成本有效的PCB设计

oushi

（转载于欧时电子 ）设计成本有效的印刷电路板（PCB）时，面临着几个主要挑战。最初目的可能是设计出最小的电路板，然而，对于整个系统而言，这可能不是最具成本效益的电路。缩小电路板可能需要采用更加复杂的多层面电路板，随之产生的电磁问题可能需花费数千元的项目成本。
电磁干扰（EMI）性能是影响电路板设计的一个关键因素。确保末端设备符合当地EMC和干扰要求的成本较高，如果PCB在设计和制造时切除拐角，则一些节约成本的方法都是目光短浅的做法。如果组件耦合或辐射，随后可能需要高昂的维修费用，以完成系统的性能试验。
四层电路板被认为是EMI防护和电路板布局的最适均衡，通常，使用在线PCB工具（例如DesignSpark PCB），可设计出同等性能的双层电路板。这将大幅减少电路板生产成本，但必须是在不影响进一步线路测试的前提下。
信号返回路径是PCB布局面临的最困难设计问题。固定连接至控制器上信号针各个跟踪下接地回路的路径，将十分困难，但是四层电路板可以实现。无论跟踪在哪儿运行，总有一个接地回路路径紧随其下。
获得来自网格化地面的双层电路板中接地层的最近似设计是减少信号跟踪产生的辐射。处理这个问题最有效的方法，是通过选择信号跟踪下信号的返回路径，缩小环形区域。因此，创建接地网是设计PCB布局的重中之重（元件平面布局设计以后）。

创建平面网格化


网格化是双层电路板最关键的设计技术。非常类似于电力网格，是承载地面跟踪之间正交连接的网络。它有效地创建一个接地层，降噪能力等同于四层电路板。通过提供各个信号跟踪下的接地返回路径，模拟四层电路板的接地层，降低微控制器和电压变动率之间的阻抗。
所谓网格化，是指通过扩大任何地面跟踪，使用填土模式创建穿过PCB接至地面的连接网络。例如，PCB的大多数上部跟踪为垂直走向，而大多数下部跟踪为水平走向。这已经对信号下直接返回运行起作用。首先，扩展每个地面跟踪，以尽量填充空的PCB空间。然后，所有剩余空间用土填满。
目的是尽可能在双层电路板上增加网格。细微的布局变化允许用于扩大网格的另外连接。

电路板分区


电路板分区是一项可用于减小电路板噪音和EMI技术，并随之减小额外PCB层数的需求。其基本意义与电路板元件平面布局一致，指在绘制跟踪之前，确定空白PCB上组件总体位置的过程。电路板分区进步在于，包括布置过程（与相同综合区域内电板上的功能一样），其与混合安装截然相反。将高速逻辑（包括微控制器）布置在电源供应器附近，将下部组件及模拟组件安装在较远位置。
利用这种布置方式，降低了高速逻辑污染其他信号跟踪的几率。振荡器槽回路的位置远离模拟回路、低速信号和连接器至关重要。这种布置同时适用于电路板，以及电路板存放箱的内部空间。电缆组件的设计，不得在最终装配后折叠振荡器或微型计算机，因为这些组件会接收噪音，并将噪音传输至其他地方。PCB设计时，这会对安装连接器的位置带来影响。

工具


最新版的DesignSpark PCB工具包括，在线设计规则检查（DRC），可用于消除设计程序期间的问题，取代先前等待批量检查的情况。可以立即标记遇到的冲突和错误，尤其有助于优化电路板降低成本。当然，检查仅与设计文件一样，工程师对于潜在问题的更多输入至关重要；但是，这有助于加快进程，将更多时间用于关键区域。
第5版DesignSpark PCB中，在线DRC将检查交互式编辑操作引起的任何添加或移动项目。其包括，例如：手动设定路径时，附属于已移除组件的所有跟踪或增加组件的过孔。
同时，第5版增加了母线绝缘支撑，以便将常用跟踪聚集在一起，并轻松设定路径。设计师可以通过使用母线解决设计的凌乱问题，无需绘制设计中所有的接口，将其连接至指定的插针。设计师增加组件插针和母线之间的接口，用于传输信号。

图2：在第5版DesignSpark PCB中增加母线示意图
母线分为打开或封闭母线两种。封闭母线是沿母线分布的线路网络名的集合，其在连接至母线时，在仅使用这些网的母线内预先确定。然而，封闭母线可传输任何网络。
上述情形不但适用于母线布线，而且适用于电路板周围其他线路的布线。有助于使用母线原理功能，通过对接地跟踪周围大量噪音跟踪进行分类，使设计更加简单明了。同时，有助于降低电路板周围的噪音。将噪音跟踪运行在电路板边缘外部的方法并不可取，其难以在较小的双层电路板上实施。保持无噪音跟踪远离电路板（连接器、振荡回路、继电器，继电器驱动器）上可提取噪音的区域也有助于减少这个问题。

总结


设计低成本的简单电路板，可能比采用奢侈的多层面电路板更加困难。
通过解耦电容器和铁氧体磁珠抑制所有可能辐射的信号，可以解决某些EMI问题。但是，这样会增加设计的复杂性和制造成本。如果可以通过使用分区和注意串音问题的优秀设计可最小化EMI，则电源和接地线路的网格法，可以提供与双层电路板（其可能适用四层或六层设计）同等级别的屏蔽。这样一来，不但可以降低电路板生产成本，而且可以提升收益和稳定性，进一步降低设备使用期间的成本。

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