隨著PCB設(shè)計復(fù)雜度的逐步提高，對于信號完整性的分析除了反射，串?dāng)_以及EMI之外，穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)也成為設(shè)計者們重點(diǎn)研究的方向之一。尤其當(dāng)開關(guān)器件數(shù)目不斷增加，核心電壓不斷減小的時候，電源的波動往往會給系統(tǒng)帶來致命的影響，于是人們提出了新的名詞：電源完整性，簡稱PI(powerintegrity)。當(dāng)今國際市場上，IC設(shè)計比較發(fā)達(dá)，但電源完整性設(shè)計還是一個薄弱的環(huán)節(jié)。因此本文提出了PCB板中電源完整性問題的產(chǎn)生，分析了影響電源完整性的因素并提出了解決PCB板中電源完整性問題的優(yōu)化方法與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計，具有較強(qiáng)的理論分析與實(shí)際工程應(yīng)用價值。二、電源噪聲的起因及分析對于電源噪聲的起因我們通過一個與非門電路圖進(jìn)行分析。圖1中的電路圖為一個三輸入與非門的結(jié)構(gòu)圖，因?yàn)榕c非門屬于數(shù)字器件，它是通過“1”和“0”電平的切換來工作的。隨著IC技術(shù)的不斷提高，數(shù)字器件的切換速度也越來越快，這就引進(jìn)了更多的高頻分量，同時回路中的電感在高頻下就很容易引起電源波動。如在圖1中，當(dāng)與非門輸入全為高電平時，電路中的三極管導(dǎo)通，電路瞬間短路，電源向電容充電，同時流入地線。此時由于電源線和地線上存在寄生電感，我們由公式V=LdI/dt可知，這將在電源線和地線上產(chǎn)生電壓波動，如圖2中所示的電平上升沿所引入的ΔI噪聲。當(dāng)與非門輸入為低電平時，此時電容放電，將在地線上產(chǎn)生較大的ΔI噪聲;而電源此時只有電路的瞬間短路所引起的電流突變，由于不存在向電容充電而使電流突變相對于上升沿來說要小。從對與非門的電路進(jìn)行分析我們知道，造成電源不穩(wěn)定的根源主要在于兩個方面：一是器件高速開關(guān)狀態(tài)下，瞬態(tài)的交變電流過大;

PCB布局規(guī)則1、在通常情況下，所有的元件均應(yīng)布置在電路板的同一面上，只有頂層元件過密時，才能將一些高度有限并且發(fā)熱量小的器件，如貼片電阻、貼片電容、貼片IC等放在底層。2、在保證電氣性能的前提下，元件應(yīng)放置在柵格上且相互平行或垂直排列，以求整齊、美觀，在一般情況下不允許元件重疊;元件排列要緊湊，元件在整個版面上應(yīng)分布均勻、疏密一致。3、電路板上不同組件相臨焊盤圖形之間的最小間距應(yīng)在1MM以上。4、離電路板邊緣一般不小于2MM.電路板的最佳形狀為矩形，長寬比為3:2或4:3.電路板面尺大于200MM乘150MM時，應(yīng)考慮電路板所能承受的機(jī)械強(qiáng)度。PCB設(shè)計設(shè)置技巧PCB設(shè)計在不同階段需要進(jìn)行不同的各點(diǎn)設(shè)置，在布局階段可以采用大格點(diǎn)進(jìn)行器件布局;對于IC、非定位接插件等大器件，可以選用50~100mil的格點(diǎn)精度進(jìn)行布局，而對于電阻電容和電感等無源小器件，可采用25mil的格點(diǎn)進(jìn)行布局。大格點(diǎn)的精度有利于器件的對齊和布局的美觀。PCB設(shè)計布局技巧在PCB的布局設(shè)計中要分析電路板的單元，依據(jù)起功能進(jìn)行布局設(shè)計，對電路的全部元器件進(jìn)行布局時，要符合以下原則：1、按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。2、以每個功能單元的核心元器件為中心，圍繞他來進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整體、緊湊的排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。3、在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件并行排列，這樣不但美觀，而且裝旱容易，易于批量生產(chǎn)。

