如何布线PCB

2021-09-19

如何布线PCB

PCB设计上的布线和过孔通常被认为是一项简单的任务。导入板子并在板上布置元件后，开始用铜连接元件似乎是一件相对容易的事情。虽然在简单板上的低速 TTL DIP 组件时代可能确实如此，但今天的设计要求要复杂得多。PCB 上的走线可能带有非常具体的设计要求，旨在确保布线过程中的信号完整性。

尽管走线可能有特定的布线要求，但如今更高级的 PCB布线功能可以帮助您设置和遵循走线的设计规则。您将用于电路板的重要布线技术取决于您使用的信号标准和所需的布线拓扑。如果这是您第一次设计 PCB 并且您已准备好布线阶段，那么请不要担心，我们将向您展示如何布线PCB 并确定您在 PCB 中应遵循的布线要求。

开始 PCB布线

所有 PCB 都需要有铜来连接表层或内层上的组件，称为走线。什么是“简单”设备取决于几个因素，这些因素将决定您在 PCB 中使用的适当走线设计。您会在低速和高速信号标准中发现的一些重要设计布线要求包括：

走线的载流能力，因为高电流板可能需要大走线甚至多边形

电路板中使用的走线宽度，这将确保可制造性并会影响串扰

任何需要特定宽度的受控阻抗信号，必须根据 PCB 叠层设置

路由拓扑，这将决定走线如何分支连接到多个组件

沿迹线的总损耗，决定了最大允许的迹线长度

并行总线和差分对中允许的偏斜；具有源同步时钟（SPI 或 I2C）和并行总线的协议都具有最大偏斜规范

作为设计师，您的工作是在所有这些方面找到平衡点，并确定以上列表中的哪些点对于不同的网络最重要。例如，高速设计依赖于差分对的受控阻抗，而高电流 DC 设计需要具有不一定具有特定阻抗的宽走线。

首先，让我们看看更基本的电路板的一些布线要求，然后我们将进入更高级的设计。

简单的 PCB 走线布线

如果您的设计没有以高速运行，它的密度不足以产生串扰问题，并且您的走线需要承载低电流，那么您通常可以自由选择可以轻松容纳您的组件引脚和引线的走线宽度。在这些设计中可以使用 5-15 密耳的走线宽度，因为它们足够小，可以直接布线到大多数组件的焊盘中。下面显示了一个带有运算放大器的基本示例，其中在低速 IC、一些电阻器和电容器之间布线。

像这样的更简单的设计通常不关心阻抗、标准路由拓扑或高电流。然而，很少有现代设计如此简单，以至于它们不需要某种程度的走线设计或路由规则的确定。

现代 PCB 的布线规则

今天的电路板，即使是那些只使用简单 MCU 和低功率级的电路板，也需要一定程度的走线设计和布线规则来确保信号完整性。设计人员需要确定其连接的走线几何要求，以确保可靠性和信号完整性。

确定给定跟踪中的当前需求；PCB 中电源电路中的布线可以承载高电流。

如果电流非常低（小于 1 A），请通过查看组件数据表或信号标准来确定是否需要阻抗控制。

如果需要阻抗控制，计算达到阻抗目标所需的走线宽度。如果需要差分对，还要计算所需的走线间距。

如果需要阻抗控制，很可能会使用单端或差分对来实现路由拓扑。请务必检查您的信令标准以确定您的路由要求，其中包括损耗预算（确定总长度）、阻抗要求以及差分对或并行总线中允许的长度不匹配等内容。

一旦确定了电路板中的任何布线要求，就可以为设计中的特定网络设置设计规则。这涉及在您的设计规则中设置最小或最大走线宽度，并且您的布线工具将在您布线时使用这些规范来设置走线宽度。

阻抗和路由拓扑

当您需要在 PCB布局中进行阻抗控制时，您需要使用多种方法之一来确定阻抗。您可以使用一些公式来确定设计中的阻抗，或者您可以使用更专业的应用程序来计算设计中所需的阻抗。单端和差分对阻抗将具有定义的几何形状，以确保满足阻抗目标。

确定阻抗的最快方法是使用包含内置计算器工具的 PCB设计软件。并非所有 PCB设计应用程序都包含这种类型的实用程序，以及那些确实会产生不同精度水平的结果的应用程序。最好的 PCB设计应用程序将包括一个电磁场求解器，它可以自动计算所需的走线几何形状。这些工具将获取 PCB 中的介电常数和铜粗糙度信息，并使用它来计算达到目标阻抗所需的走线宽度和差分对间距。

走线布线拓扑定义了走线在组件输入和输出之间如何走线，以及走线如何从彼此分支以到达多个组件。例如，DDR 布线使用飞越拓扑，其中单个总线分支以到达设计中的多个组件。在另一个示例中，SPI 使用类似的总线拓扑，但在总线上的负载点处应用了端接。其他组件可能使用点对点拓扑来访问多个组件，这在设计需要单个组件通过单个 IO 接口与多个负载通信时最常见。确保您了解信号标准中所需的路由拓扑，以及这些走线是否需要阻抗控制。

PCB 中的布线

PCB布局中的走线通过简单地指向和单击电路板中的位置进行布线。在此过程中，铜线将固定在用户单击鼠标的所需位置，最终跨越布局到达所需位置。PCB 编辑器应用程序中的布线工具可以在您在布局中布线时自动转角（通常为 45° 角），并且它们可以在您在 PCB 中的组件之间移动迹线时放置过孔。

在开始布线之前，请花一些时间为不同的布线制定策略，以确保您不会过度使用过孔或需要添加额外的层来解决电路板问题。您的 PCB布线策略将取决于您的 PCB布局；如果在 PCB布局中交叉的网络过多，则在没有过多层转换的情况下布线会更加困难。有时，您必须首先从最简单的布线开始，因为这将帮助您确定哪些布线需要更多的时间和精力才能在 PCB布局中完全布线。

有些路线可能非常复杂，例如从这个 BGA 逃逸。这条路线穿过两个过孔，最终在表面层结束。

您应该考虑的一些重要的 PCB布线指南包括：

尝试在同一层上保持给定接口或信令协议的受控阻抗迹线

最大限度地减少高速协议和 RF 轨迹上的过孔转换

小心不要在平面上的裂缝上布线并跟踪 PCB 中的返回路径；最好的方法是使用统一的地面区域

尽量保持走线短而直接，不要让走线超过需要的长度

对于大电流布线，不要害怕使用多边形来构建更大的导体；这些可用于制造任何形状的导体

信号完整性是与 PCB 叠层设计和布线密切相关的一个领域。相对于信号层和布线的平面/GND/PWR 层的布置是信号完整性的主要决定因素，并且在 GND 的完整部分上布线是确保您的设计保持信号完整性和抗 EMI 的最佳方法（串扰、外部射频噪声、电源噪声等）。上面显示的这个简单指南和布线规则将有助于防止或减少许多信号完整性问题，并有助于确保您的电路板保持功能。

可帮助您遵守基本 PCB布线指南的最先进的布线工具是交互式的。换句话说，这些工具是半自动化的，允许您为一组信号定义布线，布线工具将放置走线，使其自动遵守您的设计规则。在这种类型的布线中，您的网络和网络组的设计规则会在您创建 PCB布局时自动检查。许多免费软件和开源设计程序迫使您手动完成所有工作，但 Altium Designer 等高级 PCB设计程序可以帮助您在完成 PCB布局和布线时保持高效。

Altium Designer 的交互式布线功能提供智能的半自动 PCB布线，遵循您的设计规则和基本布线要求。