高端PCB设计相关知识整理

老吴

PCB的设计布局布线实际上是一门很复杂而且大部分靠经验来做的学问，很多东西也有点玄乎，但有很多经验性的结论和公式还是可以参考的
保证原创，一天不一定写的完
CH.1 更加严重的电磁干扰
首先基本上微电子发展趋势永远是集成化程度越来越高，不可避免带来元器件密度很大，而前十几年出现的SMT（Surface Mounted Technology）和COB（Chip on Board）技术和SMC/SMD/裸片的出现，给了继续提高集成度的可能。

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一个典型的贴片机

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SMD热敏电阻，体积是普通电阻的十几分之一
但随之而来的，就是比普通集成电路更为严重的元器件之间相互的电磁干扰
当然实际中不仅如此，红外炉再流焊是一种常用的SMT焊接技术，但元器件的布局又会影响焊接质量，加之射频电路的EMC又要求每个模块都尽量不产生电磁辐射，并且具有相当的抗EMI能力。
而且根据经验，射频电路的性能还会与CPU处理板相互影响，因此在PCB设计的时候，会更加棘手。
但一般来说，设计的时候都有以下要求
·所有的元器件尽可能同一方向排列，避免互相干扰，同时要注意PCB进入熔锡系统的方向，，以免出现虚焊漏焊
·元器件至少要保留一定的空间，典型值为0.5mm
·通常来说，双面板中SMD/SMC元件和分立元件要分两面放置
当然这仅仅是很基础的一些方面，通常来说，强电信号和弱电信号必须分开，模拟和数字信号也要分开。
还有一个基本常识是要求完成同一功能的电路尽可能安排在一起，至少不能离的很远，以减小信号环路面积，防止劣化。
对于有些对电磁干扰敏感的元件（比如传感器）要按照敏感程度来区分，尽量避免板上干扰源
PCB来自motorola公司的MOTO X

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来自海力士的内存，注意SMD电容/电阻的布局和方向。

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来自高通公司的 WCN3680 802.11ac Combo Wi-Fi/Bluetooth/FM芯片，会产生较大电磁泄露，因此设计人员给予单独的屏蔽罩，并且单独放置在PCB的一边，进一步减小对于其他电磁敏感元件的影响。

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带有德州仪器标志的是C55x系列DSP芯片
棕红色是Codec，音频编解码器
红色NXP TFA9890 D类音频放大器
之后用一个屏蔽罩做EMI屏蔽。
这几个部件功能都是接近，都是负责音频处理，所谓的信号环路最小原则，与射频部分和CPU模块的距离也明显更远。
摩托罗拉和诺基亚是少数几个能设计出教科书式的PCB设计厂家
更为广泛来说，屏蔽罩是一个麦克斯韦笼，这是最为简单也是最为有效的一种方法，缺点是会增加成本，不仅仅是物料，代工厂的收费是以加工时间为度量，加工时间长则收费高，因此也有部分厂家不愿采用。
如果在部分情况下，不可能使用屏蔽罩，也有一些方法来解决，最为常见的是增加滤波/抗干扰电路，并且加强对于电源的去耦，优化地线电源线的布局等，但这种方法一般来说，会增加电路的复杂程度，并带来通常意料不到的问题。
通常来说，PCB的设计第一步是根据实际情况选择PCB的形状，下一步就是层（layer）的设置，层设置不合理的结果是毁灭性的，通常PCB的层又分为电源层、底线层和信号层，而层的选择中，层的相对位置、地平面/电源的分割、PCB的布线、接口电路的处理又有这非常大影响。
层的选择第一步是层数，层数的选择不宜太多也不宜太少，太多则信号线过于密集，成本太高；太少则不能达到设计要求，对于电磁兼容的要求，通常也是比较好的方式是通过适当的增加地平面来解决。
对于电源层一般需要解决多种电源/电源的供电问题，需要内电层分割。
信号层则比较复杂，（走线问题单独介绍）首先就是走线密度，太密则相互串扰，太疏则信号线不够，并且重要信号譬如时钟和复位信号需要单独屏蔽和隔离。
在考虑过层数量问题孩子后，就是层排列，也有部分基础原则：
·电源平面与相应地平面相邻：由于电源和地本身存在自阻抗，可以形成耦合电容，这个时候在PCB板上设置退耦电容，可以达到去耦的效果，降低电源阻抗，相当于滤波。
·相邻层的信号不要跨分割区，就是信号环路最小原则。
·关键信号（高频高速或者时钟）要于地平面相邻，可减少电磁泄露，也相当于地给信号做屏蔽。
比较常见的6层PCB布局方案：

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CH.2 越来越难的散热设计
对于常规的PCB来说，一般来说散热遵循常规是热点分散原则，即「发热最大的器件放置在最佳散热位置」，并且减小元件与板之间的热阻。但这种方法近年来却逐渐表现疲软，尤其是在手机上，归根结底，虽然工艺更好，算法更好，平台功耗只升不降，所以也逐渐有其他方法来解决。
一般来说，在设计散热的时候的大致思路是估计发热器件的功耗，估算其需要的面积，在这个面积中不能放置其他发热元件，随后才是设计散热。
在手机中，发热器件除了CPU、RAM之外，大部分都是功放、收发器、基带处理器、电源管理芯片、电压芯片以及DC-DC电感，其中功放、CPU、基带处理器都是发热大户。
在这里首先要知道的一个经验值是自然对流冷去的热流密度为0.8mW/mm，即对于芯片来说，每平方毫米单纯靠空气对流可以对应0.8mW所带来的热量。
以这个值做参考，计算大概需要的面积（芯片功耗可在datasheet中查找，厂家是一定会给的）。
随后就是放置元件，一般来说，发热旗舰不应该放置在PCB的边缘和角落放置，更不该在其背面放置发热器件。
Samsung Galaxy SII i9100

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不太成功的设计，发热器件过于集中

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LG E960 Nexus 4
应该是最早的「中框散热+三层」式设计，如今这个设计被比较广泛的采用，尤其是发热较大的设备。
这个设计在vivo xplay、MX3、米3都能看出一点影子来
CH.3 还是要靠人的走线

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PCB的走线如果说全让人来做，几乎是不可能的事情。
所幸现在EDA和CAD的功能越发强大，但一般来说，计算机设计出来走线，通常只是「能用」而已，与「优秀」还有一定的距离。
通常而言，走线的最基本要求是「不相容信号尽可能相互远离」的原则，即数字模拟、高速低速、强电弱电、高压低压之间尽可能远离，同时「避免长距离平行走线」
，以防耦合。
对于信号线，一般不允许出现分支，这样通常会破坏导线特性阻抗的一致性，并且在分叉点产生谐波和发射（类似于河流中的漩涡），使得信号辐射出去，带来更多问题。
另一个更加基本的原则是「135°」原则，即信号线在走线的时候拐角不能采用90°直角转弯，这样会产生寄生电容，对于高速高频电路和数字电路影响尤为严重，会减缓上升时间、造成信号的反射、产生EMI，所以基本看任何一个PCB，走线都大概如此：

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（图中另一种常见走线方式是蛇形走线，这种走线作用是用来调节延时，满足系统时序设计要求，在数字电路中非常常见，但没有滤波或抗干扰的能力，只可能降低信号质量，因此近年多采用螺旋形走线）

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螺旋形的走线是上图右侧

randy1022

沙发是我的。

hueylee

涨姿势了！螺旋形走线的板子没见过。

xzcxnihd

好东西，不错不错

偶然的爱88

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岑超

layout这工作不是那么好混的

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学习学习  谢谢分享好资料