最近看到 Zachariah Peterson 在2020年四月寫了一篇博客文章 The Great PCB Layout Rules of Thumb Debate Rages On[1] ，對(duì)于一些引起熱議的設(shè)計(jì)PCB的經(jīng)驗(yàn)法則進(jìn)行了討論。下面將文章摘錄如下。
如今，我仍然還能看到一些在20年前就常見的PCB布線的經(jīng)驗(yàn)法則，它們現(xiàn)在還被廣泛遵守和適用嗎？確切的答案是“也許吧”。一些關(guān)于PCB設(shè)計(jì)論壇中的 遵守/避免布線法則，使得PCB設(shè)計(jì)者在這些規(guī)則也許不適用的地方要么遵守，要么忽略他們。一些情況下，這未必造成電路板設(shè)計(jì)失敗。正像一些有經(jīng)驗(yàn)PCB設(shè)計(jì)者所說，電路板是出于偶然的機(jī)會(huì)恰好可以正常工作。
關(guān)于PCB設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)法則的討論并不是說他們是正確還是錯(cuò)誤，問題是這些討論往往缺乏應(yīng)用場合的針對(duì)性，這樣也使得規(guī)則的討論時(shí)長在論壇中被提起。本文希望將這些規(guī)則背后所適應(yīng)的場景講清楚，希望將不同的規(guī)則在什么時(shí)候適用，什么時(shí)候需要避免闡釋準(zhǔn)確。
01 PCB布線中
常用經(jīng)驗(yàn)法則
我們不用再費(fèi)周折，將一些常用到的PCB布線經(jīng)驗(yàn)法則抽絲剝繭，分析它們背后所適用的場景。
一、垂直布線
最近我在文章 The Case Against Orthogonal Trace Routing in Multilayer PCBs[2] 中已經(jīng)詳細(xì)討論過這個(gè)布線規(guī)則，下面將其中一些重要結(jié)論重新給出。垂直布線的規(guī)則是說在相鄰信號(hào)層的引線需要相互垂直，以減少相互之間互感引起的串?dāng)_。在高頻信號(hào)中，通過電容耦合產(chǎn)生的串?dāng)_占主要成分，在垂直引線之間產(chǎn)生電流尖峰。
▲ 圖1.1.1 你能在這個(gè)復(fù)雜的PCB中找到垂直布線嗎？反正我不能、
當(dāng)信號(hào)的變化沿時(shí)間，或者頻率較低（小于幾個(gè)GHz），相鄰信號(hào)層垂直布線件的耦合電容干擾小。在射頻（RF）頻段（幾十個(gè)GHz），引線間交織產(chǎn)生空穴諧振，沒有被地線包圍導(dǎo)體結(jié)構(gòu)會(huì)在一些特殊頻率點(diǎn)產(chǎn)生電磁諧振。此時(shí)即便引線間是垂直的，也會(huì)在它們之間引起強(qiáng)的串?dāng)_。
為了消除一切頻率點(diǎn)上的干擾，簡單有效的方法就是采用多層板，在信號(hào)層之間使用隔離層。在當(dāng)代信號(hào)高速變化的應(yīng)用中尤其重要。當(dāng)你對(duì)正交線之間耦合強(qiáng)度拿不準(zhǔn)時(shí)，你需要使用基本串?dāng)_仿真軟件對(duì)垂直引線進(jìn)行檢查，看它們之間的串?dāng)_是否在噪聲容忍范圍之內(nèi)。此時(shí)，你更需要對(duì)信號(hào)回流路徑進(jìn)行規(guī)劃，這在垂直布線中是一個(gè)主要的問題。
▲ 圖1.1.2 在先進(jìn)PCB設(shè)計(jì)中，幾乎不可能實(shí)現(xiàn)垂直布線
二、散熱過孔
這是一個(gè)經(jīng)典的“遵守/避免”法則，常常引起爭論。一些PCB設(shè)計(jì)者說他們從來不使用防止散熱過孔，并從未遇到焊接和組裝方面的問題。而另外一批人則堅(jiān)持防止散熱過孔需要在每一個(gè)平面相連的時(shí)候都需要使用。他們到底誰對(duì)呢？
