印制電路板(PCB)設(shè)計是電子產(chǎn)品開發(fā)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的性能和可靠性。下面將分享幾個PCB設(shè)計中容易遇到的問題，提供其解決方案，希望對小伙伴們有所幫助。

1、在高速設(shè)計中，如何解決信號的完整性問題?

答：信號完整性基本上是阻抗匹配的問題。而影響阻抗匹配的因素有信號源的架構(gòu)和輸出阻抗(output impedance)，走線的特性阻抗，負(fù)載端的特性，走線的拓樸(topology)架構(gòu)等。解決的方式是靠端接(termination)與調(diào)整走線的拓樸。

2、如何避免高頻干擾?

答：避免高頻干擾的基本思路是盡量降低高頻信號電磁場的干擾，也就是所謂的串?dāng)_(Crosstalk)?？捎美蟾咚傩盘柡湍M信號之間的距離，或加 ground guard/shunt traces 在模擬信號旁邊。還要注意數(shù)字地對模擬地的噪聲干擾。

3、在高速 PCB 設(shè)計中，信號層的空白區(qū)域可以敷銅，而多個信號層的敷銅在接地和接電源上應(yīng)如何分配?

答：一般在空白區(qū)域的敷銅絕大部分情況是接地。只是在高速信號線旁敷銅時要注意敷銅與信號線的距離， 因為所敷的銅會降低一點走線的特性阻抗。也要注意不要影響到它層的特性阻抗， 例如在 dual strip line 的結(jié)構(gòu)時。

4、在高速 PCB 設(shè)計原理圖設(shè)計時，如何考慮阻抗匹配問題?

答：在設(shè)計高速 PCB 電路時，阻抗匹配是設(shè)計的要素之一。而阻抗值跟走線方式有絕對的關(guān)系，例如是走在表面層(microstrip)或內(nèi)層(stripline/double stripline)，與參考層(電源層或地層)的距離，走線寬度，PCB材質(zhì)等均會影響走線的特性阻抗值。也就是說要在布線后才能確定阻抗值。一般仿真軟件會因線路模型或所使用的數(shù)學(xué)算法的限制而無法考慮到一些阻抗不連續(xù)的布線情況，這時候在原理圖上只能預(yù)留一些terminators(端接)，如串聯(lián)電阻等，來緩和走線阻抗不連續(xù)的效應(yīng)。真正根本解決問題的方法還是布線時盡量注意避免阻抗不連續(xù)的發(fā)生。

5、2G 以上高頻 PCB 設(shè)計，走線,排版,應(yīng)重點注意哪些方面?

答：2G 以上高頻 PCB 屬于射頻電路設(shè)計，不在高速數(shù)字電路設(shè)計討論范圍內(nèi)。而射頻電路的布局(layout)和布線(routing)應(yīng)該和原理圖一起考慮的，因為布局布線都會造成分布效應(yīng)。而且，射頻電路設(shè)計一些無源器件是通過參數(shù)化定義，特殊形狀銅箔實現(xiàn)，因此要求 EDA 工具能夠提供參數(shù)化器件，能夠編輯特殊形狀銅箔。Mentor 公司的 boardstation 中有專門的 RF 設(shè)計模塊，能夠滿足這些要求。

6、在布局、布線中如何處理才能保證 50M 以上信號的穩(wěn)定性

答：高速數(shù)字信號布線，關(guān)鍵是減小傳輸線對信號質(zhì)量的影響。因此，100M 以上的高速信號布局時要求信號走線盡量短。數(shù)字電路中，高速信號是用信號上升延時間來界定的。而 且 ，不 同種類的信號(如 TTL,GTL,LVTTL)，確保信號質(zhì)量的方法不一樣。

7、在高速 PCB 設(shè)計時，設(shè)計者應(yīng)該從那些方面去考慮 EMC、EMI 的規(guī)則呢?

答：一般EMI/EMC 設(shè)計時需要同時考慮輻射(radiated)與傳導(dǎo)(conducted)兩個方面。前者歸屬于頻率較高的部分(>30MHz)后者則是較低頻的部分(<30MHz)。所以不能只注意高頻而忽略低頻的部分。一個好的EMI/EMC 設(shè)計必須一開始布局時就要考慮到器件的位置、 PCB 疊層的安排、重要聯(lián)機(jī)的走法、器件的選擇等， 如果這些沒有事前有較佳的安排， 事后解決則會事倍功半，增加成本。例如時鐘產(chǎn)生器的位置盡量不要靠近對外的連接器， 高速信號盡量走內(nèi)層并注意特性阻抗匹配與參考層的連續(xù)以減少反射， 器件所推的信號之斜率(slew rate)盡量小以減低高頻成分， 選擇去耦合(decoupling/bypass)電容時注意其頻率響應(yīng)是否符合需求以降低電源層噪聲。另外， 注意高頻信號電流之回流路徑使其回路面積盡量小(也就是回路阻抗loop impedance 盡量小)以減少輻射。還可以用分割地層的方式以控制高頻噪聲的范圍。最后， 適當(dāng)?shù)倪x擇PCB 與外殼的接地點(chassis ground)。

在當(dāng)今電子技術(shù)飛速發(fā)展的時代，多層板 PCB 設(shè)計已成為電子產(chǎn)品小型化、高性能化的關(guān)鍵支撐。然而，多層板 PCB 設(shè)計過程并非一帆風(fēng)順，從確保信號精準(zhǔn)無誤傳輸?shù)男盘柾暾?，到維持芯片穩(wěn)定供電的電源完整性;從面對復(fù)雜電路架構(gòu)時的布線困境，到解決大功率器件散熱難題，再到防范電磁干擾的電磁兼容性問題，每一個環(huán)節(jié)都不容小覷。接下來，將深入剖析多層板 PCB 設(shè)計中常見的 5 個關(guān)鍵問題，并一一給出切實可行的解決方案，助力工程師們攻克設(shè)計難關(guān)，打造出更加優(yōu)質(zhì)、可靠的多層板 PCB。

