畫 PCB 時(shí)，很多人習(xí)慣 “先把元件擺滿再說”，卻沒意識(shí)到布局是決定電路性能的關(guān)鍵 —— 同樣的元件，布局合理能讓信號(hào)干擾減少 50%，布局混亂則可能導(dǎo)致電路 “看似能工作，實(shí)則不穩(wěn)定”(比如時(shí)而死機(jī)、信號(hào)時(shí)好時(shí)壞)。今天從科普角度，拆解 PCB 布局的 5 條 “黃金法則”，這些原則看似基礎(chǔ)，卻能幫你避開 80% 的布局坑。

在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，設(shè)置電路板輪廓后，需要將元器件調(diào)用到工作區(qū)。將元器件擺放到合適位置后，再進(jìn)行布線的工作，并伴隨著元器件位置的微調(diào)。組件放置是這項(xiàng)工作的第一步，對(duì)于之后的平滑布線工作是非常重要的工作。如果在接線工作期間模塊不足，則必須移動(dòng)零件，并且必須剝落完成的接線圖并重新開始。除了在零件放置期間必須放置許多零件外，還要求高度的完美性。因此，這一次，我們將介紹有效地執(zhí)行此麻煩的組件放置方法和有用的功能。優(yōu)化的原理圖布局-原理圖中的反射板組件放置在底板上布置零件的時(shí)候，要依靠拉網(wǎng)器來尋找布線最短的位置，但是電源、總線等長網(wǎng)線的零件不能單靠拉網(wǎng)器來判斷，必須參照電路圖。因此，在繪制電路圖的時(shí)候，在電路板上想要彼此靠近的部件在電路圖上也要靠近。旁路電容器集中在一起畫的話，電路圖會(huì)很流暢，但是對(duì)于有問題的地方，要畫在作為對(duì)象的電源引腳附近。

法則一：“核心優(yōu)先”，先定關(guān)鍵元件位置

PCB 布局的第一步不是擺外圍元件，而是確定 “核心芯片” 的位置 —— 比如 MCU、FPGA、射頻芯片這些決定電路功能的核心元件，它們的位置直接影響其他元件的布局和信號(hào)路徑。

核心芯片應(yīng)放在 PCB 的 “幾何中心” 或 “信號(hào)匯聚中心”，方便外圍元件(如內(nèi)存、接口、傳感器)圍繞它布局，縮短信號(hào)路徑;

避免將核心芯片放在 PCB 邊緣(靠近連接器、散熱孔)，邊緣易受外部干擾(如連接器插拔時(shí)的靜電)、溫度波動(dòng)(散熱孔附近溫度變化大)，影響芯片穩(wěn)定性。比如某單片機(jī)控制 PCB，將 MCU 放在中心后，外圍的 ADC、通信模塊圍繞布局，信號(hào)路徑平均縮短 3cm，信號(hào)延遲從 50ns 降至 20ns，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率從 10^-6 降至 10^-9。

法則二：信號(hào)路徑 “最短最直”，避免繞路

信號(hào)在 PCB 上傳輸時(shí)，路徑越長、彎折越多，衰減和干擾就越大 —— 比如高頻信號(hào)(如 100MHz 以上)每多走 1cm，衰減可能增加 0.5dB;90° 彎折會(huì)產(chǎn)生信號(hào)反射，導(dǎo)致阻抗突變。

數(shù)字信號(hào)(如 MCU 的 IO 口信號(hào))路徑盡量短(≤5cm)，避免 “迂回繞路”;

高頻信號(hào)(如射頻、高速差分對(duì))路徑必須直，彎折用 135° 圓弧過渡(避免 90°)，差分對(duì)的兩條線長度差≤0.3mm(防止相位偏移);

模擬信號(hào)(如傳感器的 4-20mA 信號(hào))路徑要 “遠(yuǎn)離干擾源”(如功率電路、時(shí)鐘電路)，間距≥3mm，且避免與數(shù)字信號(hào)線平行(平行會(huì)產(chǎn)生電容耦合干擾)。某溫度傳感器 PCB，將模擬信號(hào)路徑從 10cm 縮短至 3cm，且遠(yuǎn)離功率電阻，采集噪聲從 50mV 降至 5mV，溫度測(cè)量精度從 ±1℃提升至 ±0.1℃。

法則三：“分區(qū)布局”，強(qiáng)弱電、高低頻分開

PCB 上不同類型的電路(數(shù)字 / 模擬、強(qiáng)電 / 弱電、高頻 / 低頻)會(huì)相互干擾，分區(qū)布局是 “物理隔離” 的關(guān)鍵：

