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干货 | 一些会引起争议的PCB布线经验法则

最新更新时间:2022-09-18
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  最近看到 Zachariah Peterson 在2020年四月写了一篇博客文章  The Great PCB Layout Rules of Thumb Debate Rages On[1] ,对于一些引起热议的设计PCB的经验法则进行了讨论。下面将文章摘录如下。

  如今,我仍然还能看到一些在20年前就常见的PCB布线的经验法则,它们现在还被广泛遵守和适用吗?确切的答案是“也许吧”。一些关于PCB设计论坛中的 遵守/避免布线法则,使得PCB设计者在这些规则也许不适用的地方要么遵守,要么忽略他们。一些情况下,这未必造成电路板设计失败。正像一些有经验PCB设计者所说,电路板是出于偶然的机会恰好可以正常工作。

  关于PCB设计的经验法则的讨论并不是说他们是正确还是错误,问题是这些讨论往往缺乏应用场合的针对性,这样也使得规则的讨论时长在论坛中被提起。本文希望将这些规则背后所适应的场景讲清楚,希望将不同的规则在什么时候适用,什么时候需要避免阐释准确。

01 PCB布线中
常用经验法则

  们不用再费周折,将一些常用到的PCB布线经验法则抽丝剥茧,分析它们背后所适用的场景。

一、垂直布线

  最近我在文章 The Case Against Orthogonal Trace Routing in Multilayer PCBs[2] 中已经详细讨论过这个布线规则,下面将其中一些重要结论重新给出。垂直布线的规则是说在相邻信号层的引线需要相互垂直,以减少相互之间互感引起的串扰。在高频信号中,通过电容耦合产生的串扰占主要成分,在垂直引线之间产生电流尖峰。

▲ 图1.1.1  你能在这个复杂的PCB中找到垂直布线吗?反正我不能、

 当信号的变化沿时间,或者频率较低(小于几个GHz),相邻信号层垂直布线件的耦合电容干扰小。在射频(RF)频段(几十个GHz),引线间交织产生空穴谐振,没有被地线包围导体结构会在一些特殊频率点产生电磁谐振。此时即便引线间是垂直的,也会在它们之间引起强的串扰。

  为了消除一切频率点上的干扰,简单有效的方法就是采用多层板,在信号层之间使用隔离层。在当代信号高速变化的应用中尤其重要。当你对正交线之间耦合强度拿不准时,你需要使用基本串扰仿真软件对垂直引线进行检查,看它们之间的串扰是否在噪声容忍范围之内。此时,你更需要对信号回流路径进行规划,这在垂直布线中是一个主要的问题。

▲ 图1.1.2  在先进PCB设计中,几乎不可能实现垂直布线

二、散热过孔

  这是一个经典的“遵守/避免”法则,常常引起争论。一些PCB设计者说他们从来不使用防止散热过孔,并从未遇到焊接和组装方面的问题。而另外一批人则坚持防止散热过孔需要在每一个平面相连的时候都需要使用。他们到底谁对呢?

▲ 图1.2.1  在铺底层上设计的防止散热的焊接通孔

 他们的观点分别适用于不同的场合。如果你手工焊接电路板时,你需要提高烙铁头的温度以补偿焊接过孔在铜层散热带来的焊接问题。但如果使用波峰焊接时,则需要使用防止散热过孔来防止器件松脱、冷焊、立碑等现象,所以我建议你最好咬紧牙关坚持使用防止散热过孔设计。

三、直角布线

  这个PCB布线法则也许最令人又爱又恨。如今我仍然看到很多PCB设计者坚称在任何时候布线都不能够拐直角,理由也是五花八门。比如他们说电子在引线中运动时拐直角弯困难,但他们也不想想,在电路板上的所有过孔可都是与引线垂直的呀。还有些理由显得比较靠谱,比如通过45°拐角可以减少引线长度,所有直角拐弯布线都需要倒角。还有的说直角拐弯会在电路板酸性腐蚀液中产生酸蚀陷阱,在现在广泛使用碱性电路板腐蚀液中则没有这个问题。

  除非你的电路板工作在50GHz以上的高频(涉及到毫米波雷达/5G通讯)电路,你无需担心引线拐直角。实际上,在电路板布线时你可以使用任何你所喜欢的角度来铺设引线。如果你所使用的的PCB设计软件内置有电磁场求解功能这会使得你布线更加容易。

▲ 图1.3.1  一些PCB设计者坚称所有的直角拐弯的布线都需要改成带有斜角的布线方式

四、“3W”法则

 也就是三条布线经验法则。第一个版本的"3W法则是说,在相邻两条引线之间的间隔应该大于等于引线宽度的三倍 ,为的是降低引线之间的磁通量耦合,进而减少引线间的电磁干扰。

  这个法则也许忘记了,引线之间的电磁耦合是与引线回路重叠面积成正比,而不是引线之间的距离;因此将引线回路重叠面积降低,引线间距不用受到3W法则限制。就像前面垂直布线一样,通过基本电磁干扰仿真可以检查不同布线间距带来的影响。

  “3W”法则的另外一个版本是指在引线长度匹配时所使用的锯齿布线时,锯齿宽度需要大于等于引线宽度的三倍,这可以将引线阻抗的不连续性降到最低。关于这一点可以在文章 Length Matching for High-speed Signals: Trombone, Accordion, and Sawtooth Tuning[3] 看到更详细的讨论。

▲ 图1.4.1  在锯齿布线中的3W法则

五、“20H”法则

 这个法则定义了PCB中的地线层与电源层之间重叠距离,在现代PCB设计时需要将电源铺设在地线附近,这样可以保证它们之间具有足够的层间电容,进而在高速电路板上减少电源波动。

  但实际测量结果会发现结果很复杂。有些时间结果标准名在300MHz时遵守20H法则可以降低电磁辐射。但在地线-电源层之间会出现高频谐振,它们结构类似于波导,反而会加重线路之间的高频干扰。

▲ 图1.5.1  在一些遵守20H法则电路板设计中会出现不同的射频辐射干扰

  所以在实际应用中,如果你的电路频率在GHz以内,可以遵循20H法则,否则,20H法则有可能会带来更糟糕的结果。

参考资料

[1]

The Great PCB Layout Rules of Thumb Debate Rages On: https://resources.altium.com/p/great-pcb-layout-rules-thumb-debate-rages

[2]

The Case Against Orthogonal Trace Routing in Multilayer PCBs: https://resources.altium.com/p/case-against-orthogonal-trace-routing-multilayer-pcbs

[3]

Length Matching for High-speed Signals: Trombone, Accordion, and Sawtooth Tuning: https://resources.altium.com/p/length-matching-high-speed-signals-trombone-accordion-and-sawtooth-tuning



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