信號完整性問題

信號出現(xiàn)反射、串?dāng)_、延遲等情況，導(dǎo)致信號傳輸質(zhì)量下降，可能使接收端接收到的信號出現(xiàn)失真，影響電路正常功能。

解決方案：為解決信號完整性問題，需合理進(jìn)行布線拓?fù)湟?guī)劃，根據(jù)信號類型采用適宜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如高速差分信號常采用等長布線的差分對形式以減少信號傳輸延遲差異。同時，要增加端接匹配電阻，依據(jù)信號特性和傳輸線阻抗在信號源端或負(fù)載端合理添加，使傳輸線阻抗連續(xù)，像高速并行總線信號可在合適位置添加 50Ω、75Ω 等阻值的端接電阻。此外，還需優(yōu)化布線間距，增大高速信號與敏感信號之間的布線間距，高速信號線間距一般保持在 3 倍線寬以上，必要時添加地平面隔離以增強(qiáng)抗串?dāng)_能力。

電源完整性問題

電源平面出現(xiàn)電壓波動、噪聲，可能引起芯片等器件供電不穩(wěn)定，造成電路工作異常，比如出現(xiàn)復(fù)位、死機(jī)等現(xiàn)象。

解決方案：解決電源完整性問題，首先要合理規(guī)劃電源層和地層，多層板設(shè)計中盡量讓電源層和地層相鄰，通過大面積銅箔形成良好的電容耦合以起到濾波作用，如數(shù)字電路部分的多層板可將數(shù)字電源層和數(shù)字地層緊密相鄰。其次，要增加去耦電容，在芯片電源引腳附近合理放置，根據(jù)芯片工作頻率選擇合適容值，對于工作頻率較高的芯片，可在其附近放置 0.1μF 和 10nF 等容值的陶瓷電容組合。另外，當(dāng)電路中有多種不同電壓的電源時，可分割電源平面以避免相互干擾，但要注意分割線處的處理，避免出現(xiàn)尖刺等影響電場分布的情況，同時做好跨分割區(qū)域的布線處理，可添加磁珠等進(jìn)行隔離后布線。

布線困難及布通率問題

隨著層數(shù)增加和電路復(fù)雜度提升，布線空間有限，出現(xiàn)部分線路難以布通，或者布線后過于雜亂，不符合設(shè)計規(guī)范。

解決方案：針對布線困難及布通率問題，需提前進(jìn)行布局規(guī)劃，根據(jù)電路功能模塊將關(guān)聯(lián)性強(qiáng)的器件集中放置，預(yù)留合理布線通道，如將 CPU 及其周邊存儲芯片、通信芯片等按功能分區(qū)布局，使信號線布線規(guī)整且距離較短。要充分利用多層板優(yōu)勢，使用多層布線策略，將高速信號放在內(nèi)層，低速信號、控制信號等放在外層，合理分配各層布線資源以提高布通率。還可在滿足電氣性能要求的前提下，調(diào)整布線規(guī)則和線寬設(shè)置，對于電流較小的信號線可適當(dāng)減小線寬以騰出布線空間，關(guān)鍵信號則適當(dāng)增加線寬保證可靠性。

散熱問題

一些大功率器件在工作時產(chǎn)生過多熱量，若不能及時散發(fā)出去，會導(dǎo)致器件溫度過高，影響其性能和壽命，甚至可能造成器件損壞，使整個電路失效。

解決方案：為解決散熱問題，可在多層板靠近大功率器件的下方或周邊區(qū)域，增加散熱孔或散熱槽，散熱孔大小一般直徑在 1mm - 3mm 左右且均勻分布，利于熱量傳導(dǎo)到 PCB 板另一面加快散熱。對于發(fā)熱嚴(yán)重的器件，可在其對應(yīng)的 PCB 板表面鋪設(shè)大面積散熱銅箔或安裝合適的散熱片，通過熱傳導(dǎo)將熱量傳遞出去，散熱片要選擇與鄧器件適配的型號以確保良好的接觸面積和散熱效果。同時，要優(yōu)化布局，將大功率器件分散布局避免熱量集中，并且考慮 PCB 板上的空氣流動方向，在有風(fēng)扇散熱的系統(tǒng)中，讓器件布局符合空氣流動的風(fēng)道，使熱量能順著空氣流動方向散發(fā)出去

電磁兼容性(EMC)問題

PCB 板向外輻射過多電磁干擾，影響周邊電子設(shè)備的正常工作，同時也容易受到外界電磁干擾的影響，使自身電路出現(xiàn)誤動作等情況。

解決方案：解決電磁兼容性(EMC)問題，可利用多層板中的地層作為屏蔽層，完整覆蓋以減少對外輻射和外界干擾的傳入，對于敏感信號區(qū)域可在其所在周圍再額外設(shè)置局部的屏蔽地，通過過孔等方式與主地平面相連。布線時要控制信號環(huán)路面積，盡量減小信號的環(huán)路面積，比如對于時鐘信號等高頻信號，要縮短信號線長度、合理布置回流路徑，減少電磁輻射。此外，可在 PCB 的輸入輸出接口處添加由磁珠、電感、電容等組成的濾波電路，如在電源輸入接口添加 π 型濾波電路，抑制傳導(dǎo)干擾，防止外部干擾進(jìn)入板內(nèi)以及板內(nèi)干擾傳出。