PCB板设计基础和技巧
PCB板设计基础和4大黄金法则
什么是 CAD？
说到 PCB 板设计，就不得不提到 CAD 程序和设计，它是使用计算机软件绘制、设计和开发产品或概念的过程。 CAD 程序让我们可以将设计概念图像化，不仅对于 PCB 板设计，对其他许多行业都非常有用。
在进行 PCB 板设计时，有许多不同类型的 CAD 软件可供选择，包括 AD，PADS等等，尽管它们基本上做同样的事情，但每个 CAD 程序的工作方式略有不同，因此设计师会选择最适合他们的那个。
原理图设计
PCB 板设计过程从技术人员绘制电路板上的组件定位和电气连接开始，也就是原理图设计。原理图它决定了 PCB 中的组件以及它们的连接方式，设计人员可以使用现有的原理图设计，也可以创建自己的原理图设计。设计人员将运行仿真来测试原理图作为实际电路的运行情况。这也是 CAD 设计的主要优点之一；当用手绘开始 PCB 板设计时，可能会出现一些在实际制作电路之前不会注意到问题。
将原理图转换为电路布局
原理图经过测试和批准后，必须将设计转换为电路板的实际 CAD 图纸。体现 PCB 板的尺寸，组件的放置和电气网络的连接。通常，在 CAD 程序上有一个“切换到布局”（或类似的）的命令，然后设计师可以放置组件并用它们的名称和值标记它们。在设计原理图时，网格并不重要，但在编辑实际电路板时变得至关重要。选择移动工具来移动部件（在不同的 CAD 程序中操作名称有所不同），旋转它们以适合您的电路板。设计师会避免太过拥挤的组件摆放或交叉走线，因为这会导致电路短路。
当您添加多个电路板层时，PCB 板设计将变得更加复杂。设计师通常会水平布线一层，垂直布线下一层，同时考虑组件的物理特性，较高的必须放置在某些区域，具体取决于电路板的最终用途。组件必须具有成为电路板一部分所需的完整信息，这包括钻孔信息、焊盘大小等。
布线
这是设计人员对组件之间的连接进行布线的阶段。 CAD 软件将根据原理图捕获的信息对连接进行布线。通常，CAD 软件将有一个“Route”工具来协助手动布线。但是，也有一些程序具有自动布线功能。如前所述，布线时必须避免走线的交叉。如果需要交叉走线，设计人员将使其在电路板的相对侧交叉。可以使用通孔将走线从电路板的一侧转移到另一侧，这些是在实际电路上覆铜的钻孔。一旦所有布线完毕，CAD 程序通常会提供一个选项来检查 PCB 板设计中的错误，而一旦所有错误都得到纠正，PCB 板设计就完成了，接下来，可以 生成 PCB Gerber 文件交付生产。
PCB 板设计中的4大黄金法则
#1 在设计布线之前确定您的 PCB 板设计规则
在开始新的印刷电路板设计时，有时很容易忘记管理您的项目的重要设计规则。有一些简单的间隙，如果在设计早期确定，将避免在以后需要进行大量的组件移位和重新布线。
想要验证您的设计，可以与您的 PCB 制造商联系。一个好的制造商通常会在网上发布他们的制程能力，或者您也可以请向他们发送电子邮件并询问他们的制程。最好在开始布置组件之前先确认这一点。一旦确定了制造商的能力，您应该选择确保可制造性和可靠性所需的更保守的设计布局，并且您可以将这些编码到您的电路板设计规则中。
在您进行布局过程中，有效的 PCB 板设计规则将帮助您消除大多数会导致制造和组装问题的设计错误。设置设计规则后，就可以开始布局组件。PCB 布局设计过程的组件放置阶段既是一门艺术也是一门科学。组件放置的目标是创建一个易于布线的板，理想情况下，层转换尽可能少。此外，设计必须符合设计规则并满足必备的组件布局。这些点可能很难平衡，但一个简单的过程可以帮助电路板设计师放置满足这些要求的组件：
- 首先放置必备组件。 有时由于机械外壳限制或由于它们的尺寸，必须将组件放置在特定位置。最好先放置这些组件并锁定它们的位置，然后再进行其余的布局。
- 放置大型处理器和 IC。 高引脚数 IC 或处理器等组件通常需要连接到设计中的多个组件。集中定位这些组件使PCB 布局中的走线更容易。
- 尽量避免交叉。 当元件放置在 PCB 布局中时，未布线的网络通常是可见的。最好尽量减少交叉的数量。每个交叉点都需要通过通孔进行层过渡，如果您可以通过创造性的组件布局来消除布线交叉，那么为PCB 设计实施最佳布线将更加容易。
- SMD PCB 板设计规则。 建议将所有表面贴装器件 (SMD) 组件放置在电路板的同一侧。造成这种情况的主要原因是在组装过程中出现的，电路板的每一面都需要自经过SMT 焊接线，因此将所有 SMD 放在一侧将帮助您避免一些额外的组装成本。
- 组件方向设置。 可以旋转组件以尝试消除交叉点和以后的EMI干扰，尝试定向连接的焊盘，使它们彼此面对，因为这有助于简化布线。
#2 放置电源、接地和信号线
放置好组件后，是时候对电源、接地和信号走线进行布线了，以确保信号具有干净且无故障的传输路径。在布局过程的这个阶段，请牢记以下一些准则：
电源层和接地层的放置位置