數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)：中間留≥2mm 的 “隔離帶”(可鋪接地銅箔增強(qiáng)隔離)，數(shù)字地與模擬地單獨(dú)布局，僅在公共接地點(diǎn)連接;

強(qiáng)電區(qū)與弱電區(qū)：強(qiáng)電(如 220V 轉(zhuǎn) 5V 的電源電路)放在 PCB 邊緣，遠(yuǎn)離弱電(如 3.3V 的 MCU 電路)，間距≥5mm，避免高壓擊穿或電磁干擾;

高頻區(qū)與低頻區(qū)：高頻電路(如 Wi-Fi 模塊、時(shí)鐘電路)集中布局，遠(yuǎn)離低頻電路(如繼電器、電機(jī)驅(qū)動(dòng))，高頻區(qū)的接地平面保持完整，避免開槽。某智能家居網(wǎng)關(guān) PCB，分區(qū)布局后，數(shù)字電路的 100MHz 時(shí)鐘噪聲對(duì)模擬電路的干擾從 80mV 降至 10mV，Wi-Fi 信號(hào)傳輸速率穩(wěn)定在 800Mbps(無干擾時(shí)為 866Mbps)。

法則四：功率元件 “遠(yuǎn)離敏感元件”，兼顧散熱

功率元件(如電源芯片、功率電阻、MOS 管)工作時(shí)會(huì)發(fā)熱(可能達(dá) 60℃以上)，且會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾，布局時(shí)需特別注意：

功率元件放在 PCB 邊緣或靠近散熱孔的位置，方便熱量散發(fā)，避免熱量積聚影響敏感元件(如傳感器、MCU);

功率元件與敏感元件的間距≥5mm，且中間可鋪接地銅箔，減少電磁干擾;

功率電路的接地線要粗(≥2mm)，避免電流過大導(dǎo)致線路發(fā)熱，比如 5A 電流的功率地線寬度需≥3mm(電流密度≤8A/mm2)。某 12V 轉(zhuǎn) 5V 的電源 PCB，將功率芯片放在邊緣散熱孔旁，溫度從 65℃降至 45℃，旁邊 MCU 的工作溫度從 50℃降至 35℃，穩(wěn)定性顯著提升。

法則五：連接器 “靠近邊緣”，方便布線與插拔

連接器(如 USB、網(wǎng)口、電源接口)是 PCB 與外部設(shè)備的接口，布局不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致布線混亂、插拔不便：

連接器放在 PCB 邊緣，且方向一致(如都朝左或朝下)，方便外部設(shè)備插拔，也避免連接器占用 PCB 中心空間，影響核心元件布局;

連接器的信號(hào)線(如 USB 的 D+、D-)要直接連到核心芯片，避免繞路，電源連接器的地線要粗且短，減少接地阻抗。某 USB 數(shù)據(jù)采集 PCB，將 USB 連接器放在邊緣后，信號(hào)線直接連到 MCU，路徑縮短 4cm，數(shù)據(jù)傳輸速率從 480Mbps(USB 2.0 滿速)穩(wěn)定運(yùn)行，無因布線繞路導(dǎo)致的丟包。

常見的 PCB 元件放置問題

一般來說，大多數(shù)組件放置的問題是由于更復(fù)雜的布線或者其他問題發(fā)生的，以下是一些常見的問題：

1、元件間距過近

當(dāng)元器件放置得太近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生自動(dòng)取放問題，對(duì)測(cè)試(夾具)產(chǎn)生不利影響。

2、PCB拼板分開變得復(fù)雜

當(dāng)組件太靠近電路板邊緣時(shí)，可能很難使用布線將 PCB 拼板分離成單板。

3、返工更加困難

如果需要返工，如果組件間隔不好，會(huì)更加困難。

4、波峰焊元件的位置和方向

如果元件是分立的，當(dāng) PCB 通過波峰焊時(shí)，兩個(gè)引腳同時(shí)進(jìn)入焊料。但是，對(duì)于較大的組件，不應(yīng)該放在體積比較大的組件之前，因?yàn)闀?huì)產(chǎn)生陰影。

PCB元器件擺放技巧

1、了解 PCB 板的形狀和尺寸限制

在設(shè)計(jì) PCB 時(shí)，最重要的是要考慮 PCB 需要安裝在內(nèi)部的外殼，確定安裝孔和邊緣連接器的位置，這對(duì) PCB 的形狀和尺寸至關(guān)重要。

