摘要

第3部分已討論了原理圖審查、元件布局及接地架構(gòu)，本文將轉(zhuǎn)向后續(xù)的布線決策。電源系統(tǒng)布線應(yīng)在布局初期（信號(hào)布線開始之前）予以重視，因?yàn)殡娫聪到y(tǒng)是PCB面積的主要消耗者之一，且直接影響層數(shù)和疊層結(jié)構(gòu)的選擇。本系列文章第4部分提出了一套系統(tǒng)化流程，用于確定從2層到8層設(shè)計(jì)的正確層數(shù)及最佳疊層配置，確保每個(gè)信號(hào)均擁有專用的、場(chǎng)約束的傳輸路徑。在布局伊始即遵循此流程，可避免設(shè)計(jì)中途返工帶來的高昂成本。

引言

本系列第3部分闡述了如何解讀并整理布局原理圖、如何進(jìn)行元件布局、如何在接地平面與接地樹之間做出選擇。完成這些基礎(chǔ)決策后，便需著手處理布線本身，而首要布線任務(wù)并非信號(hào)，而是電源系統(tǒng)。本文將討論以下內(nèi)容：

?如何對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行布線，以支持低頻和高頻電流傳輸且不產(chǎn)生干擾。

?需要多少層（通常與網(wǎng)絡(luò)數(shù)量相關(guān)）才能布設(shè)所有傳輸線，確保每條傳輸線均擁有專用傳輸空間，從而避免干擾和電磁干擾(EMI)。

?如何選擇正確的疊層配置，以確保每個(gè)信號(hào)層的場(chǎng)均得到有效約束。

本文概述的流程直接基于第3部分的布局和接地決策。按順序執(zhí)行步驟，即先處理電源系統(tǒng)和關(guān)鍵信號(hào)，再確定層數(shù)，最后確定疊層結(jié)構(gòu)，有助于盡早確立正確配置，避免布局中途返工帶來的高昂成本。

系統(tǒng)布線

一些設(shè)計(jì)人員會(huì)將電源和接地留至PCB布局流程的最后階段處理。建議在元件布局完成后立即處理此項(xiàng)工作，理由如下。設(shè)計(jì)過程中必須考慮PCB的層數(shù)和疊層結(jié)構(gòu)。兩者均取決于設(shè)計(jì)復(fù)雜度和可用PCB尺寸。在布線開始后做出此項(xiàng)決定亦無不可。例如，除走線總數(shù)外，大電流走線（需加寬走線）、高壓網(wǎng)絡(luò)（需增加網(wǎng)絡(luò)間距）及安全間距均會(huì)改變PCB面積需求。此類走線比低壓/小電流模擬及數(shù)字信號(hào)占用更多PCB空間。電源/接地系統(tǒng)同樣占用大量PCB空間，因此接下來將重點(diǎn)討論此項(xiàng)內(nèi)容。越早確定正確的層數(shù)和疊層結(jié)構(gòu)，效果越好。

一旦完成元件布局及接地/電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即可開始信號(hào)布局。這項(xiàng)任務(wù)應(yīng)優(yōu)先處理關(guān)鍵走線。在進(jìn)行其他工作之前，務(wù)必確保布局中重要（此時(shí)未必困難）的網(wǎng)絡(luò)已正確布設(shè)。關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)包括所有敏感模擬信號(hào)及高速電路。對(duì)于每條走線，始終需考慮地平面中的高低速回流路徑、去耦及電源獲取。對(duì)于接地，高速路徑相對(duì)簡單，因?yàn)楦鶕?jù)法拉第定律，它將直接位于信號(hào)走線下方。應(yīng)保持此區(qū)域?qū)Ｓ糜谠撔盘?hào)。低頻回流將沿最小阻抗路徑流動(dòng)（如第3部分所述），利用所有可用銅箔。

系統(tǒng)布局

大多數(shù)信號(hào)走線采用50Ω阻抗，原因充分。走線的無損阻抗為(L/C，其中L為單位長度電感，C為單位長度對(duì)地平面電容。50Ω走線較窄（有利于節(jié)省空間），且與地平面之間的環(huán)路面積較小。就帶寬而言，50Ω亦是理想阻抗值。阻抗低于50Ω時(shí)，電感將成為主要誤差源；阻抗遠(yuǎn)高于50Ω時(shí)，則易受容性短路影響，且在標(biāo)準(zhǔn)PCB尺寸下難以實(shí)現(xiàn)。上述論點(diǎn)與電力傳輸無關(guān)。如坡印廷矢量S = E×H所述，能量流動(dòng)與傳輸線阻抗無關(guān)。例如，傳輸10V、10A的100W功率時(shí)：高阻抗線路需更大的場(chǎng)域面積或空間，以補(bǔ)償10V、10A輸入功率下較低的場(chǎng)強(qiáng)。低阻抗線路（介質(zhì)空間較小）則以更強(qiáng)的場(chǎng)強(qiáng)（E和H）補(bǔ)償較小的體積。不同線路阻抗間顯著變化的關(guān)鍵在于線路改變能量傳輸速率的能力；設(shè)計(jì)PCB電源系統(tǒng)時(shí)需仔細(xì)考量這一點(diǎn)。

