關(guān)鍵詞 四層 PCB，抗干擾，嵌入式系統
摘 要
摘 要 詳細介紹有關(guān)
電路板的 PCB
設計過(guò)程以及應注意的問(wèn)題。在
設計過(guò)程中針對普通元
器件及一些特殊元器件采用不同的布局原則； 比較手工布線(xiàn)、 自動(dòng)布線(xiàn)及交互式布線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)
及不足之處； 介紹 PCB 電路以及為了減小電路之間的干擾所采取的相關(guān)措施。 結合親身
設計經(jīng)驗，以基于 ARM、自主移動(dòng)的嵌入式系統核心板的 PCB
設計為例，簡(jiǎn)單介紹有關(guān)四層電路
板的 PCB
設計過(guò)程以及應注意的相關(guān)問(wèn)題。
印制
電路板(PCB)在電子產(chǎn)品中，起到支撐電路元件和器件的作用，同時(shí)還提供電路元
件和器件之間的電氣連接。其實(shí)，PCB 的
設計不僅是排列、固定元器件，連通器件的引腳這
樣簡(jiǎn)單，它的好壞對產(chǎn)品的抗干擾能力影響很大．甚至對今后產(chǎn)品的性能起著(zhù)決定性作用。
隨著(zhù)電子技術(shù)的飛速發(fā)展，元器件和產(chǎn)品的外形尺寸變得越來(lái)越小，工作頻率越來(lái)越高，使
得 PCB 上元器件的密度大幅提高， 這也就增加了 PCB
設計、 加工的難度。 因此， 可以這樣說(shuō)，
PCB 設汁始終是電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)
設計中重要的內容之一。
1 布局
所謂布局就是把電路圖中所有元器件都合理地安排在面積有限的 PCB 上。 從信號的角度
路板時(shí)，一定要仔細考慮，將元器件通過(guò)手工方式擺放在
電路板的合適位置，以便將數字和
模擬器件分開(kāi)，如圖 l 所示。
在安排 PCB 的布局過(guò)程巾， 關(guān)鍵的問(wèn)題是： 開(kāi)關(guān)、 按鈕、 旋鈕等操作件以及結構件(簡(jiǎn)
稱(chēng)“特殊元件”)等，必須事先安排到指定(合適)的位置上。放置好之后，可以設置元器什
的屬性，將 LOCK 項選中，這樣就可以避免以后的操作誤將其移動(dòng)；而對于其他元器件的位
置安排， 必須同時(shí)兼顧布線(xiàn)的布通率和電氣性能的優(yōu)化， 以及今后的生產(chǎn)工藝和造價(jià)等多
方面因素．所謂的“兼顧”往往是對
設計工作人員水平和經(jīng)驗的挑戰。
1.1 特殊元件的布局原則
①應當盡可能地縮短元器件之間的連線(xiàn)， 設法減小它們的分布參數和相互之間的電磁干
擾。那些易受電磁干擾的元器件不能挨得太近，輸入和輸出元件應盡量彼此遠離。
②某些元器件或導線(xiàn)之間可能有較高的電位差， 因此應加大它們之間的距離， 以避免放
電而引起意外的短路； 同時(shí)從安全的角度考慮， 帶高壓的元器件應盡量布置在調試時(shí)手不易
觸及的地方。
③對于質(zhì)量超過(guò) 15g 的兀器件， 應當使用支架加以固定后， 再進(jìn)行焊接。 那些又大又重、
發(fā)熱量大的元器件，不宜裝在印制板上，而應裝在整機的機箱底板上；且要考慮散熱問(wèn)題，
熱敏元器件應當遠離發(fā)熱元件。
④對于電位器、可凋電感線(xiàn)、可變電容器、微動(dòng)開(kāi)關(guān)等可調元件的布局，應考慮整機的
結構要求。若是機內調節，則應放在印制板上方便調節的地方；若是機外調節，則其位置要
與調節旋鈕在機箱面板上的位置相適應。
1.2 普通元器件的布局
①按照電路的流程安排各個(gè)電路單元的位置， 使布局便于信號的流通， 并且盡量使信號
能夠保持一致的方向。
②以每個(gè)功能電路的核心元件為中心，圍繞它來(lái)進(jìn)行布局。元器件應當均勻、整齊、緊
湊地排列在 PCB 上．盡量減少和縮短各器件之間的引線(xiàn)和連接。
