關(guān)于PCB設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)法則的討論并不是說(shuō)它們是正確還是錯(cuò)誤，問(wèn)題是這些討論往往缺乏應(yīng)用場(chǎng)合的針對(duì)性。本文希望將這些規(guī)則背后所適應(yīng)的場(chǎng)景講清楚，希望將不同的規(guī)則在什么時(shí)候適用，什么時(shí)候需要避免闡釋準(zhǔn)確。
PCB布線(xiàn)設(shè)計(jì)中的常用經(jīng)驗(yàn)法則
一、垂直布線(xiàn)
垂直布線(xiàn)的規(guī)則是說(shuō)在相鄰信號(hào)層的引線(xiàn)需要相互垂直，以減少相互之間互感引起的串?dāng)_。在高頻信號(hào)中，通過(guò)電容耦合產(chǎn)生的串?dāng)_占主要成分，在垂直引線(xiàn)之間產(chǎn)生電流尖峰。
▲ 圖1.1.1 你能在這個(gè)復(fù)雜的PCB中找到垂直布線(xiàn)嗎？反正我不能
當(dāng)信號(hào)的變化沿時(shí)間，或者頻率較低（小于幾個(gè)GHz），相鄰信號(hào)層垂直布線(xiàn)件的耦合電容干擾小。在射頻（RF）頻段（幾十個(gè)GHz），引線(xiàn)間交織產(chǎn)生空穴諧振，沒(méi)有被地線(xiàn)包圍導(dǎo)體結(jié)構(gòu)會(huì)在一些特殊頻率點(diǎn)產(chǎn)生電磁諧振。此時(shí)即便引線(xiàn)間是垂直的，也會(huì)在它們之間引起強(qiáng)的串?dāng)_。
為了消除一切頻率點(diǎn)上的干擾，簡(jiǎn)單有效的方法就是采用多層板，在信號(hào)層之間使用隔離層。在當(dāng)代信號(hào)高速變化的應(yīng)用中尤其重要。當(dāng)你對(duì)正交線(xiàn)之間耦合強(qiáng)度拿不準(zhǔn)時(shí)，你需要使用基本串?dāng)_仿真軟件對(duì)垂直引線(xiàn)進(jìn)行檢查，看它們之間的串?dāng)_是否在噪聲容忍范圍之內(nèi)。此時(shí)，你更需要對(duì)信號(hào)回流路徑進(jìn)行規(guī)劃，這在垂直布線(xiàn)中是一個(gè)主要的問(wèn)題。
▲ 圖1.1.2 在先進(jìn)PCB設(shè)計(jì)中，幾乎不可能實(shí)現(xiàn)垂直布線(xiàn)
二、散熱過(guò)孔
這是一個(gè)經(jīng)典的“遵守/避免”法則，常常引起爭(zhēng)論。一些PCB設(shè)計(jì)者說(shuō)他們從來(lái)不使用防止散熱過(guò)孔，并從未遇到焊接和組裝方面的問(wèn)題。而另外一批人則堅(jiān)持防止散熱過(guò)孔需要在每一個(gè)平面相連的時(shí)候都需要使用。他們到底誰(shuí)對(duì)呢？
▲ 圖1.2.1 在鋪底層上設(shè)計(jì)的防止散熱的焊接通孔
他們的觀(guān)點(diǎn)分別適用于不同的場(chǎng)合。如果你手工焊接電路板時(shí)，你需要提高烙鐵頭的溫度以補(bǔ)償焊接過(guò)孔在銅層散熱帶來(lái)的焊接問(wèn)題。但如果使用波峰焊接時(shí)，則需要使用防止散熱過(guò)孔來(lái)防止器件松脫、冷焊、立碑等現(xiàn)象，所以我建議你最好咬緊牙關(guān)堅(jiān)持使用防止散熱過(guò)孔設(shè)計(jì)。
三、直角布線(xiàn)
