【PCB】四层电路板的PCB设计

1 布局
所谓布局就是把电路图中所有元器件都合理地安排在面积有限的PCB上。从信号的角度讲，主要有数字信号电路 板、模拟信号电路板以及混合信号电路板3种。在设计混合信号电路板时，一定要仔细考虑，将元器件通过手工方式摆放在电路板的合适位置，以便将数字和模拟器 件分开，如图l所示。

在安排PCB的布局过程巾，最关键的问题是：开关、按钮、旋钮等操作件以及结构件(简称“特殊元件”)等，必须事先安排到指定(合适)的位置上。放置好之 后，可以设置元器什的属性，将LOCK项选中，这样就可以避免以后的操作误将其移动；而对于其他元器件的位置安排，必须同时兼顾布线的布通率和电气性能的 最优化，以及今后的生产工艺和造价等多方面因素．所谓的“兼顾”往往是对设计工作人员水平和经验的挑战。

1.1 特殊元件的布局原则
①应当尽可能地缩短元器件之间的连线，设法减小它们的分布参数和相互之间的电磁干扰。那些易受电磁干扰的元器件不能挨得太近，输入和输出元件应尽量彼此远离。
②某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，因此应加大它们之间的距离，以避免放电而引起意外的短路；同时从安全的角度考虑，带高压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。
③对于质量超过15g的兀器件，应当使用支架加以固定后，再进行焊接。那些又大又重、发热量大的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上；且要考虑散热问题，热敏元器件应当远离发热元件。
④对于电位器、可凋电感线、可变电容器、微动开关等可调元件的布局，应考虑整机的结构要求。若是机内调节，则应放在印制板上方便调节的地方；若是机外调节，则其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。

1.2 普通元器件的布局
①按照电路的流程安排各个电路单元的位置，使布局便于信号的流通，并且尽量使信号能够保持一致的方向。
②以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应当均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上．尽量减少和缩短各器件之间的引线和连接。
③在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般情况下，电路应尽可能使元器件平行排列，不仅可以达到美观的效果，而且易于装焊和批量生产。
④位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm；电路板的最佳形状为矩形，其长宽比可为3：2或4：3。当电路板面尺寸大于200mm× 150mm时，应考虑电路板所承受的机械强度。若在实际设计过程中，开始时并不能确定PCB板所需的尺寸，则可以设计得稍微大一些。待PCB设计工作结束 后，可在protel DXP中选择Design→Board Shape→Redefine Board Shape操作，对原先的PCB进行适当的裁剪。

另外，根据本人的实际工作经验，若要对已有的电路板进行某些功能的扩充或缩减，需要重新设计新的PCB，则在实际布局时可以参照母板上的布局，通过手工方式将元器件安排在恰当的位置上；在布线过程中，再根据实际需要进行调整，以进一步提高布通率。

2 布线
布线是在布局之后，通过设汁铜箔的走线图，按照原理图连通所有的走线。显然，布局的合理程度将直接影响到布线的成功率，因而往往在布线的整个过程中，都需要对布局进行适当的调整。布线设计可以采用双层走线和单层走线；对于极其复杂的设计，也可以考虑多层布线方案。

在PCB设计中，布线足完成产品设计的重要步骤。可以这样说，前面各项准备工作都是为它而做的。PCB布线有单面布线、双面布线和多层布线。布线的方式有两种：自动布线和交互式布线。

在PCB设计中，设计人员往往希望能够采用自动布线的方式。在通常情况下，对于纯数字信号电路板(尤其信号电平比较低，电路板密度比较小时)采用自动布线 是没有问题的。但是，在设计模拟信号．混合信号或高速电路板时，如果也完全采用自动布线，可就要出问题了，甚至可能带来严重的电路性能问题。

目前，虽然已经有一些自动布线的工具功能非常强大，通常可以达到100％的布通率，但是整体外观效果不是很美观，有时连线排列杂乱无章，两个引脚之间的连线并不是最短(最优)路径。

对于电路相对比较复杂的设计，请尽量不要完全采用自动布线方式。建议在采用自动布线之前，首先采用交互式方式预先对那些要求比较严格的线进行布线。同时输 入端和输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰；两相邻层的布线要相互垂直，平行容易产生寄生耦合，这一约束条件可以在布线规则中添加。

自动布线的布通率，依赖于良好的布局。布线规则要预先设定，包括走线的弯曲次数、导通孔的数目和步进的数目等。一般先进行探索式市线，快速地把短线先连 通；然后再进行迷宫式布线，先把要布的线进行全局的布线路径优化，它可以根据需要断开已布的线，并重新布线，以改进总体效果。

在手工布线时，为了确保正确实现电路，需要遵循一些通用的设计规则：尽量采用地平面作为电流回路；将模拟地平面与数字地平面分开；如果地平面被信号线隔 断，那么为减少对地电流回路的干扰，应使信号走线与地平面垂直；模拟电路尽量靠近电路扳边缘放置，数字电路尽量靠近电源连接端放置，这样做町以减小由数字 开关引起的di/dt出效应。

3 PCB电路及电路抗干扰措施
抗干扰设计与具体电路有着密切的关系，也是一个很复杂的技术问题。这里结合在PCB设计过程中的经验做一些简单的介绍。

①电源线的设计。根据PCB电流的大小，尽量加粗电源线的宽度(在布线设计规则中，可以单独为电源线和地线的线宽做新的约束规则)，减少环路电阻，尤其要注意使电源线、地线的供电方向与数据、信号的传递方向相反，有助于增强抗噪声能力。
②地线的设计。地线既是特殊的电源线，又是信号线。除了要遵循电源线的设计原则外，还应做到：数字地与模拟地分开；若线路板上既有逻辑电路又有线性电路， 则应使它们尽量分开；低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地；高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而粗，高频元 件周围尽量用栅格状进行大面积地敷铜；尽量加宽电源和地线宽度，最好是地线要比电源线宽一些，它们的宽度关系是，地线>电源线>信号线。
③数字电路系统的接地构成闭环路，即构成一个地网，能提高抗噪声能力。
④数字电流不应流经模拟器件，高速电流不应流经低速器件。
⑤在电源地线之间加上去耦电容，以提高电源回路的抗干扰能力。

4 具体实例
以下实例是基于ARM、自主移动的嵌入式系统核心板的PCB设计。

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