PCB设计

布线在设计中占有举足轻重的地位，设计成功的关键就是要保证系统有充足的时序裕量。要保证系统的时序，线长匹配又是一个重要的环节。我们来回顾一下，布线，线长匹配的基本原则是：地址，控制/命令信号与时钟做等长。数据信号与DQS做等长。为啥要做等长?大家会说是要让同组信号同时到达接收端，好让接收芯片能够同时处理这些信号。那么，时钟信号和地址同时到达接收端，波形的对应关系是什么样的呢?我们通过仿真来看一下具体波形。

建立如下通道，分别模拟3的地址信号与时钟信号。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2018-02/wen_zhang_/100010253-35403-d1.p…; alt=“图1 地址/时钟仿真示意图” width="600"></center><center><i>图1 地址/时钟仿真示意图</i></center>

<strong>编者注：</strong>

PCB设计是每个工程师必备的设计技能之一，是电子产品设计的重要环节，一个产品的原理设计再完美，如果没有好的PCB设计，其功能和可靠性会大打折扣，甚至不能正常工作。唐晓泉博士是某上市公司CAO ，多年来，他养成了独立画PCB板的习惯，以确保产品可靠性设计，在近30年的设计中，他总结了一些经验，从“术”的角度而不是“道”的角度看待PCB设计，这是真正的“授人以渔”，希望大家可以用心体会唐博士的十条总结，我们以第一人称方式分享内容

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球栅阵列(BGA)封装是目前FPGA和微处理器等各种高度先进和复杂的半导体器件采用的标准封装类型。用于嵌入式设计的BGA封装技术在跟随芯片制造商的技术发展而不断进步，这类封装一般分成标准和微型BGA两种。这两种类型封装都要应对数量越来越多的I/O挑战，这意味着信号迂回布线(Escaperouting)越来越困难，即使对于经验丰富的PCB和嵌入式设计师来说也极具挑战性。

嵌入式设计师的首要任务是开发合适的扇出策略，以方便电路板的制造。在选择正确的扇出/布线策略时需要重点考虑的因素有：球间距，触点直径，I/O引脚数量，过孔类型，焊盘尺寸，走线宽度和间距，以及从BGA迂回出来所需的层数。

和嵌入式设计师总是要求使用最少的电路板层数。为了降低成本，层数需要优化。但有时设计师必须依赖某个层数，比如为了抑制噪声，实际布线层必须夹在两个地平面层之间。

对于新手来说，在单片机的电路设计中可能不会很注意电路设计中电磁干扰对设计本身的输入输出的影响，但是对于一个电子工程师来说其中的厉害关系就不言而喻了，它不仅关系了单片机在控制在中的能力和准确度，还关系到企业在行业中的竞争。

对电磁干扰的设计我们主要从硬件和软件方面进行设计处理，下面就是从单片机的PCB设计到软件处理方面来介绍对电磁兼容性的处理。

<strong>一、影响EMC的因数</strong>

<strong>1.电压</strong>

电源电压越高，意味着电压振幅越大，发射就更多，而低电源电压影响敏感度。

<strong>2.频率</strong>

高频产生更多的发射，周期性信号产生更多的发射。在高频单片机系统中，当器件开关时产生电流尖峰信号;在模拟系统中，当负载电流变化时产生电流尖峰信号。

<strong>3.接地</strong>

<strong>1. 引言</strong>
　　
射频（RF）PCB设计，在目前公开出版的理论上具有很多不确定性，常被形容为一种“黑色艺术”。通常情况下，对于微波以下频段的电路（包括低频和低频数字电路），在全面掌握各类设计原则前提下的仔细规划是一次性成功设计的保证。对于微波以上频段和高频的PC类数字电路。则需要2~3个版本的PCB方能保证电路品质。而对于微波以上频段的RF电路．则往往需要更多版本的：PCB设计并不断完善，而且是在具备相当经验的前提下。由此可知RF电路设计上的困难。
　　
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我们常把晶振比喻为数字电路的心脏，这是因为，数字电路的所有工作都离不开时钟信号，晶振直接控制着整个系统，若晶振不运作那么整个系统也就瘫痪了，所以晶振是决定了数字电路开始工作的先决条件。

我们常说的晶振，是石英晶体振荡器和石英晶体谐振器两种，他们都是利用石英晶体的压电效应制作而成。在石英晶体的两个电极上施加电场会使晶体产生机械变形，反之，如果在晶体两侧施加机械压力就会在晶体上产生电场。并且，这两种现象是可逆的。利用这种特性，在晶体的两侧施加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时产生交变电场。这种震动和电场一般都很小，但是在某个特定频率下，振幅会明显加大，这就是压电谐振，类似于我们常见到的LC回路谐振。

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[导读]电路板尺寸和布线层数需要在设计初期确定。如果设计要求使用高密度球栅数组(BGA)组件，就必须考虑这些器件布线所需要的最少布线层数。布线层的数量以及层叠(stack-up)方式会直接影响到印制线的布线和阻抗。