現(xiàn)在市面上流行的EDA工具軟件很多，但除了使用的術(shù)語和功能鍵的位置不一樣外都大同小異，如何用這些工具更好地實(shí)現(xiàn)PCB的設(shè)計呢?在開始布線之前對設(shè)計進(jìn)行認(rèn)真的分析以及對工具軟件進(jìn)行認(rèn)真的設(shè)置將使設(shè)計更加符合要求。下面是一般的設(shè)計過程和步驟。1、確定PCB的層數(shù)電路板尺寸和布線層數(shù)需要在設(shè)計初期確定。如果設(shè)計要求使用高密度球柵數(shù)組(BGA)組件，就必須考慮這些器件布線所需要的最少布線層數(shù)。布線層的數(shù)量以及層疊(stack-up)方式會直接影響到印制線的布線和阻抗。板的大小有助于確定層疊方式和印制線寬度，實(shí)現(xiàn)期望的設(shè)計效果。多年來，人們總是認(rèn)為電路板層數(shù)越少成本就越低，但是影響電路板的制造成本還有許多其它因素。近幾年來，多層板之間的成本差別已經(jīng)大大減小。在開始設(shè)計時最好采用較多的電路層并使敷銅均勻分布，以避免在設(shè)計臨近結(jié)束時才發(fā)現(xiàn)有少量信號不符合已定義的規(guī)則以及空間要求，從而被迫添加新層。在設(shè)計之前認(rèn)真的規(guī)劃將減少布線中很多的麻煩。2、設(shè)計規(guī)則和限制自動布線工具本身并不知道應(yīng)該做些什幺。為完成布線任務(wù)，布線工具需要在正確的規(guī)則和限制條件下工作。不同的信號線有不同的布線要求，要對所有特殊要求的信號線進(jìn)行分類，不同的設(shè)計分類也不一樣。每個信號類都應(yīng)該有優(yōu)先級，優(yōu)先級越高，規(guī)則也越嚴(yán)格。規(guī)則涉及印制線寬度、過孔的最大數(shù)量、平行度、信號線之間的相互影響以及層的限制，這些規(guī)則對布線工具的性能有很大影響。認(rèn)真考慮設(shè)計要求是成功布線的重要一步。

1.寄生電容過孔本身存在著對地或電源的寄生電容，如果已知過孔在內(nèi)層上的隔離孔直徑為D2;過孔焊盤的直徑為D1;PCB的厚度為T;板基材的相對介電常數(shù)為ε;過孔的寄生電容延Κ了電路中信號的上升時問，降低了電路的速度。如果一塊厚度為25mil的PCB，使用內(nèi)徑為10mil，焊盤直徑為20mil的過孔，內(nèi)層電氣間隙寬度為32mil時，可以通過上面的公式近似算出過孔的寄生電容大致為0.259 pF。如果走線的特性阻抗為30Ω,則該寄生電容引起的信號上升時間延長量。系數(shù)1/2是因?yàn)檫^孔在走線的中途。從這些數(shù)值可以看出，盡管單個過孔的寄生電容引起的上升沿變緩的效用不是很明顯，但是如果走線中多次使用過孔進(jìn)行層間的切換，設(shè)計者還是要慎重考慮的。2.寄生電感過孔還具有與其高度和直徑直接相關(guān)的串聯(lián)寄生電感。若九是過孔的高度;d是中心鉆孔的直徑;則過孔的寄生電感L近似為在高速數(shù)字電路的設(shè)計中，寄生電感帶來的危害超過寄生電容的影響。過孔的寄生串聯(lián)電感會削弱旁路電容在電源或地平面濾除噪聲的作用，減弱整個電源系統(tǒng)的濾波效用c因此旁路和去耦電容的過孔應(yīng)該盡可能短，以使其電感值最小。通過上面對過孔寄生特性的分析，為了減小過孔的寄生效應(yīng)帶來的不利影響，在進(jìn)行高速PCB設(shè)計時應(yīng)盡量做到：· 盡量減少過孔，尤其是時鐘信號走線;· 使用較薄的PCB有利于減小過孔的兩種寄生參數(shù);· 過孔阻抗應(yīng)該盡可能與其連接的走線的阻抗相匹配，以便減小信號的反射;

