淺談ＰＣＢ元器件布局與布線策略

[摘要]本文對最常用的單、雙面PCB元器件布局結構和布線策略的一些問題進行了較為詳細的探討，指出元器件布局的基本要求以及應注意的一些事項，介紹了PCB元器件布局的基本操作流程、布局方式和PCB線路布線策略的一些實際問題，強調了元器件布局在PCB設計過程中的重要性，并重點分析了PCB接地系統、電磁干擾(EMI)及噪聲等比較難解決的問題。

[關鍵詞]PCB布局結構 布線策略 地平面 EMI

當設計者規劃好PCB機械尺寸并根據電路原理圖載入元器件封裝后，關鍵的問題是如何合理布局元器件和正確選擇布線方向。合理的布局和布線，既便于安裝、調試、檢修和散熱，又可降低電磁干擾(EMI)的可能性及系統環路產生的噪聲。

盡管多層板在尺寸、噪聲和性能方面具有優勢，但成本壓力促使設計者采用雙面板，甚至大量使用單面板。因此本文著重討論單、雙面PCB元器件布局結構及布線策略。

一、PCB元器件布局

(一)PCB元器件布局的基本要求

PCB元器件布局應從機械結構、散熱、電磁干擾(EMI)、結構工藝和將來布線的方便性等方面來綜合考慮。對于一塊規劃好的PCB，設計者首先應考慮的是與機械尺寸有關、體積大且占位置的元器件和核心IC的布局，然后考慮的才是外圍元器件的布局與調整。

1、機械結構方面

外部接插件、內部接插件、功率散熱器件、感性線圈和顯示器件等機械尺寸較大的元器件的安裝位置及排列應符合機箱布局的要求，而且還應該從三維角度考慮元器件的安放位置，在內部接插件的放置上應考慮總裝時機箱內線束的美觀和通風。

2、散熱方面

主要考慮發熱量較大的功率元器件的通風問題，有的甚至要求加裝軸流風機(外吹型)。布局大功率器件時應注意與電解電容、晶振等一些怕熱的元器件隔開一定的距離，而且最好將這些發熱量大的元器件放在機箱通風口附近的PCB處，還應注意在雙面板放置元器件時底層不得放置發熱量較大的元件。

3、電磁干擾(EMI)方面

應充分考慮電感、電容、導線束、布線等相互產生的電磁干擾(EMI)問題。因此應將所有導線的長度盡可能縮短，把模擬電路和高速數字電路、開關電源、繼電器、大功率開關器件等合理地分開，讓它們相互的耦合干擾減至最小。

4、結構工藝方面

對于單面板，插件元器件一律放在頂層；對于雙面板，元器件一般放在頂層，但有時根據設計的特殊需要，亦可將一些發熱量小，如貼片電阻、貼片電容、貼片晶體管和貼片IC等元器件放置在PCB的底層。從印制板整體美觀、方便生產制造、安裝、調試和檢測等方面還要求設計者將同一種類的元器件排列，使之分布合理和均勻，比如，可將電阻、電容和IC等元器件進行水平、垂直方向的整齊排列，力求達到整齊美觀、結構嚴謹的工藝要求。

(二)PCB元器件布局時應注意的一些問題

PCB元器件布局除了要滿足設計的基本要求，在具體設計過程中還需要注意以下幾個方面：

1、在對混合信號電路進行布局時應將數字開關動作器件和模擬信號電路隔離，防止數字電路中的電流開關效應產生的開關噪聲進入模擬電路。

2、對于具有高速信號的電路，高頻元器件要與低頻電路分開，并且高頻電路要靠近電路板的接插件。

3、外部接插件最好布局在電路板的邊緣，以方便安裝和布線。

4、對于單片機等微處理器的晶振應緊靠單片機IC時鐘腳的輸入端。

5、關鍵元器件旁邊的去耦電容應緊靠元器件的電源輸入端。

6、元器件布局不但要求整齊、美觀，而且元件封裝標號也不能雜亂無章，以方便安裝、調試和檢測。

7、IC片的方向應保持一致，以方便日后的裝配。

(三)PCB元器件布局的基本流程

雖然EDA軟件能夠對元器件進行自動布局，但是結果往往不盡如人意，有時甚至根本無法滿足設計者的要求。因此，元器件布局一般遵從手動布局與自動布局相結合的原則，一般來說，元器件布局可以按此流程操作：核心元器件的手工布局及鎖定—元器件的自動布局一手動調整元器件—元器件封裝標注的調整－元件密度分析－3D效果預覽。

