同樣也有沿海和內(nèi)陸用哪種多一點之分。而對于大學生和大多數(shù)沒有高速設計和高成本要求的公司AD(AltisimDesigner)還是一個比較多的選擇，在這兩年因為某些原因，國產(chǎn)的EDA軟件也開始重視起來，出現(xiàn)了像立創(chuàng)EDA等一批這樣的優(yōu)秀軟件。

AltisimDesigner應該是大多數(shù)初接觸者會用到的工具，也是一款比較完整和功能強大的EDA設計工具。即便是使用了三四年之久，我在和同事溝通時，偶爾也會發(fā)現(xiàn)幾個好用的功能。AD的功能很強大，在一些高級功能上面國產(chǎn)EDA是沒有任何可比性。AD的優(yōu)先選項設置和快捷鍵在生產(chǎn)設計過程中用好了會非常有效率。下面是搜集的一點快捷鍵，僅供參考。

立創(chuàng)EDA

在這兩年的大形勢下，國產(chǎn)EDA軟件發(fā)力，其中生態(tài)做的比較好的是立創(chuàng)EDA。起初我是沒有打算使用的，但是因為和打樣相關聯(lián)，所以嘗試了一次，發(fā)現(xiàn)在設計簡單的板子時，他的庫以及常用的功能足以滿足我們?nèi)粘５脑O計需求，而且打樣SMT以及物料采購都是可以一條龍完成的，這一點是其他EDA軟件比不了的。

這是我用立創(chuàng)EDA快速繪制的PCB，通過自帶的庫可以預覽到非常逼真的3D仿真圖

這個異形板子你能看出來它有哪些功能嘛?

但是也有需要說的，其他的老牌EDA軟件畢竟是許多年更新積累的產(chǎn)品，在面對專業(yè)的EDA制版需求面前，還是要用像Cadence或者AD這樣的軟件，在一些高級的功能上面國產(chǎn)EDA還是有很長的路要走。

PCB拆解DIY

一個硬件工程師，怎么可能沒有拆解過幾個小產(chǎn)品呢。在我成長過程中拆掉的東西簡直數(shù)不過來，但是在早期一直沒有記錄。前些天拆解過一個大功率鋰電池充電器，寫了一篇文章，感興趣的可以看一下——鋰電池大功率充電器拆解

在這個拆解的充電器里面，可以看到很多優(yōu)秀的設計。大過孔有利于散熱、大面積鋪銅有利于電流的順暢流通，但是他的過壓和反接保護做的不好，也是這個主板之所以壞的原因。值得我們借鑒。

下面這個是我設計的一個鋰電池充電器的局部圖，同樣的寫了一篇文章來記錄——鋰電池大功率充電器

在這個板子中非常符合高內(nèi)聚低耦合的思想。按照功能劃分模塊電路，模塊之間有0歐姆跨接，可以一次焊接，分布調(diào)試。在絲印處理上，也比較符合個人的審美，便于分辨觀察。

這個小東西從PCB和建模都是一起完成的。同樣有一篇文章來介紹他——便攜紫外消毒燈

在這個產(chǎn)品制作過程中體現(xiàn)了結構的作用。一個產(chǎn)品里PCB的外形一定不是隨意的。外形設計是根據(jù)結構提供的圖紙來定的。而后在PCB內(nèi)部在進行布局處理。在這個板子設計中，預留了走線開槽，考慮了PCB的厚度以及元器件的高度等信息?？偟膩碚f，像要設計一個好的產(chǎn)品需要考慮到的地方是非常多的。

下面的圖片是一個ESP32-SOLO的核心板，在當時業(yè)界推出粉色阻焊時立即嘗鮮，打印了一版粉色PCB。

下面的板子是一個顯示屏的驅(qū)動板，MIPI信號走了差分線，差分線做等長處理，過孔包地，蛇形走線靠近端子，等長做好阻抗匹配?；旧峡刂坪眠@些點，簡單的差分阻抗設計應該不是問題。

EMC設計

接下來要說說PCB進階要考慮的東西了。在一個產(chǎn)品的開發(fā)過程中，一定是要通過EMC認證的，所以說PCB的EMC設計顯得格外重要。

EMC(電磁兼容)是指電子、電氣設備或系統(tǒng)在預期的電磁環(huán)境中，按設計要求正常工作的能力。它是電子、電氣設備或系統(tǒng)的一種重要的技術性能，主要包括EMI(電磁干擾)、EMS(電磁抗擾度)、電磁環(huán)境三方面的含義。包含了CE(傳導騷擾)、RE(輻射騷擾)、ESD(靜電抗擾度)、EFT(脈沖抗擾度)、SURGE(浪涌)等幾十條測試標準。