③在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數。一般情況下，電路應盡可能使
元器件平行排列，不僅可以達到美觀(guān)的效果，而且易于裝焊和批量生產(chǎn)。
其長(cháng)寬比可為 3：2 或 4：3。當
電路板面尺寸大于 200mm×150mm 時(shí)，應考慮
電路板所承受
的
機械強度。若在實(shí)際
設計過(guò)程中，開(kāi)始時(shí)并不能確定 PCB 板所需的尺寸，則可以
設計得稍
微大一些。 待 PCB
設計工作結束后， 可在 Protel DXP 中選擇 Design→Board Shape→Redefine
Board Shape 操作，對原先的 PCB 進(jìn)行適當的裁剪。
另外，根據本人的實(shí)際工作經(jīng)驗，若要對已有的
電路板進(jìn)行某些功能的擴充或縮減，需
要重新
設計新的 PCB，則在實(shí)際布局時(shí)可以參照母板上的布局，通過(guò)手工方式將元器件安排
在恰當的位置上；在布線(xiàn)過(guò)程中，再根據實(shí)際需要進(jìn)行調整，以進(jìn)一步提高布通率。
2 布線(xiàn)
布線(xiàn)是在布局之后，通過(guò)設汁銅箔的走線(xiàn)圖，按照原理圖連通所有的走線(xiàn)。顯然，布局
的合理程度將直接影響到布線(xiàn)的成功率， 因而往往在布線(xiàn)的整個(gè)過(guò)程中， 都需要對布局進(jìn)行
適當的調整。布線(xiàn)
設計可以采用雙層走線(xiàn)和單層走線(xiàn)；對于極其復雜的
設計，也可以考慮多
層布線(xiàn)方案。
在 PCB
設計中，布線(xiàn)足完成產(chǎn)品
設計的重要步驟?？梢赃@樣說(shuō)，前面各項準備工作都是
為它而做的。PCB 布線(xiàn)有單面布線(xiàn)、雙面布線(xiàn)和多層布線(xiàn)。布線(xiàn)的方式有兩種：自動(dòng)布線(xiàn)和
交互式布線(xiàn)。
在 PCB
設計中，
設計人員往往希望能夠采用自動(dòng)布線(xiàn)的方式。在通常情況下，對于純數
字信號
電路板(尤其信號電平比較低，
電路板密度比較小時(shí))采用自動(dòng)布線(xiàn)是沒(méi)有問(wèn)題的。 但
是，在
設計模擬信號．混合信號或高速
電路板時(shí)，如果也完全采用自動(dòng)布線(xiàn)，可就要出問(wèn)題
了，甚至可能帶來(lái)嚴重的電路性能問(wèn)題。
目前，雖然已經(jīng)有一些自動(dòng)布線(xiàn)的工具功能非常強大，通?？梢赃_到 100％的布通率，
但是整體外觀(guān)效果不是很美觀(guān)， 有時(shí)連線(xiàn)排列雜亂無(wú)章， 兩個(gè)引腳之間的連線(xiàn)并不是短(
優(yōu))路徑。
對于電路相對比較復雜的
設計， 請盡量不要完全采用自動(dòng)布線(xiàn)方式。 建議在采用自動(dòng)布
線(xiàn)之前， 首先采用交互式方式預先對那些要求比較嚴格的線(xiàn)進(jìn)行布線(xiàn)。 同時(shí)輸入端和輸出端
的邊線(xiàn)應避免相鄰平行，以免產(chǎn)生反射干擾；兩相鄰層的布線(xiàn)要相互垂直，平行容易產(chǎn)生寄
生耦合，這一約束條件可以在布線(xiàn)規則中添加。
自動(dòng)布線(xiàn)的布通率，依賴(lài)于良好的布局。布線(xiàn)規則要預先設定，包括走線(xiàn)的彎曲次數、
導通孔的數目和步進(jìn)的數目等。一般先進(jìn)行探索式市線(xiàn)，快速地把短線(xiàn)先連通；然后再進(jìn)行
迷宮式布線(xiàn)，先把要布的線(xiàn)進(jìn)行全局的布線(xiàn)路徑優(yōu)化，它可以根據需要斷開(kāi)已布的線(xiàn)，并重
新布線(xiàn)，以改進(jìn)總體效果。
在手工布線(xiàn)時(shí)，為了確保正確實(shí)現電路，需要遵循一些通用的
