浅谈PCB的设计

对电子相关行业的从业人员来说，设计并制作PCB是一个重要课题。在这个过程中，你有可能面对现代电子学中最困难的挑战。即使是经验丰富的工程师，也许会在几周或者几个月内面对类似过热或者产品不稳定或者电磁干扰这些看似简单的故障而绞尽脑汁。实践表明，合理的PCB设计可以解决很多看似令人绝望的问题。虽然PCB设计类的书籍汗牛充栋，数不胜数，但多数是学院派闭门造车的产物，对实际工程应用帮助不大。坐而论道不如起而行，实践表明，人们从错误中学习到的东西往往比从正确中学到的多得多。这就是人们常说的“吃一堑，长一智”。对我来说，犹为如此。既然对现行PCB设计类书不满意，我就试图自己总结。古代的圣贤曾经教诲过我们应该“当仁不让”，所以现在只好由本人来勉为其难，以抛砖引玉。
1 原理图的大谎言——论PCB的布局
电子工程师奉为圭的电路原理图，在现实中并不总是得到如你所愿的结果，如下图：


      从上图动态分析演示可以得出以下结论：最好将下方的电阻的下端接至变换器的地，上方电阻的上端直接接至负载。这样的结构可以更好的获得负载调整率。
任何残留误差都完全是由接地走线采用接地层的电阻压降造成的，因此，如果将地增强（如加粗走线， 采用接地层等），负载调整率将接近理想值。输出导线的电阻值将不在影响输出电压。

2电源与地间的走线电感与布局：
作为电路中的重要一员，MOSFET在DC to Dc的供电设计中大量使用。MOSFET的驱动级信号通常由IC内部的驱动级产生，故MOSFET的源级应接至IC的接地端。然而，MOSFET的实际表现并非由施加在栅极与地（无论这个地在哪里）间的电压所决定，而取决于栅极与源级间电压，即Vgs。
有鉴如此，如果源级与地间走线过长，在开关转换瞬间会产生较大的电感反冲（开关频率越高，反冲越大），其后果轻则降低开关转换速度，严重时会使MOSFET错误的开通与关断，损坏MOSFET。


3 从回流路径看接地层
很早以前，我的几何老师告诉我：两点之间，直线最短。在数学中也许如此，在电子学中未必，注意到电流在不同环境下的回流路径对我们自身的PCB设计有极大帮助。如下图：

如果电流为直流，它将选择电阻最小的路径，如果频率非常高，返回电流将选择电感最小的路径，对于中频，则在两者之间的某条路径。
因此，地线回路规则是：环路最小规则，即信号线与其回路构成的环面积要尽可能小，环面积越小，对外的辐射越少，接收外界的干扰也越小。针对这一规则，在地平面分割时，要考虑到地平面与重要信号走线的分布，防止由于地平面开槽等带来的问题；在双层板设计中，在为电源留下足够空间的情况下，应该将留下的部分用参考地填充，且增加一些必要的孔，将双面地信号有效连接起来，对一些关键信号尽量采用地线隔离，对一些频率较高的设计，需特别考虑其地平面信号回路问题，建议采用多层板为宜。如下图：



4 减小关键点的走线长度
   在手持通讯设备中，大量使用降压IC将有开关电源产生的5V或者12V转换为模块所需的3.8V，3.3V，1.8V，1.25V等等逻辑电压。如下图：
上图为开关导通时的电流走线（阴影段,下同），中图为开关关断时电流走线，下图为开关导通和关断期间走线的变化，反映了转换时发生了什么，即电流的突然流过或者消失。若是高频通过，根据V=LdI/dt，L上将产生致命的尖峰，这些干扰将最终进入IC中，引起错误的控制信号或者功能紊乱。因此，减小L的长度很重要。于此类同，对升压电路也同样适用。

5注意与邻近电路的相互影响
邻近电路会产生磁场，造成电路相互影响。在设计时，最容易犯的错误是试图将多个DC-DC变换器并联接至同一输入，如图上部分。这种连接方式下，变换器A不会从变换器B的输入电容上获取电流。图的下部分是如何避免这种现象。更好的方法是在每个变换器的输入端接入小型LC滤波器。

            



参考文献：
1 【美】Sanjaya  Maniktala开关电源故障诊断与排除 北京：人民邮电出版社 2012
2  华为PCB设计规范