快速判斷PCB設計的質量的7種方法

2020-03-23

在與硬件企業家合作的多年中，我看到太多設計不佳的印刷電路板（PCB）案例，這些案例永遠都無法滿足商業生產的質量要求。在某些情況下，這些委員會是由企業家自己設計的，而有時則是由自由工程師設計的。尤其是在聘請假定的專家來設計PCB的情況下，能夠判斷其工作質量很重要。正如我認為許多電氣工程師會同意的那樣，大多數工程師從來沒有在學校教過PCB設計，因此，請務必避免雇用缺乏實際PCB設計經驗的工程師。

盡管確實需要PCB設計專家來進行適當的完整設計審查，但仍有一些方法可以快速判斷PCB設計的質量。原理圖可以告訴您如何將各個組件連接在一起以提供給定的功能。然而，就其本身而言，它提供了有關如何將組件實際放置和連接在一起以提供功能產品的非常有限的信息。例如，原理圖線轉換為印刷電路板（PCB）上的走線。但是，除非在原理圖中明確記錄，否則原理圖幾乎不會提供有關這些線路所攜帶信號種類的信息。

如果由與設計原理圖的工程師不同的工程師設計PCB布局，則此原理圖文檔尤為重要。這些線路中的信號可能是低電平，低噪聲的信號，必須將其從更嘈雜的PCB走線引開，以免產生噪聲。或者，它們可能是快速的數據或時鐘信號，它們會扇出到多個芯片上的許多引腳。在這種情況下，走線的長度應匹配，并保持較短，以避免延遲不匹配。

如果沒有正確設計這些走線，則某些PCB可能會起作用，而某些PCB可能不會起作用，這取決于用于填充每個PCB的組件的特性和公差。換句話說，即使PCB忠實地實現了完整工作原理圖的所有組件互連，最終產品也可能無法按預期工作。

本文介紹了7種快速判斷PCB設計的質量的方法。

這里的重點是布局和組件放置，而不是電路板構造本身的實際質量（這完全取決于電路板制造商）。

最后，本文并非旨在具有很高的技術性，并且當然不會涵蓋所有可能性，尤其是對于高度復雜的設計或具有獨特要求的設計。

本文的目的是向您展示如何快速確定您是否有不良的PCB設計，因為在PCB設計中有一些特定的領域，新設計師最有可能做錯這些事情。

1 – PCB走線

總體看一下PCB上的可見跡線。這些將被阻焊劑覆蓋，阻焊劑是聚合物的類似漆的薄層，覆蓋銅跡線以防止氧化和短路。

該層通常為綠色，但也可以使用其他顏色。請注意，白色阻焊層往往會使痕跡最難看見。在大多數情況下，只需使用標準綠色即可。

另外，實際上只有頂層和底層是可見的，并且如果木板有兩層以上，您將看不到內部層。盡管如此，僅審查外部層應該提供一些有關設計質量的線索。

首先，查看所有跡線是否都在沒有急劇彎曲的直線段中延伸。銳角對于某些高功率和高頻走線可能很麻煩。

與其嘗試確定哪些跡線可以接受90°彎曲，不如簡單地避免它們。無論如何，可以設置大多數CAD PCB布局軟件包來避免此問題。

請注意，有一些例外。一些印刷電感器是方形的同心螺旋形，一些印刷天線具有急劇的彎曲。但是，這兩個都易于識別。

2 –去耦電容器

所有芯片需要電源才能正常工作，但是當發生什么電源一段距離從芯片需要電源了嗎？在這些情況下，必須通過PCB走線（雖然通常通過內層上的PCB電源板）為芯片供電。

去耦電容器的位置非常靠近芯片的電源引腳，以濾除任何高頻噪聲，以免對芯片產生負面影響。

通常，如果一個芯片具有多個VDD引腳，則每個這樣的引腳都需要至少一個去耦電容器，有時還需要更多。

這些去耦電容器的物理位置應非?？拷鼈儜撊ヱ畹囊_。如果這沒有發生，則其效果將大大降低。

如果您的PCB設計沒有在大多數微芯片的電源引腳旁邊放置去耦電容器，那么這說明設計不正確。

如果您雇用了某人來設計PCB，但他們沒有正確處理去耦電容器，那么您應該找一名新設計師。

3 – PCB走線的長度均衡

在要求多個信號之間具有精確定時關系的設計中，PCB走線的長度必須匹配。例如，當將高速時鐘信號路由到多個芯片或在微處理器和RAM 存儲器之間運行的數據和地址總線時，這一點至關重要。

這樣可以確保所有信號以相同的延遲到達目的地，從而保留了信號沿之間的關系。這需要訪問原理圖，并知道哪一組信號線需要精確的時序關系。

然后，按照走線查看是否已實現某種走線長度均衡（稱為延遲線）。這些延遲線通?？雌饋硐駨澢木€。

請注意，信號路徑中的過孔會導致額外的延遲。如果無法避免這些問題，請檢查所有需要精確時序關系的走線組是否具有相同數量的通孔?；蛘撸梢允褂醚舆t線來補償通孔引起的延遲。