一個高明的CAD工程師需要做的是：如何綜合考慮各方意見，達(dá)到最佳結(jié)合點(diǎn)。以下為EDADOC專家根據(jù)個人在通訊產(chǎn)品PCB設(shè)計的多年經(jīng)驗(yàn)，所總結(jié)出來的層疊設(shè)計參考，與大家共享。 PCB層疊設(shè)計基本原則 CAD工程師在完成布局(或預(yù)布局)后，重點(diǎn)對本板的布線瓶徑處進(jìn)行分析，再結(jié)合EDA軟件關(guān)于布線密度(PIN/RAT)的報告參數(shù)、綜合本板諸如差分線、敏感信號線、特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等有特殊布線要求的信號數(shù)量、種類確定布線層數(shù);再根據(jù)單板的電源、地的種類、分布、有特殊布線需求的信號層數(shù)，綜合單板的性能指標(biāo)要求與成本承受能力，確定單板的電源、地的層數(shù)以及它們與信號層的相對排布位置。單板層的排布一般原則：A)與元件面相鄰的層為地平面，提供器件屏蔽層以及為頂層布線提供回流平面;B)所有信號層盡可能與地平面相鄰(確保關(guān)鍵信號層與地平面相鄰);C)主電源盡可能與其對應(yīng)地相鄰;D)盡量避免兩信號層直接相鄰;

重慶專業(yè)SMT貼片覆銅，就是將PCB上閑置的空間作為基準(zhǔn)面，然后用固體銅填充，這些銅區(qū)又稱為灌銅。專業(yè)SMT貼片敷銅的意義在于，減小地線阻抗，提高抗干擾能力;降低壓降，提高電源效率;還有，與地線相連，減小環(huán)路面積。如果PCB的地較多，有SGND、AGND、GND，等等，如何覆銅?我的做法是，根據(jù)PCB板面位置的不同，分別以最主要的“地”作為基準(zhǔn)參考來獨(dú)立覆銅，數(shù)字地和模擬地分開來敷銅自不多言。同時在覆銅之前，首先加粗相應(yīng)的電源連線：V5.0V、V3.6V、V3.3V(SD卡供電)，等等。這樣一來，就形成了多個不同形狀的多變形結(jié)構(gòu)。覆銅需要處理好幾個問題：一是不同地的單點(diǎn)連接，二是晶振附近的覆銅，電路中的晶振為一高頻發(fā)射源，做法是在環(huán)繞晶振敷銅，然后將晶振的外殼另行接地。三是孤島(死區(qū))問題，如果覺得很大，那就定義個地過孔添加進(jìn)去也費(fèi)不了多大的事。另外，大面積覆銅好還是網(wǎng)格覆銅好，不好一概而論。為什么呢?大面積覆銅，如果過波峰焊時，板子就可能會翹起來，甚至?xí)鹋?。從這點(diǎn)來說，網(wǎng)格的散熱性要好些。通常是高頻電路對抗干擾要求高的多用網(wǎng)格，低頻電路有大電流的電路等常用完整的鋪銅。補(bǔ)充下：在數(shù)字電路中，特別是帶MCU的電路中，兆級以上工作頻率的電路，敷銅的作用就是為了降低整個地平面的阻抗。更具體的處理方法我一般是這樣來操作的：各個核心模塊(也都是數(shù)字電路)在允許的情況下也會分區(qū)敷銅，然后再用線把各個敷銅連接起來，這樣做的目的也是為了減小各級電路之間的影響。對于數(shù)字電路模擬電路 混合的電路，地線的獨(dú)立走線，以及到最后到電源濾波電容處的匯總就不多說了，大家都清楚。不過有一點(diǎn)：模擬電路里的地線分布，很多時候不能簡單敷成一片銅皮就了事，因?yàn)槟M電路里很注重前后級的互相影響，而且模擬地也要求單點(diǎn)接地，所以能不能把模擬地敷成銅皮還得根據(jù)實(shí)際情況處理。(這就要求對所用到的模擬IC的一些特殊性能還是要了解的)