(四)自動布局與手動布局相結合的交互布局方式

1、自動布局方式

自動布局是指EDA按照設計者預先設定的某些布局規則進行布局，而電路設計的一些基本常識往往被忽略。最簡單的例子是常常把外插件放在PCB的中間，去耦電容沒有緊靠元器件的電源輸入端和接地端，形成回路過長，降低了濾波效果。因此通過EDA的自動布局不能達到理想的效果。雖然元器件的自動布局在電路的實際操作中存在弊端，但它是在綜合多方面布局規則下完成的一種優化，在多數情況下亦存在許多可取之處，故在某些場合下也常常采用。

2、手工布局方式

手工布局時，設計者可以根據實際電路工作和裝配的需要，以設計者的意愿進行元器件的布局，所生成布局結構更加符合實際應用的需要，也有利于后面的布線工作。對于一個有特殊設計要求的電路來說，手工布局能百分之百按照設計者的意圖進行，而自動布局一般無法達到設計者的意愿。手工布局存在的不足之處是速度慢、效率低，所耗費的精力和時間比自動布局多得多，并且還依賴于設計者的學識、實際工作經驗和靈感，要求設計者有很強的全局觀念。因此，手工布局無法保證最好，只能保證最實用。

3、交互布局方式

根據自動布局和手工布局的優缺點，在實際工作中，從全局的角度出發，設計者如果把二者有機地結合起來，布局效果一般都很理想。具體的方法是：先對一些體積較大、關鍵的核心元器件進行手工布局并鎖定，再進行自動布局，最后進行手工調整(包括元器件封裝標號的調整)。這樣既可以充分利用自動布局的優點，實現相對最優的高效率布局，又可以滿足電路中某些特殊布局的要求。 在手工布局階段，需要進行手工布局及鎖定的元器件一般有：

(1)與機械尺寸和裝配有關的元器件，如變壓器、接插件等。

(2)體積較大且占位置的元器件，包括一些帶散熱片的功率件。

(3)發熱量大的元器件。

(4)核心的元器件，如核心IC等。

(5)高頻時鐘電路(晶振)。

(6)對電磁干擾敏感的元器件，如電感線圈等。

(7)熱敏、光敏等敏感元器件。

手工調整元器件布局和封裝標注后設計者還可以借助EAD輔助工具進行密度分析和3D效果預覽，如果覺得不合理，還可以進行適當的修改，力求做到最完美。

二、PCB布線策略

(一)設置布線規則的重要性

PCB元器件布局結束后，就可以對電路板進行布線工作了。電路板的布線方式有兩種：自動布線和手工布線。不同的電路，布線要求一般是不同的，就算是同一塊電路板，不同的網絡其布線大小和方向也不同。比如，電源線和電源接地線通過的電流較大，布線要求較寬、回路要短；耦合或邏輯電路只用于傳輸信號，因此布線相對可以細些；為了提高電路的抗干擾性能，導線的拐角處應采用鈍角或圓角過渡。為了滿足這些要求，布線之前一般需要對布線規則進行設置。布線規則設置是否合理，將直接影響自動布線的質量和成功率，而且也對手工布線產生較大的影響，設置布線規則的選項有很多，這里就不一一詳述了。

(二)自動布線的優缺點以及手工布線的設計準則

EDA軟件在PCB的自動布線上引入了人工智能技術，拓撲邏輯自動布線技術是最新一代的自動布線技術。運用自動布線一般能夠根據布線規則完成線路的布通，所以設計者一般會使用自動布線。通常信號電平比較低、電路密度比較小的數字電路采用自動布線是沒有問題的。但是在設計模擬電路、混合信號或高速電路時，如果采用EDA軟件的自動布線工具，就可能會出現一些較嚴重的電路性問題。比如存在多個地環路，或者出現地線返回路徑被水平信號線隔斷的情況。

采用手工布線可以克服上述弊端，但是在進行手工布線時，為確保正確布置電路，需要遵循一些通用的設計準則：盡量采用地平面作為電流回路；將模擬地平面和數字地平面分開；如果地平面被信號走線隔斷，為降低對地電流回路的干擾，應使信號走線與地平面垂直；模擬電路盡量靠近電路板邊緣放置，數字電路盡量靠近電源連接端放置，這樣做可降低由數字開關引起的di/dt效應，因而能有效地降低電磁干擾引起的噪聲。

(三)地平面或地線電流回路設計時應注意的問題

一塊PCB的設計成功與否，地平面或地線的布線是關鍵。在對地平面或地線進行布線時，應注意以下幾個問題。

1、PCB上的接地連線如要考慮走線，設計時應將走線盡量加粗，讓接地回路阻抗最小，這是一個很好的經驗法則。

2、應避免地環路。電源線和接地線要進行合理配合(比如可以將VCC與GND并行走線)，盡量減少地環路的面積，實踐證明環路面積越大電壓噪聲就越嚴重，環路面積越小輻射干擾噪聲就越低。

