超強(qiáng)PCB布線設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)談【附原理圖】(一)
自動(dòng)布線的優(yōu)缺點(diǎn)以及模擬電路布線的注意事項(xiàng)
設(shè)計(jì)PCB時(shí),往往很想使用自動(dòng)布線。通常,純數(shù)字的電路板(尤其信號(hào)電平比較低,電路密度比較小時(shí))采用自動(dòng)布線是沒(méi)有問(wèn)題的。但是,在設(shè)計(jì)模擬、混合信號(hào)或高速電路板時(shí),如果采用布線軟件的自動(dòng)布線工具,可能會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題,甚至很可能帶來(lái)嚴(yán)重的電路性能問(wèn)題。
例如,圖1中顯示了一個(gè)采用自動(dòng)布線設(shè)計(jì)的雙面板的頂層。此雙面板的底層如圖2所示,這些布線層的電路原理圖如圖3a和圖3b所示。設(shè)計(jì)此混合信號(hào)電路板時(shí),經(jīng)仔細(xì)考慮,將器件手工放在板上,以便將數(shù)字和模擬器件分開放置。
采用這種布線方案時(shí),有幾個(gè)方面需要注意,但最麻煩的是接地。如果在頂層布地線,則頂層的器件都通過(guò)走線接地。器件還在底層接地,頂層和底層的地線通過(guò) 電路板最右側(cè)的過(guò)孔連接。當(dāng)檢查這種布線策略時(shí),首先發(fā)現(xiàn)的弊端是存在多個(gè)地環(huán)路。另外,還會(huì)發(fā)現(xiàn)底層的地線返回路徑被水平信號(hào)線隔斷了。這種接地方案的可取之處是,模擬器件(12位A/D轉(zhuǎn)換器MCP3202和2.5V參考電壓源MCP4125)放在電路板的最右側(cè),這種布局確保了這些模擬芯片下面不會(huì)有數(shù)字地信號(hào)經(jīng)過(guò)。
圖3a和圖3b所示電路的手工布線如圖4、圖5所示。在手工布線時(shí),為確保正確實(shí)現(xiàn)電路,需要遵循一些通用的設(shè)計(jì) 準(zhǔn)則:盡量采用地平面作為電流回路;將模擬地平面和數(shù)字地平面分開;如果地平面被信號(hào)走線隔斷,為降低對(duì)地電流回路的干擾,應(yīng)使信號(hào)走線與地平面垂直;模擬電路盡量靠近電路板邊緣放置,數(shù)字電路盡量靠近電源連接端放置,這樣做可以降低由數(shù)字開關(guān)引起的di/dt效應(yīng)。
這兩種雙面板都在底層布有地平面,這種做法是為了方便工程師解決問(wèn)題,使其可快速明了電路板的布線。廠商的演示板和評(píng)估板通常采用這種布線策略。但是,更為普遍的做法是將地平面布在電路板頂層,以降低電磁干擾。
圖1 采用自動(dòng)布線為圖3所示電路原理圖設(shè)計(jì)的電路板的頂層
圖2 采用自動(dòng)布線為圖3所示電路原理圖設(shè)計(jì)的電路板的底層
圖3a 圖1、圖2、圖4和圖5中布線的電路原理圖
圖3b 圖1、圖2、圖4和圖5中布線的模擬部分電路原理圖
有無(wú)地平面時(shí)的電流回路設(shè)計(jì)
對(duì)于電流回路,需要注意如下基本事項(xiàng):
1. 如果使用走線,應(yīng)將其盡量加粗
PCB上的接地連接如要考慮走線時(shí),設(shè)計(jì)應(yīng)將走線盡量加粗。這是一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則,但要知道,接地線的最小寬度是從此點(diǎn)到末端的有效寬度,此處“末端”指距離電源連接端最遠(yuǎn)的點(diǎn)。
2. 應(yīng)避免地環(huán)路
3. 如果不能采用地平面,應(yīng)采用星形連接策略(見圖6)
通過(guò)這種方法,地電流獨(dú)立返回電源連接端。圖6中,注意到并非所有器件都有自己的回路,U1和U2是共用回路的。如遵循以下第4條和第5條準(zhǔn)則,是可以這樣做的。
4. 數(shù)字電流不應(yīng)流經(jīng)模擬器件
數(shù)字器件開關(guān)時(shí),回路中的數(shù)字電流相當(dāng)大,但只是瞬時(shí)的,這種現(xiàn)象是由地線的有效感抗和阻抗引起的。對(duì)于地平面或接地走線的感抗部分,計(jì)算公式為V = Ldi/dt,其中V是產(chǎn)生的電壓,L是地平面或接地走線的感抗,di是數(shù)字器件的電流變化,dt是持續(xù)時(shí)間。對(duì)地線阻抗部分的影響,其計(jì)算公式為V= RI, 其中,V是產(chǎn)生的電壓,R是地平面或接地走線的阻抗,I是由數(shù)字器件引起的電流變化。經(jīng)過(guò)模擬器件的地平面或接地走線上的這些電壓變化,將改變信號(hào)鏈中信 號(hào)和地之間的關(guān)系(即信號(hào)的對(duì)地電壓)。
5. 高速電流不應(yīng)流經(jīng)低速器件
與上述類似,高速電路的地返回信號(hào)也會(huì) 造成地平面的電壓發(fā)生變化。此干擾的計(jì)算公式和上述相同,對(duì)于地平面或接地走線的感抗,V = Ldi/dt ;對(duì)于地平面或接地走線的阻抗,V = RI 。與數(shù)字電流一樣,高速電路的地平面或接地走線經(jīng)過(guò)模擬器件時(shí),地線上的電壓變化會(huì)改變信號(hào)鏈中信號(hào)和地之間的關(guān)系。
圖4 采用手工走線為圖3所示電路原理圖設(shè)計(jì)的電路板的頂層
圖5 采用手工走線為圖3所示電路原理圖設(shè)計(jì)的電路板的底層
圖6 如果不能采用地平面,可以采用“星形”布線策略來(lái)處理電流回路
圖7 分隔開的地平面有時(shí)比連續(xù)的地平面有效,圖b)接地布線策略比圖a) 的接地策略理想
6. 不管使用何種技術(shù),接地回路必須設(shè)計(jì)為最小阻抗和容抗
7. 如使用地平面,分隔開地平面可能改善或降低電路性能,因此要謹(jǐn)慎使用
分開模擬和數(shù)字地平面的有效方法如圖7所示
圖7中,精密模擬電路更靠近接插件,但是與數(shù)字網(wǎng)絡(luò)和電源電路的開關(guān)電流隔離開了。這是分隔開接地回路的非常有效的方法,我們?cè)谇懊嬗懻摰膱D4和圖5的布線也采用了這種技術(shù)。
評(píng)論