原標題：10年老工程師總結PCB板布線絕招

一、前期規劃與布局優化

1. 模塊化布局

• 原理：將PCB上的電路按照功能劃分為不同的模塊，如電源模塊、信號處理模塊、通信模塊等。每個模塊內的元件盡量集中放置，模塊之間保持一定的間距，這樣可以減少不同模塊之間的信號干擾，同時也便于后續的布線和調試。

• 示例：在一個包含微控制器、傳感器和通信接口的PCB設計中，將微控制器及其周邊電路作為一個模塊，傳感器電路作為另一個模塊，通信接口單獨作為一個模塊。布局時，讓這三個模塊在PCB上分布合理，避免信號線在模塊之間交叉穿越。

2. 關鍵元件定位

• 原理：對于高頻元件、大功率元件、敏感元件等關鍵元件，要根據其特性和要求進行合理定位。高頻元件應盡量靠近連接器，以減少信號傳輸路徑的長度，降低信號衰減和干擾；大功率元件要考慮散熱問題，放置在有利于散熱的位置，如靠近散熱片或通風良好的區域；敏感元件要遠離干擾源，如大功率開關器件、高頻變壓器等。

• 示例：在一個射頻電路中，射頻芯片作為高頻元件，應將其放置在靠近天線連接器的位置，并且周圍要避免放置大功率的開關電源電路，以減少對射頻信號的干擾。

3. 電源與地線規劃

• 原理：電源線和地線是PCB布線中非常重要的部分，它們的布局和布線質量直接影響電路的性能。電源線要根據電流大小選擇合適的線寬，以保證足夠的載流能力；地線要盡量寬，并且采用大面積鋪銅的方式，降低地線阻抗，減少地線噪聲。同時，要將數字地和模擬地分開，最后通過一個磁珠或零歐姆電阻單點連接，避免數字信號對模擬信號的干擾。

• 示例：在一個包含數字電路和模擬電路的PCB中，將數字電路部分的地線和模擬電路部分的地線分別鋪銅，然后在PCB的一個角落通過一個零歐姆電阻將它們連接起來。電源線根據不同模塊的電流需求，分別設置不同的線寬，如大功率模塊的電源線采用較寬的線寬。

二、布線技巧與規則

1. 信號線布線

• 短而直：信號線應盡量短而直，避免過長和彎曲過多。過長的信號線會增加信號的傳輸延遲和衰減，同時也會增加受到干擾的可能性；過多的彎曲會導致信號反射，影響信號質量。

• 差分對布線：對于高速差分信號，如USB、HDMI等，要采用差分對布線方式。差分對的兩條信號線要相互平行、等長、等距，并且盡量靠近。這樣可以有效減少電磁干擾，提高信號的抗干擾能力和傳輸質量。

• 避免銳角和直角：信號線在轉彎時應避免使用銳角和直角，最好采用45度角或圓弧轉彎。銳角和直角轉彎會導致信號線的阻抗不連續，產生信號反射和輻射干擾。

• 示例：在布設USB差分信號線時，將兩條信號線保持相同的長度和間距，在轉彎處使用45度角過渡，并且盡量讓它們靠近在一起，遠離其他干擾源。

2. 電源線與地線布線

• 電源線加粗：根據電源電流的大小，適當加粗電源線的線寬。一般來說，電源線的線寬可以通過經驗公式計算，或者參考PCB設計軟件中的電流承載能力表格。加粗電源線可以降低電源線的阻抗，減少電壓降和發熱。

• 地線鋪銅：在PCB的空余區域進行大面積的地線鋪銅，這樣可以降低地線阻抗，提高地線的導通性能。同時，鋪銅還可以起到屏蔽干擾的作用，減少外界電磁場對PCB內部電路的影響。

• 去耦電容布線：在每個芯片的電源引腳附近放置去耦電容，去耦電容的引線要盡量短，直接連接到芯片的電源引腳和地引腳。這樣可以有效濾除電源噪聲，為芯片提供穩定的電源。

• 示例：對于一個功耗較大的芯片，其電源線采用較寬的線寬（如20mil），并且在芯片周圍進行大面積的地線鋪銅。在芯片的電源引腳和地引腳之間放置一個0.1μF的去耦電容，電容的引線長度控制在1mm以內。

3. 布線間距與隔離

• 信號線間距：不同信號線之間要保持一定的間距，以減少信號之間的耦合干擾。一般來說，信號線間距應根據信號的頻率和電壓等級來確定。對于高頻信號，間距要適當增大；對于高壓信號，也要增加間距以防止擊穿。

• 敏感信號隔離：對于敏感信號，如模擬信號、小信號等，要與其他干擾信號進行隔離。可以采用地線隔離、電源隔離或物理隔離的方式。例如，在模擬信號線和數字信號線之間增加一條地線作為隔離帶。