低阻抗線路電感較低，可快速傳輸功率，因?yàn)榫€路上電流隨時(shí)間的變化率等于電壓除以電感(V = Ldi/dt)。較低的電感使電流能在更短時(shí)間內(nèi)升至更高值（在理想電壓供電總線中，線路電壓不變，因此S = E×H中的E場(chǎng)始終保持恒定）。除支持負(fù)載快速變化外，低阻抗電力傳輸也是解決干擾問題的唯一方案，其原因耐人尋味。電源系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是所有電路的公共連接。例如，考慮兩個(gè)共用電源和地的數(shù)字電路。此時(shí)，每個(gè)線路驅(qū)動(dòng)器可將信號(hào)線連接至電源或地。當(dāng)信號(hào)線連接至公共電源時(shí)，需注意可能還有許多其他數(shù)字走線也連接至同一電源。這實(shí)質(zhì)上將所有走線短接至同一網(wǎng)絡(luò)。為確保正常工作，電源線阻抗必須極低，以防止兩個(gè)（或多個(gè)）信號(hào)相互干擾。

用于電源和地的銅箔在引導(dǎo)能量及提供場(chǎng)約束方面發(fā)揮同等重要作用。然而，模擬設(shè)計(jì)與數(shù)字設(shè)計(jì)的實(shí)施要求可能有所不同。在數(shù)字設(shè)計(jì)中，傳輸線硬連接至電源時(shí)，需采用低阻抗、寬帶寬電源以防止EMI和信號(hào)干擾。對(duì)于模擬設(shè)計(jì)，實(shí)際電源網(wǎng)絡(luò)不必為平面，但采用低阻抗、高頻電源始終是明智之選。模擬系統(tǒng)仍需在系統(tǒng)模擬帶寬內(nèi)進(jìn)行去耦（保持低阻抗），通?？赏ㄟ^去耦電容實(shí)現(xiàn)。

若預(yù)算允許在疊層中增加額外層，建議采用帶狀線（而非微帶線）設(shè)計(jì)。數(shù)字邏輯需使用電源和地平面，而模擬電源可通過通常按x/y網(wǎng)格布置的走線進(jìn)行布線，每層布線方向應(yīng)保持一致。務(wù)必關(guān)注走線載流能力，并將此電源走線視為與其他傳輸線相同（鄰近地平面）。對(duì)于電源和地的各分支，較大電流應(yīng)優(yōu)先進(jìn)入電源走線，其次為變化電流，最后為較小電流。

在大致了解所需PCB面積、電源系統(tǒng)構(gòu)建方式及一般布線順序后，繼續(xù)布設(shè)PCB其余部分。注意，前文未提及關(guān)于敏感走線的任何規(guī)則。敏感走線應(yīng)僅考慮傳輸線和模擬功能的需求。對(duì)于PCB其余部分，與電源系統(tǒng)布局相同，必須遵循相同規(guī)則以完成布局（在疊層中選擇一致的布線方向/層）。注意，此類規(guī)則具有靈活性（有時(shí)可打破），但絕不應(yīng)損害場(chǎng)約束或EMI/電磁兼容性(EMC)最佳實(shí)踐。疊層中每一層最好遵循與電源布線相同的一般布線方向。

在此之前，需放置所有元件，估算可能需要的層數(shù)，并定義疊層結(jié)構(gòu)。

確定層數(shù)和疊層結(jié)構(gòu)

元件布局和布線應(yīng)按功能模塊逐一進(jìn)行，因?yàn)樵韴D上的大多數(shù)連接將在設(shè)計(jì)中的某個(gè)模塊或電路組內(nèi)完成。對(duì)層數(shù)要求最嚴(yán)格的模塊或電路組將決定整塊PCB的層數(shù)。實(shí)際疊層結(jié)構(gòu)（哪些層為地/信號(hào)）在PCB不同模塊間無需保持一致。

1.按模塊劃分原理圖/PCB電路。

根據(jù)電路限制層數(shù)的可能性排列電路。按功能考慮傳輸線類型（電源或信號(hào)），及其對(duì)干擾的敏感程度或自身發(fā)出電磁輻射的可能性。

2.按層數(shù)需求（估算）對(duì)電路組排序。

3.確定第一組的疊層結(jié)構(gòu)。這將決定PCB的層數(shù)。

4.依次確定其余電路組的疊層結(jié)構(gòu)。

5.按相同順序放置各電路組元件。

按模塊將元件逐一放置在PCB上，從前一列表中的第一個(gè)模塊開始。此步驟有助于確定所需總面積。完成后，開始處理模塊1（最有可能決定層數(shù)的模塊）。開始布局時(shí)需確定疊層結(jié)構(gòu)，因此先從4層板入手。4層板是以最低成本和最少工作量獲得良好效果的最小層數(shù)。

按照上述流程，首先布設(shè)電源系統(tǒng)，然后布設(shè)關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)，采用圖1所示4層板的第一種選項(xiàng)。

