PCB布線經(jīng)驗(yàn)法則

今天，仍然有一些 20 年前常見的 PCB 布線經(jīng)驗(yàn)法則。 它們是否仍被廣泛觀察和應(yīng)用？ 確切的答案是“也許”。 PCB 設(shè)計(jì)論壇中關(guān)于遵守/避免布線的一些規(guī)則使 PCB 設(shè)計(jì)人員能夠在可能不適用的地方遵守或忽略這些規(guī)則。 在某些情況下，這不一定會(huì)導(dǎo)致電路板設(shè)計(jì)失敗。 正如一些經(jīng)驗(yàn)豐富的PCB設(shè)計(jì)人員所說，電路板能夠正常工作只是偶然。

關(guān)于 PCB 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)法則的討論并不意味著它們是正確的或錯(cuò)誤的。 問題是這些討論往往缺乏應(yīng)用相關(guān)性，這也使得論壇中提到的討論時(shí)長規(guī)則。 本文希望弄清楚這些規(guī)則適應(yīng)的場(chǎng)景，什么時(shí)候適用不同的規(guī)則，什么時(shí)候避免準(zhǔn)確解釋。

PCB布線中的通用經(jīng)驗(yàn)法則

1.垂直布線

垂直布線的規(guī)則是相鄰信號(hào)層的引線需要相互垂直，以減少互感引起的串?dāng)_。 在高頻信號(hào)中，電容耦合產(chǎn)生的串?dāng)_是主要成分，它在垂直引線之間產(chǎn)生電流尖峰。

當(dāng)信號(hào)隨時(shí)間變化或頻率較低（小于幾GHz）時(shí)，相鄰信號(hào)層垂直布線器件的耦合電容干擾較小。 在射頻（RF）頻段（幾十GHz），引線交織產(chǎn)生空穴諧振，而沒有被地線包圍的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)會(huì)在一些特殊頻點(diǎn)產(chǎn)生電磁諧振。 這時(shí)，即使引線是垂直的，它們之間也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的串?dāng)_。

為了消除所有頻率點(diǎn)的干擾，一種簡(jiǎn)單有效的方法是在信號(hào)層之間使用多層板和隔離層。 在現(xiàn)代高速信號(hào)變化的應(yīng)用中尤為重要。 當(dāng)您不確定正交線之間的耦合強(qiáng)度時(shí)，您需要使用基本的串?dāng)_仿真軟件檢查垂直引線，看它們之間的串?dāng)_是否在噪聲容限范圍內(nèi)。 此時(shí)就需要規(guī)劃好信號(hào)回傳路徑，這是垂直布線中的一大難題。

2.散熱通過

這是一個(gè)經(jīng)典的“遵守/避免”規(guī)則，經(jīng)常引起爭(zhēng)議。 一些PCB設(shè)計(jì)人員表示，他們從不使用散熱過孔，也從未遇到過焊接和組裝問題。 另一組堅(jiān)持在每個(gè)平面連接時(shí)防止使用散熱過孔。 他們是誰？

他們的觀點(diǎn)適用于不同的場(chǎng)合。 如果手工焊接電路板，則需要提高焊頭的溫度，以補(bǔ)償焊錫過孔導(dǎo)致銅層散熱造成的焊接問題。 但是，如果使用波峰焊，則需要使用防散熱過孔，以防止器件松動(dòng)、冷焊、豎起等，所以我建議您堅(jiān)持使用防散熱過孔設(shè)計(jì)。

3.直角接線

這個(gè) PCB 布線規(guī)則可能是最受喜愛和最討厭的。 時(shí)至今日，我仍然看到許多PCB設(shè)計(jì)人員堅(jiān)持認(rèn)為，任何時(shí)候由于各種原因布線不能轉(zhuǎn)直角。 例如，他們說電子在引線中運(yùn)動(dòng)時(shí)很難轉(zhuǎn)直角，但他們并不認(rèn)為電路板上的所有過孔都垂直于引線。 還有一些比較靠譜的理由。 例如通過45°轉(zhuǎn)角可以減少引線長度，所有直角轉(zhuǎn)彎布線都需要倒角。 也有說直角轉(zhuǎn)彎會(huì)在電路板的酸性蝕刻液中產(chǎn)生酸性蝕刻陷阱，這在現(xiàn)在廣泛使用的堿性蝕刻液中是沒有問題的。

除非你的電路板工作在50GHz以上的高頻（涉及毫米波雷達(dá)/5G通信）電路，否則不用擔(dān)心引線轉(zhuǎn)直角的問題。 事實(shí)上，在電路板布線時(shí)，您可以使用任何您喜歡的角度來布置引線。 如果使用內(nèi)置電磁場(chǎng)求解功能的PCB設(shè)計(jì)軟件，將使您的布線更加容易。

4.“3W”法則

即，三個(gè)接線經(jīng)驗(yàn)法則。 “3W規(guī)則”的第一個(gè)版本是說，相鄰兩根引線之間的間距應(yīng)不小于引線寬度的三倍，以減少引線間的磁通耦合，從而減少引線間的電磁干擾。

這個(gè)規(guī)則可能會(huì)忘記引線之間的電磁耦合與引線電路的重疊面積成正比，而不是引線之間的距離； 因此減少了引線電路的重疊面積，引線間距不受3W規(guī)則的限制。 就像之前的垂直布線一樣，基本的電磁干擾仿真可以檢查不同布線間距的影響。

“3W”規(guī)則的另一種版本是指在使用鋸齒形布線進(jìn)行引線長度匹配時(shí)，鋸齒形寬度需要大于或等于引線寬度的三倍，這樣可以最大限度地減少引線阻抗的不連續(xù)性。

5.“20H”法則

該規(guī)則定義了 PCB 中地線層和電源層之間的重疊距離。 在現(xiàn)代PCB設(shè)計(jì)中，電源需要布設(shè)在地線附近，以保證它們之間有足夠的層間電容，從而減少高速電路板上的電源波動(dòng)。

但是實(shí)際測(cè)量結(jié)果會(huì)發(fā)現(xiàn)結(jié)果很復(fù)雜。 一些時(shí)間結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)名稱可以通過在 300MHz 下遵循 20H 規(guī)則來減少電磁輻射。 但地線與供電層之間會(huì)產(chǎn)生高頻諧振。 它們的結(jié)構(gòu)類似于波導(dǎo)，會(huì)加劇線路間的高頻干擾。

所以在實(shí)際應(yīng)用中，如果你的電路頻率在GHz以內(nèi)，可以遵循20H規(guī)則，否則，20H規(guī)則可能會(huì)帶來更差的結(jié)果