PCB設(shè)計是讓產(chǎn)品成功的最重要關(guān)鍵

就像所有的新技術(shù)一樣，工程師當(dāng)初花了好一段時間才接受并推廣印刷電路板(PCB)。在1960年代，美國老牌電子業(yè)者Zeneth總愛標(biāo)榜他們使用點對點接線(point-to-point wiring)，如圖1;而現(xiàn)在，幾乎所有電子產(chǎn)品都是以PCB打造。

但多年來，PCB似乎在電子工程領(lǐng)域被「降級」，成了只在幕后默默付出的無名英雄，經(jīng)理們認(rèn)為PCB布線是微不足道的制造問題，并非設(shè)計工程師需要關(guān)心的;但隨著數(shù)字電路變得越來越快，以及RF電路也被放進(jìn)PCB，電路板在很多設(shè)計中變成了限制因素，計算機輔助設(shè)計(CAD)工具雖然能幫助工程師設(shè)計電路板，但CAD的自動繞線功能通常會帶來更多問題。

圖1 1948年Motorola的VT-71「Golden View」7嫉縭踴就是采用點對點接線。(圖片來源：Wikimedia/Westernelectric555)

我的師父，John Massa老大教過我PCB在設(shè)計工作中的中心性(centrality);Massa老大總是會尋找設(shè)計、打造電路板的新方法。當(dāng)我們的同業(yè)還在討論68020芯片的指令快取(instrucTIon-caching)架構(gòu)時，Massa已經(jīng)在談電路板布線程序以及只要一個晚上就能完成的原型制作。

Massa說過：「在我40年的電子設(shè)計經(jīng)驗里，電路板總是阻礙每個設(shè)計項目的限制因素;」你不應(yīng)該只是為了應(yīng)付工作而制作電路圖，你有更高等級的責(zé)任看著那些電路圖轉(zhuǎn)化成能夠被打造出來并且銷售的某種產(chǎn)品。

現(xiàn)代的PCB不只是時間殺手，也是擁有精確設(shè)計要求的關(guān)鍵零組件;電子裝置的運作頻率以及訊號上升/下降時間變得越來越快，因此PCB已經(jīng)變得越來越重要?？纯匆韵聨讉€真實發(fā)生過的小故事，你會獲得一些啟示。

一個關(guān)于PC主板的故事

在1985年，PC芯片組出現(xiàn)了33MHz的總線;Massa當(dāng)時接到一家本地PC主板制造商的電話，說他們的新主板不會動了。IC供貨商的參考設(shè)計是可以運作，但這家公司做了客制化的產(chǎn)品外形;而Massa注意到，他們在零組件之間的繞線，讓PCB走線出現(xiàn)很多尖銳的角度。

他還發(fā)現(xiàn)有幾個關(guān)鍵訊號被放在大型回路，電路板上還有很多通孔;那些小洞是讓走線能從電路板正面轉(zhuǎn)到背面。那家公司表示，他們的PCB是找美國科羅拉多州的某個人設(shè)計的，費用很便宜而且速度很快，只要一、兩天就能完成。Massa很禮貌地告訴他們，其實那種布線是用自動化軟件工具做的，因此永遠(yuǎn)無法讓跑33MHz訊號的電路板成功運作。

自動繞線工具很容易出錯，早期的PCB軟件只能確保訊號到接腳的電流連接，不會考慮高速訊號需要較短走線，該先布置所需通孔，或是因為通孔、線寬變化導(dǎo)致的阻抗不匹配等等問題，最后導(dǎo)致整個PCB設(shè)計失敗。

一個關(guān)于視訊芯片的故事

在1995年，我有個老兄弟是在一家視訊芯片公司工作，遇到了跟前面一樣的狀況──參考設(shè)計沒問題，但他們有個臺灣的大客戶抱怨他們家的芯片無法在新PCB上運作;而該PCB設(shè)計也是有類似的布線錯誤。

那家視訊芯片公司面臨兩個選擇，一個是坦白指出客戶的設(shè)計有問題請他們重做，二是讓他們自己的視訊芯片做個便宜的金屬光罩修改，以彌補客戶的不良PCB布線;后來他們選了第二種方法，客戶當(dāng)然很開心、覺得自己永遠(yuǎn)是對的，而且對于那家視訊芯片公司寄給他們能順利運作之新芯片的客戶服務(wù)十分滿意。

我那位朋友說，這對一家半導(dǎo)體公司來說是明智的策略;IC業(yè)者應(yīng)該是為自家的芯片導(dǎo)入IP，而不是花錢教自己的客戶怎么設(shè)計。你可以在芯片內(nèi)做些改變，反過來向客戶收錢。

一個關(guān)于F-16戰(zhàn)斗機的故事

筆者曾參與F-16戰(zhàn)斗機的雷達(dá)干擾裝置設(shè)計，了解到有些公司可能也遭遇過的系統(tǒng)性PCB問題;電路板布線被認(rèn)為是機械工程任務(wù)，因此我們的電子工程師把電路圖丟出來，讓其他部門去做電路板布線工作。