3、如果不能采用地平面作為電流回路，應采用星形連接策略，即所謂的一點接地方式。通過這種方法，地電流獨立返回電源連接端，避免互相的環路干擾。

4、數字電流不應流經模擬器件，因為數字器件開關時，回路中的數字電流相當大，而且是瞬時的，故很容易在模擬電路中產生電磁干擾，這種現象是由地線的有效感抗和阻抗引起的。地平面或地線的感抗部分的計算公式為v=Ldi/dt，其中v是感應的電壓，L是地平面或接地走線的感抗，di是數字器件的電流變化，dt是持續時間。對地線阻抗部分的影響，其計算公式為V=RI，其中，V是感應的電壓，R是地平面或接地走線的阻抗，I是由數字開關器件產生的平均電流值。經過模擬器件的地平面或接地走線上的這些電壓變化，將改變信號鏈中信號和地之間的關系(即信號對地電壓)，所以布地平面或地線時應將數字地和模擬地徹底分開。

5、高速電流不應流經低速器件，因為高速電路的地返回信號也會造成地平面或地線的電壓發生變化。此干擾的計算公式和上述相同，與數字電流一樣，高速電路的地平面或接地走線經過模擬器件時，地線上的電壓變化也會改變信號鏈中信號和地之間的關系。

(四)地平面或地線布線難題的簡單解決辦法

數字電路的布線基本上和模擬電路相同，但有一點除外，就是要使數字信號線和地平面中的回路盡量遠離模擬電路。這一點可以通過如下方法來實現：將模擬地平面單獨連接到系統地連接端，或者將模擬電路放置在電路板的最遠端，也就是線路的末端。這樣做是為了保持信號路徑所受到的外部干擾最小。對于數字電路就不需要這樣做，數字電路可容忍地平面上的大量噪聲，而不會出現問題，所以數字電路可以采用大面積接地方式(即大面積覆銅)。

(五)模擬電路的純手工布線方式

雖然EDA的自動布線有強大的功能，但是對于較為復雜的模擬電路，電路板的自動布線結果往往不能令人滿意。一方面，在模擬電路中分立元件比較多，造成元器件之間的連線比較復雜。另一方面，模擬電路常常有大電流信號傳輸，較長迂回曲折的導線必然導致較大的線路壓降，并且容易對附近的電路產生電磁干擾。在進行自動布線時往往因為布線路徑迂回，對于模擬電路十分不利。

因此對于復雜的模擬電路，通常采用純手工布線方式。在布線過程中，一邊進行元器件的布局一邊進行電路板手工布線來完成電路板的設計。對于有模塊的模擬電路，往往是先完成一個模塊的手工布局和手工布線，再繼續另一個模塊。這種布線策略易于修改，既可以根據布局來布線，又可以根據走線來布局，力求修改到最佳狀態。

(六)自動布線與手工布線相結合的交互布線方式

對于數字電路，通常采用自動布線和手工布線相結合的交互布線方式。所謂交互布線方式，就是在整個布線過程中，先對關鍵的網絡進行手工預布線，然后鎖定這些預布線，接著對剩余的網絡進行自動布線，最后對自動布線的電路進行手動調整及修改，使電路布線盡可能地完美。

采用交互布線方式布線既可滿足特殊線路的設計要求，又能最大限度地利用強大的拓撲邏輯算法對布線進行優化，并且最后的手工調整更能剔除那些不合設計者意圖的線路，使布線更加人性化。

需要手工預布線的線路一般有：1、電源線和接地線。對電源線和接地線進行預處理時，預布線在電路板上不能穿插交錯，否則將造成部分區域的自動布線出現混亂，導致信號線繞的彎路特別長，這不僅影響電路板的整體美觀，而且在高頻電路中產生信號干擾，甚至使電路不能正常工作。所以對電源線和接地線進行預處理的基本原則就是使電源線和接地線容易到達元器件，并且整齊、美觀。2、時鐘電路和復位電路。PCB中如果存在時鐘電路、復位電路等容易受電磁干擾的元器件，在進行布線時還應該進行適當的預處理，具體的方法是在這些元件的背面放置整塊地平面。因此在自動布線前保留元器件底層的空間，在元器件的底層放置一塊較大的矩形填充，并進行鎖定，使自動布線不能從這些矩形塊中通過，布線結束后最好進行地覆銅或電源覆銅。

(責編 韋 微)