設計規則：盡量采用地平
面作為電流回路；將模擬地平面與數字地平面分開(kāi)；如果地平面被信號線(xiàn)隔斷，那么為減少
對地電流回路的干擾，應使信號走線(xiàn)與地平面垂直；模擬電路盡量靠近電路扳邊緣放置，數
字電路盡量靠近電源連接端放置，這樣做町以減小由數字開(kāi)關(guān)引起的 di/dt 出效應。
3 PCB 電路及電路抗干擾措施
抗干擾
設計與具體電路有著(zhù)密切的關(guān)系，也是一個(gè)很復雜的技術(shù)問(wèn)題。這里結合在 PCB
設計過(guò)程中的經(jīng)驗做一些簡(jiǎn)單的介紹。
①電源線(xiàn)的
設計。根據 PCB 電流的大小，盡量加粗電源線(xiàn)的寬度(在布線(xiàn)
設計規則中，
可以單獨為電源線(xiàn)和地線(xiàn)的線(xiàn)寬做新的約束規則)，減少環(huán)路電阻，尤其要注意使電源線(xiàn)、
地線(xiàn)的供電方向與數據、信號的傳遞方向相反，有助于增強抗噪聲能力。
②地線(xiàn)的
設計。 地線(xiàn)既是特殊的電源線(xiàn)， 又是信號線(xiàn)。 除了要遵循電源線(xiàn)的
設計原則外，
還應做到：數字地與模擬地分開(kāi)；若線(xiàn)路板上既有邏輯電路又有線(xiàn)性電路，則應使它們盡量
分開(kāi)； 低頻電路的地應盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地， 實(shí)際布線(xiàn)有困難時(shí)可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地；
高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地， 地線(xiàn)應短而粗， 高頻元件周?chē)M量用柵格狀進(jìn)行大面積地敷
銅；盡量加寬電源和地線(xiàn)寬度，好是地線(xiàn)要比電源線(xiàn)寬一些，它們的寬度關(guān)系是，地線(xiàn)>
電源線(xiàn)>信號線(xiàn)。
③數字電路系統的接地構成閉環(huán)路，即構成一個(gè)地網(wǎng)，能提高抗噪聲能力。
④數字電流不應流經(jīng)模擬器件，高速電流不應流經(jīng)低速器件。
⑤在電源地線(xiàn)之間加上去耦電容，以提高電源回路的抗干擾能力。
4 具體實(shí)例
以下實(shí)例是基于 ARM、自主移動(dòng)的嵌入式系統核心板的 PCB
設計。
4.1 核心板原理圖
在核心板原理圖中，核心元件為 S3C44BOX。該元件是一款高性能的 16／32 位 RISC 微
處理器，66MHz 的主頻，內部集成了 LCD 控制器，適用于手持設備，采用 160-QFP 封裝。在
該系統中， 電源電路需要使用 5V 和 3． 3V 的直流穩壓電源， 其中 S3C44BOX 使用 2． 5V 電源，
外圍器件需 3．3V 電源，其他部分器件需 5V 電源；晶振電路用于向 CPU 以及其他電路提供
工作時(shí)鐘，S3C44BOX 使用常用的無(wú)源晶振；U6、U7 和 U9 構成此系統的存儲系統。
①本 PCB
設計使用的軟件工具為 Protel DXP。該核心板為四層
電路板，頂層和底層為
信號層，中間哺層分別為電源層和地層。頂層和底層的 PCB 圖如圖 2 和圖 3 所示。
②母板的原始 PCB 尺寸為 55mm×70mm，但在實(shí)際
設計過(guò)程中，若也將 PCB 尺寸
設計為
此值，則在布線(xiàn)過(guò)程中會(huì )遇到難以布通的實(shí)際困難，因此先將板尺寸
設計得稍微大一些，在
布線(xiàn)成功之后，選擇 Design→Board Shape→Redefine Roard Shape 對 PCB 板進(jìn)行裁剪。
③在由原理圖生成 PCB 圖時(shí)，通過(guò)手工的方式，將一些要求比較嚴格的元器件(U5、U6、
