在小型化和 HDI PCB 的时代，PCB 上的空间优化可能经常影响正确的元件放置。在 PCB 上适当放置组件可以提高设备的信号质量和性能。
从PCB 组装的角度来看，正确放置组件可以降低生产成本并缩短项目生产提前期，同时最大限度地提高 PCB 组装的运营效率。这使得 PCB 设计对元件布局的考虑成为设计过程的关键部分。
本文从性能和生产方面概述了正确放置组件的各个方面。此外，这些方面如何减少高质量 PCB 组件的周转时间。以下是正确放置组件的策略的一些方面：
PCB Layout设计的第一步是制定布局。布局是一个粗略的草图，它分配了电路和连接器块将放置在板上的一般区域。
PCB原理图是一种基本的二维电路表示，显示了不同有源和无源元件之间的功能和连接性。
PCB图将原理图和布局联系起来。它为设计人员在组件放置方面提供了一个良好的开端。预布局平面图将允许设计人员优化组件布局以实现信号完整性目标。此外，旁路电容器和端接电阻器等小型组件将在早期放置，而不是在最后被挤入设计中。电源调节、RF、数字、模拟等电路的功能块应按组排列以减少信号交叉。
平面图可以深入了解信号如何在功能块之间流动。对于一个高效的电路板，将电源调节组合在一起，这样它们的信号就不必穿过射频电路的敏感区域。计划您的放置以保持尽可能短的连接长度。作为高速信号路径的一部分，多个网络连接一系列组件的组件应尽可能靠近放置。设计人员在规划元件布局时必须考虑布线通道，以确保有足够的空间。查看我们关于如何在 KiCad 中放置组件的教程。
在规划电路功能块的布局时，还应考虑电源和接地层的要求。除非存在设计需要分离电源层的情况，否则始终实施连续电源层。在处理拆分电源平面时，将连接的组件放置在拆分时要小心。高速传输线不应跨越电源层的分叉，因为它会破坏这些信号的返回路径。最后，避免将不同功能组的组件放置在另一个电路中间。例如，将模拟电路与数字电路分开。下图显示了一个 PCB 平面图示例：
图 1：分离模拟和数字电路
分离模拟和数字电路
布局布线拓扑应以模拟和数字 GND 不混淆的方式实现。下面的框图显示了组件放置。正如我们在第一个布局方案中观察到的那样，模拟电流和数字电流相互重叠。由于串扰，这会降低模拟信号的质量。PCB 设计人员必须避免这种做法。在第二种方案中，我们可以看到模拟和数字的 GND 路径是隔离的。这里，数字返回电流不会干扰模拟参考 GND。设计人员应采用布局策略，即使 GND 未隔离（同一网络），任一部分的电流也不会相互干扰。要处理 HDI 板中的串扰，请阅读如何避免 HDI 基板中的串扰。
图 2：模拟和数字电路
图 3：模拟和数字电路的最佳元件布局
高速 PCB 中的元件放置注意事项
作为第一步，设计人员应阅读原理图并根据电路功能将其分解为子部分。例如：模拟、数字、高速、大电流、电源等。
除电路功能外，还应分析电压和电流电平。具有相似 VCC 和 GND 的电路应分组放置在一起。
图 4：具有相似 VCC 和 GND 以及相似功能的分组电路
图 5：根据功能组织电路块
下面讨论了一些组件放置注意事项。
- 首先，避免将敏感的高速设备放置在靠近电路板边缘的位置。这是因为板的边缘具有不同的阻抗特性，并且存在较高的电磁干扰（EMI）机会。最重要的是，连接 PCB 的连接器会辐射 EMI。鉴于这些因素，将敏感的高速器件放置在靠近板中心的位置以减少 EMI 的影响将是一个很好的做法。
热效应是另一个需要考虑的关键方面。在高速电路板中，这些设备可能在比标准电路板组件更高的温度下运行。为确保这些热组件保持凉爽，请实施一种放置策略，让这些组件接收不受限制的气流。例如，不要将较大的组件（如连接器）放置在通往热BGA的气流路径中。
首先放置连接器等位置固定的关键部件
PCB 设计的组件放置方面取决于产品外壳、客户的平面图以及所用组件的密度和类型。
在开始放置时，应遵循特定的顺序：
- 根据设计要求将连接器放置在电路板边缘并锁定其位置。
- 接下来，放置主要功能芯片，如微控制器、运算放大器、驱动器和电源芯片等。
- 然后将晶体、去耦电容等辅助元件靠近相关的主芯片放置。
- 放置所有无源元件，如串联电阻、上拉电阻、ESD 二极管等。
下面列出了在进行元件放置时应考虑的一些重要因素：
- 电压和电流水平
- 功能类型（模拟、数字、电源、高速）
- 放置以促进大电流的流动，以最大限度地减少环路
- 电源和 GND 分配
