原创 【PCB笔记】PCB的设计的全流程和PCB设计实战总结

2023-6-16 15:24 3996 16 2 分类: PCB 文集: PCB设计


 

 

如今的PCB电路板无处不在,日常接触到的手机,电脑,家用电器,玩具等等,拆开机械结构,里面都存在大大小小,各种功能的电路板。PCB是基本电子元器件和芯片最重要的载体,所以,PCB设计的优劣也直接决定了产品最终的性能。


本文通过一个实际案例,分析电路板的基本组成和PCB的主要设计流程。

 

电路板的基本组成

目前的电路板,主要由以下组成:

线路:线路是做为原件之间导通的工具,在设计上会另外设计大铜面作为接地及电源层。

介电层(Dielectric):用来保持线路及各层之间的绝缘性,俗称为基材

孔(Through hole / via):导通孔可使两层次以上的线路彼此导通,较大的导通孔则做为零件插件用,另外有非导通孔(nPTH)通常用来作为表面贴装定位,组装时固定螺丝用

防焊油墨(Solder resistant /Solder Mask) :并非全部的铜面都要吃锡上零件,因此非吃锡的区域,会印一层隔绝铜面吃锡的物质(通常为环氧树脂),避免非吃锡的线路间短路。根据不同的工艺,分为绿油、红油、蓝油。

丝印(Legend /Marking/Silk screen):此为非必要的结构,主要的功能是在电路板上标注各零件的名称、位置框,方便组装后维修及辨识用。

表面处理(Surface Finish):由于铜面在一般环境中,很容易氧化,导致无法上锡(焊锡性不良),因此会在要吃锡的铜面上进行保护。保护的方式有喷锡(HASL),化金(ENIG),化银(Immersion Silver),化锡(Immersion Tin),有机保焊剂(OSP),方法各有优缺点,统称为表面处理。

如图所示,左边是沉金的焊盘,右边是喷锡后的焊盘。

 

 

 

PCB的设计流程

PCB设计的主要流程大概有以下十个步骤,其中层次化的设计等步骤不一定是必须的,跟公司的规模要求及设计的复杂度有关。主要包括从原理图设计完成后输出网表,然后布局布线,接着仿真,处理电源地EMC等热管理,最后输出文档和质量管理等过程。

 

原理图设计:在开始进行整板设计之前,首先需要完成原理图设计。原理图是电路的逻辑表示,包含各个组件的连接和功能。确保原理图设计准确无误,以避免在整板设计中出现问题。

 

PCB布局规划:进行PCB布局之前,需要对整个电路板的尺寸、组件布局、连接方式等进行规划。考虑到信号完整性、功率分布和散热等因素,合理安排各个组件的位置和走线路径。

层次化的设计:对于复杂的电路板设计,可以采用层次化的设计的方法,将不同功能的信号层、电源层和地层分开。这有助于减少信号干扰、提高整体性能。

 

信号完整性:保证高速信号的完整性是PCB设计中至关重要的一点。采取合适的差分对、匹配传输线长度、减少信号回波等措施,可以减少信号衰减和时序偏移。

 

电源和地线:在设计中要特别关注电源和地线的布局和连接。确保电源稳定性、地线低阻抗,以减少电源噪声和信号干扰。

 

热管理:对于需要高功率的组件,如处理器、功放器等,需要考虑散热问题。合理布局散热器、散热片,确保足够的空间和通风,以避免过热引起故障。

 

焊盘和孔的设计:选择合适的焊盘和孔的尺寸和形状,以适应所使用的组件和焊接工艺。确保焊盘和孔的质量和可靠性,以减少焊接问题和连接失效。

 

EMI/EMC设计:电磁兼容性是PCB设计中一个重要的考虑因素。通过合适的屏蔽、接地、滤波等措施,减少电磁干扰和辐射,确保产品符合相关的EMI/EMC标准。

 

文档输出:在PCB设计过程中,要及时进行标记和记录。给每个元件、连接线、层次等进行适当的标记,编写详细的设计文档,以方便后续的调试和维护工作。

 

设计规范和标准:遵循相关的PCB设计规范和标准,如IPC标准,以确保设计的可靠性和可制造性。

 

 

 

 

实际的设计案例

假定设计一个基于ARM平台的PCB板卡。

设计的大概的思路:

1 、 抓取模块,按模块摆放元器件。摆模块可以对整板进行一个了解。

可以了解到板子上有哪些需要注意的。如有哪些重要信号,以及整板的一个电源分

布走向。模块抓取完成后开始布局。

2 、 布局完成后,规划叠层。此板的层数由 DDR4 部分决定。我选择了走 FLYBY 的拓扑。所以只能走假八层的六层板。整板需要控制阻抗的信号线有 DDR4 USB HDMI 等。

3 、 设置规则,开始走线。先从主芯片 BGA 开始出线,将 DDR4 的线先完成。 DDR4以及主芯片拉线完成后可以先看一下内存绕线是否有瓶颈。DDR的信号最多,而且速率高,比较敏感,是前期设计最需要着重评估的地方。然后开始外围器件的布线。 USB HDMI 的高速线注意阻抗连续性以及间距控制,网口部分注意防雷击,音频部分需注意模拟地与数字地的划分等。电源部分走线需注意电流的大小,走向。

 

 

4 、 走线完成后,开始 DDR4 绕线、差分对内等长、 FLASH 以及 RGMII 的绕线。

 

 

5 、 最后进行整板的调整,主要处理丝印检查,文字处理等。检查无误后,出 GBR 。


 

 

作者: 启芯硬件, 来源:面包板社区

链接: https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-443713.html

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