U7 和 U9)放置在適當的位置，并將其鎖定；同時(shí)要將晶振放置在 U5 的附近。在擺放其他元
器件時(shí)也要注意元器件之間的距離，如果兩個(gè)元器件距離太近，則會(huì )產(chǎn)生干擾，并呈綠色顯
示。
④在系統中，S3C44BOX 的片內工作頻率為 66MHz。因此，在印刷
電路板的
設計過(guò)程中，
應該遵循一些高頻電路的
設計基本原則，否則會(huì )使系統工作不穩定甚至不能正常工作。
⑤對于目前高密度的 PCB
設計， 已經(jīng)感覺(jué)到貫通孔不太適應了， 浪費了許多寶貴的布線(xiàn)
通道。為解決這一矛盾，出現了盲孔和埋孔技術(shù)，它不僅實(shí)現了導通孔的作用，而且還省出
許多布線(xiàn)通道，使布線(xiàn)過(guò)程完成得更加方便、流暢，更加完善。在大多數教程中，也提倡在
多層
電路板的
設計中采用盲孔和埋孔技術(shù)。 這樣做雖然可以使布線(xiàn)工作變得容易， 但是同時(shí)
也增加了 PCB
設計的成本。 因此是否選取此技術(shù)， 要根據實(shí)際的電路復雜程度及經(jīng)濟能力來(lái)
決定。筆者在
設計四層板的過(guò)程中并沒(méi)有采用此技術(shù)，如果覺(jué)得貫通孔數目太多，則可以在
布線(xiàn)前在布線(xiàn)規則中限制打孔的上限值。
⑥在布線(xiàn)前， 預先在布線(xiàn)規則中設置頂層采用水平布線(xiàn)， 而底層則采用垂直布線(xiàn)的方式。
這樣做可以使頂層和底層布線(xiàn)相互垂直， 從而避免產(chǎn)生寄生耦合； 同時(shí)在引腳間的連線(xiàn)拐彎
處盡避免使用直角或銳角，因為它們在高頻電路中會(huì )影響電氣性能。
⑦PCB
設計采用交互式布線(xiàn)方式。首先對元器件 J1、J2 與 U5 之間的引腳連線(xiàn)手工進(jìn)行
預布線(xiàn)，在微處理器的輸入／輸出信號中，有相當一部分是相同類(lèi)型的，如數據線(xiàn)、地址線(xiàn)
和信號線(xiàn)。對于這些相同類(lèi)型的信號線(xiàn)應該成組、平行分布，并注意它們之間的長(cháng)短差異不
要太大，這樣既可以減小干擾，增強系統的穩定性，又可以使布線(xiàn)變得簡(jiǎn)單，印刷
電路板的
外觀(guān)更加整齊美觀(guān)。 然后對其余元器件采用自動(dòng)布線(xiàn)(其問(wèn)可以嘗試不同的布線(xiàn)策略)， 當布
線(xiàn)成功之后，對一些不理想的布線(xiàn)可以進(jìn)行修改、優(yōu)化。
⑧布線(xiàn)
設計完成后， 須認真檢查布線(xiàn)
設計是否符合
設計者所制定的規則， 同時(shí)電需要確
認所制定的規則是否符合印制板生產(chǎn)工藝的需求；然后對焊盤(pán)補淚滴，使焊盤(pán)不容易起皮，
走線(xiàn)與焊盤(pán)不易斷開(kāi)；后對印制線(xiàn)路板上進(jìn)行大面積敷銅，這樣有利于散熱和屏蔽，減小
干擾。 由于印制線(xiàn)路板板材的基板與銅箔間的粘合劑在浸焊或長(cháng)時(shí)間受熱時(shí)， 會(huì )產(chǎn)生揮發(fā)性
氣體無(wú)法排除，熱量不易散發(fā)，以致產(chǎn)生銅箔膨脹、脫落現象，因此在大面積敷制時(shí)，應將
結語(yǔ)
本文中主要介紹丁有關(guān)
電路板的 PcB 沒(méi)汁過(guò)程以及注意事項， 并將親身
設計經(jīng)驗和大家
共同分享， 但由于本人能力有限， 尚存在許多不足之處， 望能夠得到專(zhuān)業(yè)人士的指正和賜教。
總之，PCB 板的沒(méi)計過(guò)程是一個(gè)既復雜而又簡(jiǎn)單的過(guò)程，還需廣大電子工程
設計人員自己去
體會(huì )，才能得到其中的真諦。
來(lái)源：
四層電路板的 PCB 設計
本文《四層電路板的 PCB 設計》由昆山緯亞電子有限公司發(fā)布在分類(lèi)[企業(yè)新聞]，未經(jīng)許可，嚴禁轉載發(fā)布。