<strong>PCB布线设计中，对于布通率的的提高有一套完整的方法，在此，我们为大家提供提高PCB设计布通率以及设计效率的有效技巧，不仅能为客户节省项目开发周期，还能最大限度的保证设计成品的质量。</strong>

<strong>1、确定PCB的层数</strong>

电路板尺寸和布线层数需要在设计初期确定。如果设计要求使用高密度球栅数组(BGA)组件，就必须考虑这些器件布线所需要的最少布线层数。布线层的数量以及层叠(stack-up)方式会直接影响到印制线的布线和阻抗。板的大小有助于确定层叠方式和印制线宽度，实现期望的设计效果。

多年来，人们总是认为电路板层数越少成本就越低，但是影响电路板的制造成本还有许多其它因素。近几年来，多层板之间的成本差别已经大大减小。在开始设计时最好采用较多的电路层并使敷铜均匀分布，以避免在设计临近结束时才发现有少量信号不符合已定义的规则以及空间要求，从而被迫添加新层。在设计之前认真的规划将减少布线中很多的麻烦。

高频电路往往集成度较高，布线密度大，采用多层板既是布线所必须，也是降低干扰的有效手段。在PCB Layout阶段，合理的选择一定层数的印制板尺寸，能充分利用中间层来设置屏蔽，更好地实现就近接地，并有效地降低寄生电感和缩短信号的传输长度，同时还能大幅度地降低信号的交叉干扰等，所有这些方法都对高频电路的可靠性有利。

同种材料时，四层板要比双面板的噪声低20dB.但是，同时也存在一个问题，PCB半层数越高，制造工艺越复杂，单位成本也就越高，这就要求在进行PCB Layout时，除了选择合适的层数的PCB板，还需要进行合理的元器件布局规划，并采用正确的布线规则来完成设计。

1、高频电路器件管脚间的引线层间交替越少越好

所谓“引线的层间交替越少越好”是指元件连接过程中所用的过孔(Via)越少越好。一个过孔可带来约0.5pF的分布电容，减少过孔数能显着提高速度和减少数据出错的可能性。

2、高频电路器件管脚间的引线越短越好

信号的辐射强度是和信号线的走线长度成正比的，高频的信号引线越长，它就越容易耦合到靠近它的元器件上去，所以对于诸如信号的时钟、晶振、DDR的数据、LVDS线、USB线、HDMI线等高频信号线都是要求尽可能的走线越短越好。

3、高速电子器件管脚间的引线弯折越少越好

印刷电路板 (PCB) 是电子产品的躯体，最终产品的性能、寿命和可靠性依赖于其所构成的电气系统。如果设计得当，具有高质量电路的产品将具有较低的现场故障率和现场退货率。因此，产品的生产成本将更低，利润更高。为了按时生产高质量的 PCB 板，同时不增加设计时间且不产生代价高昂的返工，必须尽早在设计流程中发现设计和电路完整性问题。

为了把产品快速可靠地推向市场，利用设计工具实现设计流程自动化就显得十分必要，但如何才能确保设计获得成功呢？为了最大程度地提高设计效率和产品质量，应当关注哪些细节？设计工具显然应该直观易用且足够强大，以便克服复杂的设计挑战，但还有哪些事项值得注意？本文列举了为确保 PCB 设计成功可采取的八个步骤。

第一步—不要停留于基本原理图输入
原理图输入对于生成设计的逻辑连接而言至关重要，其必须准确无误、简单易用且与布局集成为一体才能确保设计成功。
简单地输入原理图并将其传送到布局还不够。为了创建符合预期的高质量设计，需要确保使用最佳元件，并且可以执行仿真分析，从而保证设计在交付制造时不会出问题。

一、影响EMC的因数

1、电压：电源电压越高，意味着电压振幅越大，发射就更多，而低电源电压影响敏感度。
2、频率：高频产生更多的发射，周期性信号产生更多的发射。在高频单片机系统中，当器件开关时产生电流尖峰信号;在模拟系统中，当负载电流变化时产生电流尖峰信号。
3、接地：在所有EMC题目中，主要题目是不适当的接地引起的。有三种信号接地方法：单点、多点和混合。在频率低于1MHz时，可采用单点接地方法，但 不适宜高频;在高频应用中，最好采用多点接地。混合接地是低频用单点接地，而高频用多点接地的方法。地线布局是关键，高频数字电路和低电平模拟电路的接地 电路尽不能混合。
4、PCB设计：适当的印刷电路板(PCB)布线对防止EMI是至关重要的。
5、电源往耦：当器件开关时，在电源线上会产生瞬态电流，必须衰减和滤掉这些瞬态电流。来自高di/dt源的瞬态电流导致地和线迹“发射”电压，高di /dt产生大范围的高频电流，激励部件和线缆辐射。流经导线的电流变化和电感会导致压降，减小电感或电流随时间的变化可使该压降最小。