通常情况下，电源和接地放置在两个内部层上。对于双面板，这可能不是那么容易，因此您可能希望在一层上放置一个大的接地层，然后在另一层上布线信号和电源走线。对于4层电路板和更高层数，您应该使用接地层而不是尝试布线接地迹线。对于需要直接连接电源的组件，如果不使用电源平面，建议为每个电源使用共轨；确保您有足够宽的走线（100mil 适用于 5A-10A），并且不要将电源线从一个部件连接到另一个部件。
一些建议指出层放置必须是对称的，但这并不是制造的严格要求。在大型电路板中，这可能需要减少翘曲的机会，但在较小的电路板中这不是问题。重点关注电源和接地的接入，以及首先确保所有走线与最近的接地层具有强返回路径耦合，然后再担心 PCB 叠层中的对称性。
布线建议
接下来，连接您的信号线以匹配原理图中的网络。 PCB 板设计布局最佳实践建议您尽可能在组件之间放置短而直接的走线，尽管这在较大的电路板中可能并不总是可行的。如果您的元件放置强制在电路板的一侧进行水平走线布线，则始终在另一侧垂直布线。这是许多重要的双层 PCB 板设计规则之一。
堆叠层数的增加，印刷电路板设计规则和布局变得更加复杂。您的布线策略将需要交替层中交替的水平和垂直走线，除非您将每个信号层与参考平面分开。在用于专业应用的非常复杂的电路板中，许多通常吹捧的布线建议不再适用，您需要遵循特定于您的应用的 PCB 电路板的设计指南。
定义走线宽度
PCB 上的走线应该有多宽？不同网络所需的走线宽度取决于三个可能的因素：
- DFM 可制造性。 走线不能太细，否则无法可靠制造。在大多数情况下，您将使用更大于制造商制程最小值的走线宽度。
- 电流。 走线中承载的电流将确定防止走线过热所需的最小宽度。当电流更高时，走线需要更宽。
阻抗。 高速数字信号或射频信号需要具有特定的走线宽度才能达到所需的阻抗值。这不适用于所有信号或网络，因此您无需在电路板设计规则中对每个网络强制实施阻抗控制。
对于不需要特定阻抗或高电流的走线， 10 mil的走线宽度适用于绝大多数低电流模拟和数字信号。承载超过 0.3 A 的印刷电路板走线可能需要更宽。
通孔元件到平面的散热
地平面可以充当大型散热器，然后将热量均匀地传输到整个电路板。因此，如果一个特定的过孔连接到接地层，省略该过孔上的散热焊盘将允许热量传导到接地层。这比将热量保持在表面附近更可取。但是，如果使用波峰焊将通孔组件组装在电路板上，这可能会产生问题，因为您需要将热量保持在表面附近。
在 PCB 布局设计中，设计师可能需要确保电路板可在波峰焊工艺中制造，或者换句话说，采用直接连接到平面的通孔组件。因为当通孔是直接连接到平面的焊点时，保持工艺温度可能很困难，因此建议使用散热装置来确保可以保持焊接温度。散热背后的想法很简单：它减缓了焊接过程中热量散发到平面的速度，这将有助于防止冷焊点。
#3 组件分组布局
实践中有一些关于如何分组和分离组件和走线的布线指南，以便确保你可以轻松布线，同时防止电气干扰。这些分组指南还有助于热管理，因为您可能需要分离高功率组件。
组合组件
在 PCB 布局设计中，一些组件最好被组合在一个区域中来放置。原因是它们可能是电路的一部分并且它们可能只相互连接，因此无需将组件放置在电路板的不同侧面或区域。
在许多布局中，有一些模拟组件和一些数字组件，您应该防止数字组件干扰模拟组件。几十年前的做法是将接地层和电源层分成不同的区域，但这在现代电路板设计中并不是一个有效的设计选择。不幸的是，这仍然在许多电路板布局线选择中体现，并导致许多产生 EMI 问题。
相反，请在组件下方使用完整的接地层，并且不要将接地层物理地分成多个部分。保持模拟组件与其他模拟组件以相同的频率工作。此外，将数字组件与其他数字组件一起放置。您可以将其想象为在 PCB 布局设计中每种类型的组件占据接地平面上方的不同区域，但接地平面在大多数电路板设计中应保持一致。
分离大功率元件
将电路板上的大量热量散失到不同区域的组件也是合适的。分离这些高功率组件背后的想法是平衡 PCB 的温度，而不是将高温组件组合在一起的布局中创建大热点。可以通过首先参考在您组件数据表中的散热等级，并根据估计的散热量计算温升。可以添加散热器和冷却风扇以降低组件温度，在设计布线策略时，您可能必须仔细平衡这些组件的位置和连接，这可能具有挑战性。
#4 完善 PCB 板设计和布局
当您争先恐后地将剩余的零件组装在一起堆放时，很容易在设计项目结束时不知所措。在此阶段对您的工作进行多次检查是更加保险的做法。始终建议您使用电气规则检查 (ERC) 和 设计规则检查 (DRC) 验证您是否已满足所有既定约束。使用这两个系统，您可以轻松定义间隙宽度、走线宽度、常见制造要求、高速电气要求以及特定应用的其他物理要求，这会自动执行 PCB 布局审查，以验证您的布局。
以上的建议列表尽管不长并且相当的基础，但可以帮助您立即设计出功能强大、可制造的 PCB电路板。如果您想要设计更加复杂的实例却又不想过多的花费时间，可以联系品升高为您执行一套高效可制造的 PCB 板设计。