我拿到的電路板上有非常高速的發(fā)射耦合邏輯(ECL)振蕩器，但該8層電路板原型無法運作;因為有非常充足的電路板層面空間，我很疑惑他們到底是怎么把設(shè)計搞砸的。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，機械工程師為了簡化位于所有零件下方的鋁制散熱器設(shè)計，是按照形狀來安排零組件位置的;那顆ECL芯片位于電路板左上方，電阻被放在中間，晶體振蕩器則在右下角，距離ECL芯片整整8肌

從那時候我們都會確保機械工程師在進(jìn)行PCB上的零組件布置時，旁邊有坐一個電子工程師，而且會在準(zhǔn)備制造之前審查整個布局(圖2)。

圖2 F-16戰(zhàn)斗機的雷達(dá)干擾裝置PCB，在所有的零組件下方有一個鋁制散熱器;千萬別讓機械工程師為了散熱器設(shè)計而自作主張布局PCB，以免犧牲電子能。

一個關(guān)于電源供應(yīng)器的故事

我在1998年為HP擔(dān)任顧問時，曾在設(shè)計中用了一顆凌力爾特(Linear)的SEPIC轉(zhuǎn)換器芯片LT1513IR;我看了產(chǎn)品規(guī)格表，還跟與我接洽的Linear應(yīng)用工程師Jon Dutra說，他們公司規(guī)格表里面的布線圖有錯。好啦…別笑了，我那時候還年輕、有點蠢。

現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)到微軟(Microsoft)工作的Dutra很有耐心地看了規(guī)格表里的應(yīng)用實例部分，并解釋為何他們建議用那樣的方式來布署轉(zhuǎn)換器。我有幾個好朋友是從Linear退休的，他們都對我保證，很多客戶都是該公司組件的忠實愛用者，因為他們的應(yīng)用工程支持能幫客戶把錯的設(shè)計變成對的;而我用Linear建議的方式布署那顆SEPIC，第一次繞線就成功(如圖3)。

圖3 這是自動測試設(shè)備的PCB，因為事先了解過那顆SEPIC轉(zhuǎn)換器(以紅框標(biāo)示)，我的設(shè)計第一次就成功。

一個關(guān)于掌上電腦的故事

我在一家掌上電腦公司工作時，曾犯過一個錯誤，用SPECCTRA軟件工具進(jìn)行一片12層PCB的自動繞線(圖4);我那時覺得SPECCTRA超有智慧(而且很貴)，應(yīng)該可以不需要人為監(jiān)督或干預(yù)，讓它自動繞線。

在PCI總線無法運作時，我們做了一個夾具來探測PCI總線上的每一個訊號;它們都在那里，時序也收斂了，但顯然收斂得不夠、無法與掛在總線上的芯片共同運作。而且那是一個沒有連接器的總線，只有長度約4或5甲呦…我再也不信任沒有人為監(jiān)督的自動布線器了，永遠(yuǎn)都不會!

圖4 這片掌上電腦的12層電路板原型看起來很厲害，但是因為自動布線器搞砸了PCI總線的時序，根本無法運作。

一個關(guān)于消費性DVD播放器的故事

我在某家半導(dǎo)體公司任職時，做的是驅(qū)動PC用DVD刻錄機內(nèi)雷射頭的芯片;我看了一眼某客戶設(shè)計的軟性電路板原型，就知道他們?nèi)狈Ω咚倩蛏嵩O(shè)計方面的經(jīng)驗，畢竟他們之前做的CD刻錄機數(shù)據(jù)速率比較低，而且用的芯片不會產(chǎn)生太多熱度。而我們花了大半年的時間教客戶該怎么設(shè)計他們的PCB(圖5)。

圖5 DVD刻錄機的雷射驅(qū)動器軟性電路，需要具備PC主板或是其他高速、對溫度敏感之設(shè)計的專業(yè)經(jīng)驗。

你可以尋求幫助!

不要輕忽你的PCB設(shè)計，要非常注意組件規(guī)格表的建議;半導(dǎo)體廠商的應(yīng)用工程師能給你很多幫助。但要注意的是，半導(dǎo)體廠商的應(yīng)用工程師是IC專家，不是系統(tǒng)工程師，因此他們今天可能會告訴你，把模擬與數(shù)字接地面分開，再以模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)芯片來鏈接;但他們不會告訴你如果板子上有5顆ADC該怎么辦。

要進(jìn)一步了解PCB設(shè)計訣竅，有很多訓(xùn)練課程、技術(shù)研討會可以參加，專業(yè)的資深工程師會教你如何妥善利用零組件布置與繞線規(guī)則，讓你的設(shè)計避免產(chǎn)生噪聲或是對噪聲敏感;你也可以透過學(xué)習(xí)確保你的設(shè)計有良好的訊號與電源完整性。

如果你不希望你的產(chǎn)品設(shè)計是七零八落或是問題重重，絕對需要去學(xué)習(xí)所有關(guān)于PCB設(shè)計與制造的知識，那是你的產(chǎn)品設(shè)計基礎(chǔ)，就像是房子的地基一樣，沒有人希望它搖搖晃晃!