圖1：PCB疊層選項(xiàng)，其中S = 信號(hào)，P = 電源，G = 地

1.外面兩層用于信號(hào)，里面兩層用于地。

此方法可減少過孔數(shù)量，對(duì)開關(guān)電源布局具有顯著優(yōu)勢(shì)，因而是首選方法。

2.外面兩層用于地，里面兩層用于信號(hào)。

這種做法有助于最大限度減少電磁輻射和干擾的產(chǎn)生。但由于元件位于PCB表面，每個(gè)引腳均需一個(gè)過孔。接下來，選擇每層其余走線的布線方向并繼續(xù)布線。始終按重要性順序布設(shè)網(wǎng)絡(luò)。這雖有難度，但透徹理解電路細(xì)節(jié)對(duì)于PCB布局至關(guān)重要。完成第一個(gè)模塊后，以相同方式處理第二個(gè)模塊。前幾個(gè)模塊的布局很可能揭示是否需要更多層。除非存在嚴(yán)重成本限制，否則不建議采用2層板。

當(dāng)層數(shù)超過六層時(shí)，可用疊層選項(xiàng)數(shù)量顯著增加。圖1概述了本文討論的一些可能性。

在所有疊層結(jié)構(gòu)中，頂層和底層均同時(shí)用于信號(hào)和地。由于元件布局原因，頂層和底層的信號(hào)走線不可避免。對(duì)于2層疊層，地線必須與信號(hào)線相鄰或直接位于對(duì)面層下方布設(shè)。布線完成后，應(yīng)通過銅填充最大化電源對(duì)地電容。對(duì)于4層疊層，信號(hào)和電源共用第2層和第4層，而信號(hào)和地共用第1層和第4層。對(duì)于6層和8層疊層，層數(shù)已足夠容納更多信號(hào)層及合適的疊層設(shè)計(jì)。

2層板

可選方案較少。一種方案是頂層布設(shè)電源，底層布設(shè)地（一般而言）。僅有兩層時(shí)，每個(gè)連接的接地需直接布設(shè)在信號(hào)走線下方或旁邊。完成此操作后，可用銅（電源）填充頂層剩余區(qū)域，用銅（地）填充底層剩余區(qū)域。切記，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)場(chǎng)約束。只要每個(gè)信號(hào)均有相鄰接地，即可實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)（盡管場(chǎng)約束效果不如帶狀線傳輸線）。優(yōu)點(diǎn)是所有頻率的信號(hào)均將沿設(shè)定的回流路徑流動(dòng)。對(duì)于這種2層方案，低阻抗電源僅來自去耦電容，且僅在較低頻率下有效，因?yàn)榭捎闷矫骐娙葺^少。對(duì)于具有多個(gè)電源軌的PCB，2層方案更為困難，尤其當(dāng)這些電源共用同一PCB區(qū)域時(shí)。

4層板

可接受的疊層結(jié)構(gòu)如圖1所示。在這兩種布局中，均可實(shí)現(xiàn)場(chǎng)約束，因?yàn)槊總€(gè)信號(hào)層（為每層選擇布線方向）均有專用地平面，無任何阻礙。6層和8層板有更多選擇。

迄今為止，上述疊層結(jié)構(gòu)均假設(shè)采用完整地/電源平面，這對(duì)于純數(shù)字設(shè)計(jì)而言是合理假設(shè)，因?yàn)榛亓麟娏骶赏ㄟ^法拉第定律確定。若設(shè)計(jì)包含模擬電路，尤其涉及超敏感測(cè)量（微伏或皮安級(jí)）或高精度要求時(shí)，則需考慮更多因素。高速模擬或射頻設(shè)計(jì)涉及不同考量，將在本系列第5部分中討論。

結(jié)語

電源系統(tǒng)布線和疊層選擇不宜推遲至布局最后階段。在元件布局完成后立即處理電源系統(tǒng)，并按模塊系統(tǒng)性地確定層數(shù)和疊層結(jié)構(gòu)（從要求最高的電路組開始），可為整個(gè)設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。4層板幾乎總是合適的起點(diǎn)，本文概述的疊層選項(xiàng)適用于大多數(shù)設(shè)計(jì)。對(duì)于含精密模擬電路、多接地系統(tǒng)或面臨顯著散熱挑戰(zhàn)的設(shè)計(jì)，本系列第5部分將討論額外的布局注意事項(xiàng)，以確保設(shè)計(jì)順利完成。

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Howard W. Johnson和Martin Graham，High-Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic，PTR Prentice Hall，1993年4月。

Ralph Morrison。Fast Circuit Boards: Energy Management，John Wiley & Sons Publications，2018年1月。

作者：James Niemann，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師

作者簡介

James Niemann于2020年3月加入ADI公司，目前擔(dān)任現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，在美國俄亥俄州克里夫蘭工作。James擁有超過35年的豐富工作經(jīng)驗(yàn)，曾從事測(cè)試與測(cè)量設(shè)備設(shè)計(jì)工作，目前擔(dān)任ADI現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。他持有15項(xiàng)專利。