除了电路功能外，还应考虑电压和电流水平。应将具有相似 VCC 和 GND 的电路分组并放置在一起，如图 (4) 所示。不同的功能部分被优先排序和放置。最关键的按优先顺序排列
- 无线 Wi-Fi、GPS
- 数字的
- 电机控制
- 电源
根据信号流放置主要组件。
- 放置元件时请参考电路原理图。识别电路的主要部件，如微处理器、以太网芯片、存储器等。
- 根据平面图放置这些，并根据数据表指南在这些主芯片之间使用最短的走线，这使得信号流尽可能平滑和单向。
将关联组件放置在主要组件附近
- 接下来，放置晶振、去耦电容、终端电阻等主要元器件相关的元器件。
终端电阻放置
在高速 PCB 中，端接电阻器必须与其余元件一起放置，而不是最终挤压它们。由于端接电阻器是整个电路的一部分，因此它们的放置对于电路的准确运行至关重要。
以下是放置终端电阻的两种常用方案：
终端电阻放置在最靠近接收器的电路一端，而另一端连接到电源或接地层。从负载引脚到电阻器的走线长度更长意味着电路更容易受到信号反射的影响。因此，设计人员应将电阻器放置在尽可能靠近接收器的负载引脚的位置，以尽量减少连接走线的短截线长度。
串联电阻串联连接在集总距离内电路的驱动器引脚之后。由于电阻器是内联部件，因此它没有像并联终端电阻器那样考虑的短截线长度。在确定了放置端接电阻的正确策略后，设计人员可以将其包含在平面图中。
建议将所有表面贴装器件 (SMD)放置在电路板的同一侧。所有通孔元件都应放置在 PCB 的顶部，以减少组装步骤。
在高速电路中，PCB 上的任何金属都应被视为该电路的一部分。高速电路计算应考虑走线长度、过孔尺寸和过孔深度。设计人员应了解通孔钻孔尺寸会影响通孔的尺寸。过孔越小，电路的性能就越好。一旦设计人员决定了过孔尺寸，就应考虑将这些过孔正确放置在靠近其各自焊盘的位置。
在高速设计中，过孔靠近焊盘放置以避免寄生电容。有时它们部分放置在垫上或完全放置在垫内。这些调整需要DRC调整。
最好尽量减少插座的使用，因为它们会引入电感。设计人员在设计高速时应选择正确的封装和相应的组件占位面积。运算放大器之类的组件有不同的封装。一种类型的运算放大器可能支持比另一种更短的电路走线长度。最后，组件封装形状应针对散热考虑进行优化。散热的最佳方法是将电源焊盘放置在连接到内部平面的 IC 封装的正下方。即使是焊盘形状的最小变化也可以收紧布线并减少连接长度。这将导致紧凑的设计。
图 6：IC 封装下的散热焊盘
图 7：良好的元件放置（左）和不良的元件放置（右）
接地层隔离和浪涌抑制器放置
在数字部分需要时隔离接地层。下图显示了数字部分内隔离的必要性。USB 和 RJ45 连接器进行外部通信。电路板 GND 需要隔离以避免来自外部机箱/机身 GND 的任何噪声或干扰。
图 8：RJ45 连接器和 USB 连接器
为了保护电路免受外部电压浪涌的影响，通常在电路中提供浪涌抑制二极管和电感器。将这些浪涌抑制器放置在靠近输入信号连接器的位置，并避免连接这些浪涌抑制器的过孔，因为这些过孔具有寄生电感。
装配过程中影响元件贴装速度的因素
以下因素直接影响装配过程中的元件放置速度。
贴装速度： 在板上拾取、检查和放置元件的整个过程都需要遵循标准，以确保最佳的元件贴装速度。通过减少步骤数，可以提高放置速度。例如，如果元件以相似的方向定向，则元件在放置期间不需要旋转，从而提高了组装速度。
零件尺寸： PCB 组件的尺寸会有所不同。制造商将不得不考虑组件的尺寸以相应地决定过程的速度。对于每个不同的零件尺寸，拾取和放置工具都必须改变。
供料器容量：一次可以装入机器的带式供料器的数量将直接影响过程的速度。供料器的尺寸将根据组件的尺寸而有所不同。
将相似的组件沿同一方向对齐。这有助于 PCB 设计中的有效布线，并确保组装过程中的无错误焊接过程。
图 9：良好的组件方向（左）和不良的组件方向（右）
制造商必须监督正确的组件放置，以减少停机时间和周转时间，同时简化 PCB 组装过程。元件布局会影响器件在信号完整性和 EMI 方面的性能，并在PCB 设计期间予以考虑。同样，元件选择的机械方向会影响装配时间和成本，因此需要仔细考虑。
了解基本知识，如元件选择、原理图检查等，需要产生稳健的设计阅读，掌握 PCB 设计基础的艺术。
来源：电子资料库
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