2、弄清楚 PCB 板的制作工藝

在設(shè)計(jì) PCB 板之前，需要咨詢制造商，是按照什么工藝來組裝和測(cè)試PCB和組件的，確定好你在PCB板上的占用空間。

3、不要將集成電路放置得太近

建議在 PCB 板的每個(gè)集成電路之間至少留出 0.35 英寸至 0.5 英寸的間距，并為更大的 IC 留出更多空間。將 IC 放置得太近會(huì)導(dǎo)致在布線連接引腳時(shí)空間有限，從而浪費(fèi)時(shí)間重新安排設(shè)計(jì)。

元器件位置

4、確保相似的組件朝向相同的方向

如果將相似的組件朝向相同的方向，會(huì)使得后續(xù)人員的安裝、檢查和測(cè)試過程變得簡單。如果沒有將相似組件定在同一個(gè)方向可能會(huì)破壞焊接過程，甚至導(dǎo)致某些元器件根本都沒有被焊接，然后使得 PCB 板出現(xiàn)短路和開路。

PCB板上的相似的組件沿著相同的方向

5、按功能對(duì)組件進(jìn)行分組

確保組件根據(jù)電路中的功能塊進(jìn)行隔離。例如，電源管理組件不應(yīng)與模擬部件混雜在一起，高速數(shù)字通信應(yīng)保持獨(dú)立。

規(guī)劃這些組件應(yīng)放置在 PCB 上的位置，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)是讓最嘈雜的信號(hào)遠(yuǎn)離高度敏感的信號(hào)，此外，通過根據(jù)功能對(duì)組件進(jìn)行分組，你可以更好地控制它們的返回路徑。

元器件放置根據(jù)功能放置(模擬和數(shù)字)

6、先放置邊緣元件

放置邊緣元件有利于輸入和輸出連接的電路板布局。這些部件通常是由于機(jī)械外殼而不能移動(dòng)的部件(例如，連接器、開關(guān)、插孔、USB 端口等)。

如果你這樣做的話，相信我，PCB安裝人員和技術(shù)人員將對(duì)你心懷感激。

邊緣元件放在外圍

7、高頻元件的定位

當(dāng)電信號(hào)超過 1 MHz 的頻率時(shí)，系統(tǒng)變得非常關(guān)鍵，特別是在電氣和電子元件的定位方面，尤其是電容和電感元件。即使在相互電連接時(shí)，這些組件也會(huì)根據(jù)它們的布置、電連接的形狀和大小而表現(xiàn)不同。有時(shí)將電容或電感移動(dòng)幾厘米就足以完全改變電子電路的行為。

在高頻電路中，接地層在擴(kuò)展方面必須非常有限，并且與其相連的組件應(yīng)盡可能彼此靠近。

高頻元件的定位

8、放置散熱元件

一般規(guī)則規(guī)定，連接各種元件(電阻、電容、電感、集成器件等)的走線應(yīng)該非常短，并且設(shè)備非?？拷?。當(dāng)主要在高頻下運(yùn)行時(shí)，情況確實(shí)如此。然而，最小化連接的長度可能會(huì)產(chǎn)生熱問題，導(dǎo)致局部熱量的不均勻積累。

乍一看無法解釋的故障，在這些情況下，最好采用電路中的元件和熱導(dǎo)管的平行定位。

放置散熱元件

9、讓組件遠(yuǎn)離散熱區(qū)

在功率要求高的應(yīng)用中，穩(wěn)壓器會(huì)顯著升溫。很有可能，你已經(jīng)包含了一些散熱過孔以提高散熱率。但是，將其他組件放置在調(diào)節(jié)器附近是沒有那么機(jī)智的。當(dāng)你使用功率運(yùn)算放大器或其他發(fā)熱設(shè)備時(shí)，這同樣適用。

10、不要重疊零件

重疊的零件可能會(huì)由于組件之間的電流流過而導(dǎo)致短路。

11、盡可能將所有部件放在一層上

一層上許多設(shè)計(jì)需要多層 PCB 來適應(yīng)重量和空間限制。但是，如果將零件放置在多層上，在進(jìn)行元器件安裝時(shí)，因?yàn)楹附庸に噯栴}不得進(jìn)行雙多通道，這可能會(huì)浪費(fèi)不必要的昂貴制造成本。

12、標(biāo)準(zhǔn)化組件方向

保持IC管腳和極化元件對(duì)齊，所有 IC，無論其占位面積如何，都有一個(gè)引腳 1 標(biāo)記。

如果你不希望每次提交設(shè)計(jì)時(shí)組裝人員都抱怨，還是把放在它們都在同一方向上對(duì)齊。并且這可以提高組裝過程的效率且減少了放置錯(cuò)誤。