PCB就像一個完整產(chǎn)品的縮影。它是EMC技術中最值得探討的部分，是設備工作頻率最高的部分，同時，往往也是電平最低、最為敏感的部分。PCB的EMC設計實際上已經(jīng)包含了接地設計、去耦旁路設計等。一個有著良好地平面的PCB，不但可以降低流過共模電流產(chǎn)生的壓降，同時也是減小環(huán)路的重要手段。

當一個產(chǎn)品的PCB被設計完成后，可以說，其核心電路的騷擾和抗擾特性就基本已經(jīng)被確定下來了。要想再提高其電磁兼容特性，就只能通過接口電路的濾波和外殼的屏蔽來 “圍追堵截” 了，不但大大增加產(chǎn)品的后續(xù)成本，也增加產(chǎn)品的復雜程度，降低產(chǎn)品的可靠性?？梢哉f，一個好的PCB可以解決大部分的電磁騷擾問題，只要在接口電路排版時適當?shù)卦黾铀矐B(tài)抑制器件和濾波電路就可以同時解決大部分的抗擾度和騷擾問題。在PCB布線中，增強電磁兼容性不會給產(chǎn)品的最終完成帶來附加費用。在PCB設計中，如果產(chǎn)品設計師往往只注重提高密度、減小占用空間、制作簡單或追求美觀、布局均勻，忽視線路布局對電磁兼容性的影響，使大量的信號輻射到空間形成騷擾，那么這個產(chǎn)品將導致大量的EMC問題。很多例子就算加上濾波器和元器件也不能解決這些問題，到最后，不得不對整個板子重新布線。

一個具有良好EMC設計的PCB，必須能避免共模干擾電流流過產(chǎn)品內(nèi)部電路，并將其導向大地、低阻抗的外殼或電路中的非敏感電路區(qū)。同樣，于PCB內(nèi)部的EMI噪聲源電路，如時鐘發(fā)生電路、時鐘傳輸線路、開關電源的開關回路、高頻信號線路等，以及產(chǎn)品的EMI噪聲或共模電壓也必須被隔離在電路內(nèi)部，避免與外圍的電路或電纜產(chǎn)生耦合，從而產(chǎn)成輻射。

在EMC設計中，可以考慮下面這些點來規(guī)避問題的出現(xiàn)。

器件分區(qū)和信號線分區(qū)，保證數(shù)字器件在一個區(qū)域，模擬器件或信號線在另一個區(qū)域，而且，其間在PCB的表層和底層有地線隔離，減小串擾和輻射。

在多層板PCB設計中，建議在晶振下方設置局部地平面。對于兩層板，此方法顯得更為重要，規(guī)范的設計在后續(xù)問題的排查中會很快的找到問題。

6層以上的多層板表層或底層不允許長距離布時鐘線。最大允許的表層時鐘線長度為時鐘信號波長的1/20。

晶振和驅(qū)動電路的下方及離這些電路300mil的距離內(nèi)不能布信號線。

TVS及類似的保護器件在PCB中布局時，應放置在接口連接器之后的信號入口處，靠近連接器，并且保護器件位于被保護器件與接口連接器之間，信號先經(jīng)過保護器件，再由保護器件引向被保護器件。

杜絕高dU/dt的印制線或器件放置在PCB的邊緣，如果設計中由于其他原因一定要布置在PCB邊緣，那么可以在印制線邊上再布一根工作地線，并通過過孔將此工作地線與工作地平面相連。敏感印制線或器件布置在PCB邊緣會產(chǎn)生抗擾度問題。

消除一種誤解：不要認為輻射是由晶振直接造成的，事實上晶振個體較小，它直接影響的是近場輻射(表現(xiàn)為晶振與其他導體( 如參考接地板)之間形成的寄生電容)，造成遠場輻射的直接因素是電纜或產(chǎn)品中最大尺寸與輻射頻率波長可以比擬的導體。

此外，我們都說要分開模擬地和數(shù)字地等多種地平面。但是你真的會分或者是說有必要分嗎。在這下面的圖里表述了一個比較完整的分地流程。

PCB設計很簡單，但看似簡單又不簡單。學無止境，在這個方面還有很多的知識和要點等著去學習去思考，希望今天的分享能夠給Reader帶來幫助。

作者：丸子~

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