這個(gè)PCB布線(xiàn)法則也許最令人又愛(ài)又恨。如今我仍然看到很多PCB設(shè)計(jì)者堅(jiān)稱(chēng)在任何時(shí)候布線(xiàn)都不能夠拐直角，理由也是五花八門(mén)。比如他們說(shuō)電子在引線(xiàn)中運(yùn)動(dòng)時(shí)拐直角彎困難，但他們也不想想，在電路板上的所有過(guò)孔可都是與引線(xiàn)垂直的呀。還有些理由顯得比較靠譜，比如通過(guò)45°拐角可以減少引線(xiàn)長(zhǎng)度，所有直角拐彎布線(xiàn)都需要倒角。還有的說(shuō)直角拐彎會(huì)在電路板酸性腐蝕液中產(chǎn)生酸蝕陷阱，在現(xiàn)在廣泛使用堿性電路板腐蝕液中則沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題。
除非你的電路板工作在50GHz以上的高頻（涉及到毫米波雷達(dá)/5G通訊）電路，你無(wú)需擔(dān)心引線(xiàn)拐直角。實(shí)際上，在電路板布線(xiàn)時(shí)你可以使用任何你所喜歡的角度來(lái)鋪設(shè)引線(xiàn)。如果你所使用的的PCB設(shè)計(jì)軟件內(nèi)置有電磁場(chǎng)求解功能這會(huì)使得你布線(xiàn)更加容易。
▲ 圖1.3.1 一些PCB設(shè)計(jì)者堅(jiān)稱(chēng)所有的直角拐彎的布線(xiàn)都需要改成帶有斜角的布線(xiàn)方式
四、“3W”法則
也就是三條布線(xiàn)經(jīng)驗(yàn)法則。第一個(gè)版本的"3W法則是說(shuō)，在相鄰兩條引線(xiàn)之間的間隔應(yīng)該大于等于引線(xiàn)寬度的三倍 ，為的是降低引線(xiàn)之間的磁通量耦合，進(jìn)而減少引線(xiàn)間的電磁干擾。
這個(gè)法則也許忘記了，引線(xiàn)之間的電磁耦合是與引線(xiàn)回路重疊面積成正比，而不是引線(xiàn)之間的距離；因此將引線(xiàn)回路重疊面積降低，引線(xiàn)間距不用受到3W法則限制。就像前面垂直布線(xiàn)一樣，通過(guò)基本電磁干擾仿真可以檢查不同布線(xiàn)間距帶來(lái)的影響。
“3W”法則的另外一個(gè)版本是指在引線(xiàn)長(zhǎng)度匹配時(shí)所使用的鋸齒布線(xiàn)時(shí)，鋸齒寬度需要大于等于引線(xiàn)寬度的三倍，這可以將引線(xiàn)阻抗的不連續(xù)性降到最低。
▲ 圖1.4.1 在鋸齒布線(xiàn)中的3W法則
五、“20H”法則
這個(gè)法則定義了PCB中的地線(xiàn)層與電源層之間重疊距離，在現(xiàn)代PCB設(shè)計(jì)時(shí)需要將電源鋪設(shè)在地線(xiàn)附近，這樣可以保證它們之間具有足夠的層間電容，進(jìn)而在高速電路板上減少電源波動(dòng)。
但實(shí)際測(cè)量結(jié)果會(huì)發(fā)現(xiàn)結(jié)果很復(fù)雜。有些時(shí)間結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)名在300MHz時(shí)遵守20H法則可以降低電磁輻射。但在地線(xiàn)-電源層之間會(huì)出現(xiàn)高頻諧振，它們結(jié)構(gòu)類(lèi)似于波導(dǎo)，反而會(huì)加重線(xiàn)路之間的高頻干擾。
▲ 圖1.5.1 在一些遵守20H法則電路板設(shè)計(jì)中會(huì)出現(xiàn)不同的射頻輻射干擾
所以在實(shí)際應(yīng)用中，如果你的電路頻率在GHz以?xún)?nèi)，可以遵循20H法則，否則，20H法則有可能會(huì)帶來(lái)更糟糕的結(jié)果。
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