▲ 圖1.2.1 在鋪底層上設(shè)計(jì)的防止散熱的焊接通孔
??他們的觀點(diǎn)分別適用于不同的場合。如果你手工焊接電路板時(shí)，你需要提高烙鐵頭的溫度以補(bǔ)償焊接過孔在銅層散熱帶來的焊接問題。但如果使用波峰焊接時(shí)，則需要使用防止散熱過孔來防止器件松脫、冷焊、立碑等現(xiàn)象，所以我建議你最好咬緊牙關(guān)堅(jiān)持使用防止散熱過孔設(shè)計(jì)。
三、直角布線
這個(gè)PCB布線法則也許最令人又愛又恨。如今我仍然看到很多PCB設(shè)計(jì)者堅(jiān)稱在任何時(shí)候布線都不能夠拐直角，理由也是五花八門。比如他們說電子在引線中運(yùn)動(dòng)時(shí)拐直角彎困難，但他們也不想想，在電路板上的所有過孔可都是與引線垂直的呀。還有些理由顯得比較靠譜，比如通過45°拐角可以減少引線長度，所有直角拐彎布線都需要倒角。還有的說直角拐彎會(huì)在電路板酸性腐蝕液中產(chǎn)生酸蝕陷阱，在現(xiàn)在廣泛使用堿性電路板腐蝕液中則沒有這個(gè)問題。
除非你的電路板工作在50GHz以上的高頻（涉及到毫米波雷達(dá)/5G通訊）電路，你無需擔(dān)心引線拐直角。實(shí)際上，在電路板布線時(shí)你可以使用任何你所喜歡的角度來鋪設(shè)引線。如果你所使用的的PCB設(shè)計(jì)軟件內(nèi)置有電磁場求解功能這會(huì)使得你布線更加容易。
▲ 圖1.3.1 一些PCB設(shè)計(jì)者堅(jiān)稱所有的直角拐彎的布線都需要改成帶有斜角的布線方式
四、“3W”法則
也就是三條布線經(jīng)驗(yàn)法則。第一個(gè)版本的“3W法則是說，在相鄰兩條引線之間的間隔應(yīng)該大于等于引線寬度的三倍 ，為的是降低引線之間的磁通量耦合，進(jìn)而減少引線間的電磁干擾。
這個(gè)法則也許忘記了，引線之間的電磁耦合是與引線回路重疊面積成正比，而不是引線之間的距離；因此將引線回路重疊面積降低，引線間距不用受到3W法則限制。就像前面垂直布線一樣，通過基本電磁干擾仿真可以檢查不同布線間距帶來的影響。
”3W“法則的另外一個(gè)版本是指在引線長度匹配時(shí)所使用的鋸齒布線時(shí)，鋸齒寬度需要大于等于引線寬度的三倍，這可以將引線阻抗的不連續(xù)性降到最低。關(guān)于這一點(diǎn)可以在文章 Length Matching for High-speed Signals: Trombone, Accordion, and Sawtooth Tuning[3] 看到更詳細(xì)的討論。
▲ 圖1.4.1 在鋸齒布線中的3W法則
五、”20H“法則
這個(gè)法則定義了PCB中的地線層與電源層之間重疊距離，在現(xiàn)代PCB設(shè)計(jì)時(shí)需要將電源鋪設(shè)在地線附近，這樣可以保證它們之間具有足夠的層間電容，進(jìn)而在高速電路板上減少電源波動(dòng)。
但實(shí)際測量結(jié)果會(huì)發(fā)現(xiàn)結(jié)果很復(fù)雜。有些時(shí)間結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)名在300MHz時(shí)遵守20H法則可以降低電磁輻射。但在地線-電源層之間會(huì)出現(xiàn)高頻諧振，它們結(jié)構(gòu)類似于波導(dǎo)，反而會(huì)加重線路之間的高頻干擾。
▲ 圖1.5.1 在一些遵守20H法則電路板設(shè)計(jì)中會(huì)出現(xiàn)不同的射頻輻射干擾
所以在實(shí)際應(yīng)用中，如果你的電路頻率在GHz以內(nèi)，可以遵循20H法則，否則，20H法則有可能會(huì)帶來更糟糕的結(jié)果。
