原创 双层板布线技艺教程

电池供电产品的竞争市场中，考虑目标成本相对的重要。多层板解决方案更是工程师在设计时必需的重要考虑。本文将探讨双层板的布线方式，使用自动布线与手工布线来做模拟与混合信号电路布线的差别，如何安排接地回路等。

以电池供电产品之高度竞争市场中，当考虑目标成本时总是要求设计者在设计中使用双层电路板。虽然多层板（四层、六层以及八层）的解决方式无论在尺寸、噪声，以及性能上都可以做得更好，但成本压力迫使工程师必须尽量使用双层板。在本文中将讨论使用或不用自动布线、有或没有接地面的电流返回路径的概念，以及关于双层板零件的布置方式。

使用自动布线器来设计印刷电路板（PCB）是吸引人的。大多数的情形下，自动布线对纯数字的电路（尤其是低频率信号且低密度的电路）的动作不至于会有问题。但当尝试使用布线软件提供的自动布线工具做模拟、混合讯号或高速电路的布线时，可能会出现一些问题，而且有可能造成极严重的电路性能问题。

例如，(图一)所示为双层板自动走线的上层，(图二)为电路板的下层。对混合讯号电路的布线而言，各种装置都是经过周详的考虑后才以人工方式将零件放置到板子上并将数字与模拟装置隔开。
 
 
图一　电路图的自动走线布在线层

 
图二　电路图的自动走线布在线层

　
关于布线有许多要考虑的事项，但较为困扰的问题是接地方式。假使接地路径是由上层开始，每个装置的接地皆经由在该层上的拉线连接到地线。对下层的每个装置而言，是由电路板右边的贯孔连接到上层而形成接地回路。使用者在检查布线方式时会看到的立即红色旗标表示存在多个接地回路。此外，下层的接地回路被一条水平信号线隔断。这个接地结构的可取之处只在于模拟装置（MCP3202；12-bit AD转换器与 MCP4125；2.5V参考电压） 是集中在电路板的右边。该布置可以确保数字接地讯号不会从这些模拟芯片下经过。

电路的人工布线请见(图三)与(图四)。使用人工布线，要遵守下列的设计指南以确保良好的效果：

●将接地设计成一个接地面作为电流返回路径。

●将模拟接地面与数字接地面隔开。

●如果无法避免信号走线与接地放在同一层，将信号线与接地线设计成相互垂直以降低信号线对接地电流回路产生的干扰。

●将模拟电路放在电路板的旁边，数字电路系统放在最靠近电源处。可降低数字切换δi/δt对模拟电路造成的影响。

但须注意的是，这两片双层板在电路板的下层都有一个接地面。如此设计是为了让工程师在做故障排除时可以迅速地看到布线，此种方式常出现在装置制造商的示范与评估板上。但更典型的做法是在电路板的上层铺上接地面，以降低电磁干扰（EMI）。
　 
 
图三　电路图的人工走线布在线层　
 
图四　电路图的人工走线布线下层

接地面的电流返回路径的有无

处理电流返回路径时，应该要考虑的基本问题是：

(1)假使只使用拉线当地线，尽可能加宽拉线﹔而如果考虑只用拉线作为电路板的接地线，拉线应该要尽可能的宽。拇指大是很好的标准，但也必须知道接地线的最小宽度是指拉线从该点到末端的有效铜箔宽度，在此「末端」的定义是指离电源连接最远的一点。

(2)避免形成封闭的接地回路。

(3)如果没有接地面，可使用星形连接方式。

星形连接的范例如(图五)所示。

 
图五　如果无法设计成接地面，电流返回路径可用「星形」布线方式来处理

以此种方式，每种装置的接地电流单独返回到电源端。使用者会发现图五中并非所有装置都有自己的返回路径。U1与U2共享返回路径，允许这样做的先决条件是须符合下列设计所需注意之要点。

勿使数字电路通过模拟装置。

数字电路在切换期间会在地回路上形成相当大的电流但其时间很短。此种现象是由于接地回路的等效电感与电阻而造成。接地面或地线的电感部份，将产生V ＝Lδi/δt的压降，L是接地面或地线的等效电感，δi是来自数字装置电流的改变而δt是电流变化的时间。计算接地面或地线等效电阻部份造成的电压变化是V＝RI，R是接地面或地线的等效电阻，I是数字装置的电流变化。这种接地面或地线的电压变化将影响模拟装置输入端与接地间之正常信号。

勿使高速电流通过低速装置

高速电路的接地返回信号在接地面上的变化有类似以上所述的效果，决定这个干扰效果的公式是：对接地面或地线等效电感而言V＝Lδi/δt，而对接地面或地线等效电阻而言V＝RI。当数字电路或高速电路的接地面或地线穿越过模拟装置的拉线时，会造成模拟装置输入端与接地间信号的改变。不论使用何种技术，必须设计使得接地返回路径的等效电阻与电感为最小。如果使用接地面，切断接地面可能增进或降低电路的性能，需小心使用。
 
图六　完全将模拟与数字接地面隔开之方式。
有时连续接地面的效果较被隔开的接地面差。在此图(a)中显示出的接地布线方式较(b)中所示效果为差。

在(图六)中，精确的模拟与连接器较接近，但它与数字电路以及来自电源供应电路的切换电流隔绝。此为一种能有效使接地返回路径分隔的方式。该技术也用于之前图三与图四中讨论的布线中。

结论

探讨与布线相关的技术时，两种问题将会被讨论：一为假使管理阶层不能使用双层板或接地面，但仍需要降低电路中的噪声时怎么办？以及要如何设计符合接地面需求的电路？一般而言，解决之道为告知管理阶层，如果想达到可靠的电路性能，接地面是必要的。使用接地面的主要理由是接地阻抗低，并可降低一定程度的 EMI。但假使因成本限制而让使用者无法达到所需，本文提供的一些建议，例如星形网络以及正确的电流返回路径，亦能稍微减低电路噪声。