4 –天線饋線

如果您的設計包括無線電發射器，接收器或收發器（發射器和接收器組合在一起），則它必須具有天線。

為了獲得有效性能，RF芯片上射頻（RF）引腳之間的饋線應與與其相連的饋線阻抗匹配。反過來，該饋線必須匹配天線的阻抗。

為了使天線與無線電芯片之間的功率傳輸最大化，此阻抗匹配是必需的。

任何不匹配都會導致實際傳輸功率的減小，從而減小工作范圍。該饋線只是具有受控阻抗的PCB走線，該阻抗與天線阻抗（通常為50Ω）匹配。

如果變送器的輸出阻抗與饋線的阻抗不匹配，則通常采用由電感器和電容器組成的匹配網絡。

為了實現受控阻抗，饋線是PCB走線，其計算出的寬度在接地層上延伸。該走線的寬度取決于銅走線的厚度，PCB基板的厚度和介電常數。

有許多在線工具可用于計算給定銅厚度和基板材料所需的確切寬度，并且在實際的PCB中確認這種情況。我最喜歡的是可以從Broadcom下載的名為AppCad的免費軟件。

如果天線是PCB天線，則應位于PCB的一側，沒有任何接地平面。應該清除任何其他痕跡，并遠離任何大型組件。

天線周圍的絲網印刷標記通常很好，但是銅制標記（例如PCB編號或公司名稱）會使天線失諧。

5 –元件放置

除了放置去耦電容器外，在電路板上放置元件還有其他一些注意事項。

這里有一些注意事項：

如果電路包含電感器，則不應將它們放置得太近。電感產生磁場。將它們緊密地放置在一起，尤其是首尾相連可能會導致它們之間不必要的耦合。

此外，電感器不應靠近大型金屬物體放置。磁場會在這些物體中感應出電流，這會改變電感器的值。

環形或圓環形的電感器通常不易產生雜散磁場，因此其影響較小。如果無法避免將電感器靠近放置，則應將它們彼此垂直放置，以減少不必要的互耦合。

如果評估板中包含功率電阻器或任何有大量熱量產生的組件，則需要考慮熱量對附近其他組件的影響。

例如，如果電路中包含用于補償環境溫度影響的熱敏電阻，則不應將其靠近任何功率電阻放置。溫度補償電容器也是如此。

如果電路包含板載開關穩壓器，則與之相關的所有組件都應物理定位在PCB的一部分上，并盡可能遠離處理小信號的部分。這些往往會產生很大的開關噪聲，會對噪聲敏感的電路部分產生負面影響。

如果PCB直接在電源部分上直接施加了交流電源，則交流側應位于電路板的一部分上。

此外，PCB本身應具有物理屏障，以將AC與板的其余部分分隔開。通常，這是通過在PCB中有一個將兩個部分分開的插槽來實現的。

6 –跡線寬度和布線

攜帶大電流的走線應適當調整大小。下圖2顯示了針對不同額定電流的IPC（印刷電路研究所）推薦走線（有時也稱為走線）寬度：

由于噪聲拾取問題，攜帶小模擬信號的走線不應與攜帶數字或快速變化信號的走線平行。

同樣，一般來說，連接電感的走線不應超過所需寬度。它們可能像天線一樣工作，并產生有害的射頻發射。

7 –地面和地面

對于任何中等復雜的PCB，至少使用四層板，兩層內層為電源和接地層。

如果設計同時包含模擬和數字部分，則應將接地層分開，并且僅在公共點（通常電源負極）處連接。這樣可以避免來自數字部分的大接地電流尖峰對模擬部分產生不利影響。

如果僅使用兩層，則每個子電路的接地回路走線應分開，然后將它們全部連接至電源負極端子。

如下圖3所示，將任何子部分或IC的接地回路連接到公共接地回路中，使其返回電源負極，這是不好的設計。

這里的問題是PCB銅走線確實具有一定的電阻。因此，流經走線的電流將導致電壓下降。在上面的示例中，走線最右端的芯片將看到其接地參考電壓高于實際接地參考電壓。

此外，它的接地將根據圖中左側所有芯片的返回電流而反彈。

結論

無論您是學習設計自己的PCB還是計劃將其外包給電氣工程師，都需要能夠判斷PCB設計的質量。如果您沒有設計經驗并且將PCB設計外包，那么請注意本文中突出顯示的七個方面，以確定您的工程師是否值得您付錢。

實際上，如果他們不符合這七個標準中的任何一個，那么我建議您考慮尋找新設計師。另一方面，如果您要設計自己的PCB，請確保避免這些常見錯誤。

無論如何，在進行原型開發之前，由獨立工程師進行完整的設計審查總是一個好主意。

上海韜放電子提供專業的電路設計，如果您有這方面的需求請聯系我們，