• 示例：在一個包含模擬信號采集電路和數字控制電路的PCB中，將模擬信號線和數字信號線分別布置在PCB的不同區域，并且在它們之間用一條較寬的地線進行隔離。同時，模擬信號部分的電源和數字信號部分的電源也分開供電，通過磁珠進行隔離。

三、特殊情況處理

1. 高頻信號處理

• 阻抗匹配：對于高頻信號，要進行阻抗匹配設計。根據信號線的特性阻抗（一般為50Ω或75Ω），調整信號線的線寬、線距和介質厚度等參數，使信號線的阻抗與前后級電路的阻抗相匹配。這樣可以減少信號反射，提高信號的傳輸效率。

• 屏蔽與接地：高頻信號容易受到外界電磁干擾，因此需要對高頻信號線進行屏蔽處理。可以采用金屬屏蔽罩或屏蔽線的方式。同時，屏蔽層要良好接地，以將干擾信號引入大地。

• 示例：在一個射頻發射電路中，射頻信號線采用特性阻抗為50Ω的微帶線設計，并且在信號線周圍包裹一層金屬屏蔽罩，屏蔽罩通過多個過孔與地線連接，實現良好的接地。

2. 大功率電路處理

• 散熱設計：大功率電路在工作時會產生大量的熱量，因此需要進行散熱設計。可以采用增加散熱片、風扇或優化PCB布局等方式來提高散熱效率。例如，將大功率元件放置在PCB的邊緣或通風良好的位置，并且在元件下方增加散熱銅箔。

• 布線載流能力：大功率電路的電源線和地線要具有足夠的載流能力，以承受大電流的通過。要根據電流大小選擇合適的線寬和銅箔厚度，并且要考慮線溫升的問題。

• 示例：在一個大功率開關電源電路中，功率開關管的散熱片通過導熱硅膠與PCB上的大面積銅箔連接，銅箔的寬度和厚度根據電源的輸出功率和電流大小進行設計。同時，在PCB上設置多個散熱過孔，將熱量傳遞到PCB的背面，提高散熱效果。

3. 電磁兼容性（EMC）設計

• 濾波設計：在PCB的輸入輸出端口、電源接口等位置添加濾波電路，如濾波電容、電感、磁珠等，以濾除外界的電磁干擾和內部電路產生的噪聲。

• 接地設計：良好的接地設計是提高電磁兼容性的關鍵。除了前面提到的數字地和模擬地分開、大面積鋪銅等措施外，還要注意接地的連續性和低阻抗。可以采用多點接地或混合接地的方式，根據具體情況進行選擇。

• 示例：在一個工業控制系統的PCB中，在電源輸入端添加一個π型濾波電路，由兩個電容和一個電感組成，用于濾除電源中的高頻噪聲。同時，在PCB的各個關鍵部位設置多個接地過孔，將地線連接到PCB的底層大面積鋪銅上，保證接地的低阻抗。

四、布線后檢查與優化

1. 電氣規則檢查（ERC）

• 原理：使用PCB設計軟件中的電氣規則檢查功能，對布線后的PCB進行電氣規則檢查。檢查內容包括信號線短路、斷路、間距不足、電源和地線連接錯誤等問題。通過ERC可以及時發現并糾正布線中的電氣錯誤，提高PCB的可靠性。

• 示例：在Altium Designer軟件中，運行電氣規則檢查命令，軟件會根據設定的規則對PCB進行檢查，并標記出存在的錯誤。工程師可以根據標記的錯誤信息，對布線進行修改。

2. 信號完整性分析（SI）

• 原理：對于高速信號或對信號質量要求較高的電路，需要進行信號完整性分析。通過仿真軟件模擬信號在PCB上的傳輸過程，分析信號的波形、延遲、反射、串擾等參數，評估信號的質量。根據分析結果，對布線進行優化，如調整信號線的長度、間距、阻抗等。

• 示例：使用HyperLynx等信號完整性分析軟件，對PCB上的高速差分信號進行仿真分析。如果發現信號存在反射或串擾問題，可以通過調整差分對的長度匹配或增加隔離帶等方式進行優化。

3. 熱分析

• 原理：對于大功率電路或發熱量較大的PCB，需要進行熱分析。通過熱分析軟件模擬PCB在工作時的溫度分布情況，找出熱點區域。根據熱分析結果，對PCB的布局和散熱設計進行優化，如調整元件的位置、增加散熱措施等，以保證PCB在正常工作溫度范圍內。

• 示例：使用FloTHERM等熱分析軟件，對PCB進行熱仿真分析。如果發現某個大功率元件周圍的溫度過高，可以調整該元件的位置，或者在其周圍增加散熱銅箔和散熱過孔，改善散熱條件。

通過以上這些布線絕招，老工程師可以有效地提高PCB板的質量和性能，減少電磁干擾和信號問題，確保電路的穩定可靠運行。在實際的PCB設計過程中，需要根據具體的電路要求和設計規范，靈活運用這些技巧和方法