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【EDA经验分享】高端PCB设计：散热设计+螺旋形走线

2015-1-8 15:26:03 4240

0 PCB的设计布局布线实际上是一门很复杂而且大部分靠经验来做的学问，很多东西也有点玄乎，但有很多经验性的结论和公式还是可以参考的保证原创，一天不一定写的完 CH.1 更加严重的电磁干扰首先基本上微电子发展趋势永远是集成化程度越来越高，不可避免带来元器件密度很大，而前十几年出现的SMT（Surface Mounted Technology）和COB（Chip on Board）技术和SMC/SMD/裸片的出现，给了继续提高集成度的可能。 [/url] 一个典型的贴片机 [url=http://images.cnitblog.com/blog/337520/201404/211738166709786.jpg] SMD热敏电阻，体积是普通电阻的十几分之一但随之而来的，就是比普通集成电路更为严重的元器件之间相互的电磁干扰当然实际中不仅如此，红外炉再流焊是一种常用的SMT焊接技术，但元器件的布局又会影响焊接质量，加之射频电路的EMC又要求每个模块都尽量不产生电磁辐射，并且具有相当的抗EMI能力。而且根据经验，射频电路的性能还会与CPU处理板相互影响，因此在PCB设计的时候，会更加棘手。但一般来说，设计的时候都有以下要求 ·所有的元器件尽可能同一方向排列，避免互相干扰，同时要注意PCB进入熔锡系统的方向，，以免出现虚焊漏焊 ·元器件至少要保留一定的空间，典型值为0.5mm ·通常来说，双面板中SMD/SMC元件和分立元件要分两面放置当然这仅仅是很基础的一些方面，通常来说，强电信号和弱电信号必须分开，模拟和数字信号也要分开。还有一个基本常识是要求完成同一功能的电路尽可能安排在一起，至少不能离的很远，以减小信号环路面积，防止劣化。对于有些对电磁干扰敏感的元件（比如传感器）要按照敏感程度来区分，尽量避免板上干扰源 PCB来自motorola公司的MOTO X [/url] [url=http://images.cnitblog.com/blog/337520/201404/211738178413329.jpg] 来自海力士的内存，注意SMD电容/电阻的布局和方向。 [/url] 来自高通公司的 WCN3680 802.11ac Combo Wi-Fi/Bluetooth/FM芯片，会产生较大电磁泄露，因此设计人员给予单独的屏蔽罩，并且单独放置在PCB的一边，进一步减小对于其他电磁敏感元件的影响。 [url=http://images.cnitblog.com/blog/337520/201404/211738188263927.jpg] 带有德州仪器标志的是C55x系列DSP芯片棕红色是Codec，音频编解码器红色NXP TFA9890 D类音频放大器之后用一个屏蔽罩做EMI屏蔽。这几个部件功能都是接近，都是负责音频处理，所谓的信号环路最小原则，与射频部分和CPU模块的距离也明显更远。摩托罗拉和诺基亚是少数几个能设计出教科书式的PCB设计厂家更为广泛来说，屏蔽罩是一个麦克斯韦笼，这是最为简单也是最为有效的一种方法，缺点是会增加成本，不仅仅是物料，代工厂的收费是以加工时间为度量，加工时间长则收费高，因此也有部分厂家不愿采用。如果在部分情况下，不可能使用屏蔽罩，也有一些方法来解决，最为常见的是增加滤波/抗干扰电路，并且加强对于电源的去耦，优化地线电源线的布局等，但这种方法一般来说，会增加电路的复杂程度，并带来通常意料不到的问题。通常来说，PCB的设计第一步是根据实际情况选择PCB的形状，下一步就是层（layer）的设置，层设置不合理的结果是毁灭性的，通常PCB的层又分为电源层、底线层和信号层，而层的选择中，层的相对位置、地平面/电源的分割、PCB的布线、接口电路的处理又有这非常大影响。层的选择第一步是层数，层数的选择不宜太多也不宜太少，太多则信号线过于密集，成本太高；太少则不能达到设计要求，对于电磁兼容的要求，通常也是比较好的方式是通过适当的增加地平面来解决。对于电源层一般需要解决多种电源/电源的供电问题，需要内电层分割。信号层则比较复杂，（走线问题单独介绍）首先就是走线密度，太密则相互串扰，太疏则信号线不够，并且重要信号譬如时钟和复位信号需要单独屏蔽和隔离。在考虑过层数量问题孩子后，就是层排列，也有部分基础原则： ·电源平面与相应地平面相邻：由于电源和地本身存在自阻抗，可以形成耦合电容，这个时候在PCB板上设置退耦电容，可以达到去耦的效果，降低电源阻抗，相当于滤波。 ·相邻层的信号不要跨分割区，就是信号环路最小原则。 ·关键信号（高频高速或者时钟）要于地平面相邻，可减少电磁泄露，也相当于地给信号做屏蔽。比较常见的6层PCB布局方案： [/url] CH.2 越来越难的散热设计对于常规的PCB来说，一般来说散热遵循常规是热点分散原则，即「发热最大的器件放置在最佳散热位置」，并且减小元件与板之间的热阻。但这种方法近年来却逐渐表现疲软，尤其是在手机上，归根结底，虽然工艺更好，算法更好，平台功耗只升不降，所以也逐渐有其他方法来解决。一般来说，在设计散热的时候的大致思路是估计发热器件的功耗，估算其需要的面积，在这个面积中不能放置其他发热元件，随后才是设计散热。在手机中，发热器件除了CPU、RAM之外，大部分都是功放、收发器、基带处理器、电源管理芯片、电压芯片以及DC-DC电感，其中功放、CPU、基带处理器都是发热大户。在这里首先要知道的一个经验值是自然对流冷去的热流密度为0.8mW/mm²，即对于芯片来说，每平方毫米单纯靠空气对流可以对应0.8mW所带来的热量。以这个值做参考，计算大概需要的面积（芯片功耗可在datasheet中查找，厂家是一定会给的）。随后就是放置元件，一般来说，发热旗舰不应该放置在PCB的边缘和角落放置，更不该在其背面放置发热器件。 Samsung Galaxy SII i9100 [url=http://images.cnitblog.com/blog/337520/201404/211738199357254.jpg] 不太成功的设计，发热器件过于集中 [/url] LG E960 Nexus 4 应该是最早的「中框散热+三层」式设计，如今这个设计被比较广泛的采用，尤其是发热较大的设备。这个设计在vivo xplay、MX3、米3都能看出一点影子来 CH.3 还是要靠人的走线 [url=http://images.cnitblog.com/blog/337520/201404/211738216072710.jpg] PCB的走线如果说全让人来做，几乎是不可能的事情。所幸现在EDA和CAD的功能越发强大，但一般来说，计算机设计出来走线，通常只是「能用」而已，与「优秀」还有一定的距离。通常而言，走线的最基本要求是「不相容信号尽可能相互远离」的原则，即数字模拟、高速低速、强电弱电、高压低压之间尽可能远离，同时「避免长距离平行走线」，以防耦合。对于信号线，一般不允许出现分支，这样通常会破坏导线特性阻抗的一致性，并且在分叉点产生谐波和发射（类似于河流中的漩涡），使得信号辐射出去，带来更多问题。另一个更加基本的原则是「135°」原则，即信号线在走线的时候拐角不能采用90°直角转弯，这样会产生寄生电容，对于高速高频电路和数字电路影响尤为严重，会减缓上升时间、造成信号的反射、产生EMI，所以基本看任何一个PCB，走线都大概如此： [/url] （图中另一种常见走线方式是蛇形走线，这种走线作用是用来调节延时，满足系统时序设计要求，在数字电路中非常常见，但没有滤波或抗干扰的能力，只可能降低信号质量，因此近年多采用螺旋形走线） [url=http://images.cnitblog.com/blog/337520/201404/211738230766695.jpg] 螺旋形的走线是上图右侧 5
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