常用pcb布線經(jīng)驗(yàn)法則是什么

信號(hào)完整性的工作，很大一部分基于PCB走線規(guī)則的設(shè)定以及走線優(yōu)化。仿真工作或者說(shuō)后仿的工作都是基于PCB設(shè)計(jì)已經(jīng)定型的情況下進(jìn)行的，也就是說(shuō)鏈路的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)固定了。所以，設(shè)定規(guī)則來(lái)管控風(fēng)險(xiǎn)比出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)解決來(lái)得更重要。預(yù)防管控的能力是未來(lái)信號(hào)完整性工程師的必備基礎(chǔ)技能。

PCB設(shè)計(jì)的常用走線規(guī)則

預(yù)防管控PCB走線的風(fēng)險(xiǎn)，最最基礎(chǔ)的知識(shí)就是熟知常用走線規(guī)則。

1、線長(zhǎng)匹配 Length Matching 01.總長(zhǎng)線長(zhǎng)匹配&分層線長(zhǎng)匹配 ? 總長(zhǎng)線長(zhǎng)匹配的5mils已經(jīng)在很多產(chǎn)品設(shè)計(jì)中有應(yīng)用，這也是很多設(shè)計(jì)準(zhǔn)則里提到的。

分層線長(zhǎng)匹配的概念好像沒(méi)有那么普遍，差分線的走法，BGA區(qū)域打過(guò)孔到內(nèi)層，內(nèi)層走線打過(guò)孔到終端，內(nèi)層阻抗相對(duì)容易管控和差分線走線對(duì)稱性緣故，一般情況下，表層兩段距離相對(duì)比較短，所以長(zhǎng)度的匹配一般在內(nèi)層進(jìn)行，也就是間接實(shí)行了分層線長(zhǎng)匹配。很多時(shí)候，這種分層線長(zhǎng)匹配的概念在很多產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中被忽略了。

02.就近補(bǔ)償

當(dāng)長(zhǎng)度不匹配發(fā)生時(shí)，推薦就近補(bǔ)償，防止不連續(xù)的傳播。如何就近長(zhǎng)度匹配，產(chǎn)品的分類不同，要求也不同，消費(fèi)類產(chǎn)品沒(méi)有給出相關(guān)建議，只是對(duì)BREAKOUT區(qū)域以及連接器的PIN區(qū)域，給出了相關(guān)建議的數(shù)值。

就近補(bǔ)償?shù)囊恍┳呔€方式：

03.匹配樣式

常見的匹配樣式有蛇形線，PAD區(qū)域內(nèi)走線等，蛇形線中3W2S原則是很多產(chǎn)品設(shè)計(jì)中常用的繞線方法，通過(guò)這樣的操作，來(lái)達(dá)到線長(zhǎng)匹配。 3W2S有些相互關(guān)系的，建議還是搞清楚點(diǎn)。相對(duì)于3W2S故意繞線來(lái)達(dá)到線長(zhǎng)匹配，PAD區(qū)域走線匹配的方式對(duì)匹配所帶來(lái)的影響更小。

需要注意的是：線長(zhǎng)匹配最終目的是等時(shí)。

2、雙帶線?Dual-Stripline 高速產(chǎn)品的輕薄化，PCB厚度限制了走線層數(shù)，就有了高速線走在相鄰兩層上，為了減少相互的串?dāng)_，走線的方法有間距管控（DDR部分實(shí)現(xiàn)難度比較大），垂直走線（這種方法實(shí)現(xiàn)難度比較大），30度角走線（這種方法比較推薦）。

雙帶線是未來(lái)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一大趨勢(shì)，細(xì)節(jié)性的東西很多，比如雙帶線相互平行重復(fù)度及長(zhǎng)度等。

3、差分轉(zhuǎn)換過(guò)孔 Differential Transitional Via

PCB走線，過(guò)孔是不可缺少的部分，這里不講盲埋孔之類，只講差分過(guò)孔處理方式。 不同產(chǎn)品有不同的設(shè)計(jì)細(xì)則，但大體是相通的： 1.如果差分過(guò)孔stub(殘樁)較長(zhǎng)，信號(hào)的速率比較高（比如PCIe4.0），要做Backdrill（背鉆）； 2.差分過(guò)孔如果轉(zhuǎn)換參考層，要打回流地孔，地孔到VIA的距離要大于本身的差分過(guò)孔距離，同時(shí)地孔要在100mils以內(nèi)。

說(shuō)到stub(殘樁)，還有一種U-turn的走法，在終端THM連接器會(huì)用到。

4、器件封裝平面挖空?Component Footprint Plane Voiding

這里說(shuō)的器件不僅僅是USB中要用的Electrostatic Diode (ESD) 和Common-mode choke(CMC)，也包括高速鏈路中的匹配電阻，還有耦合電容，還有SMT連接器等。對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，是減少阻抗的突變。

優(yōu)化處理的方式就是相鄰平面層進(jìn)行挖空（Voiding）。

幾個(gè)有爭(zhēng)議的PCB布線經(jīng)驗(yàn)法則

有人說(shuō)：如今，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，要么忽略它們。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(shuō)，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(shuō)它們是正確還是錯(cuò)誤，問(wèn)題是這些討論往往缺乏應(yīng)用場(chǎng)合的針對(duì)性。下面希望將這些規(guī)則背后所適應(yīng)的場(chǎng)景講清楚，能將不同的規(guī)則在什么時(shí)候適用，什么時(shí)候需要避免闡釋準(zhǔn)確。 ?

下面將一些常用到的PCB布線經(jīng)驗(yàn)法則抽絲剝繭，分析它們背后所適用的場(chǎng)景。 ? ?

一、垂直布線

垂直布線的規(guī)則是說(shuō)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(guò)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。 ? ? 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(méi)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(jiǎn)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)_是否在噪聲容限范圍之內(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(wèn)題。 ?

二、散熱過(guò)孔

這是一個(gè)經(jīng)典的“遵守/避免”法則，常常引起爭(zhēng)論。一些PCB設(shè)計(jì)者說(shuō)他們從來(lái)不使用防止散熱過(guò)孔，并從未遇到焊接和組裝方面的問(wèn)題。而另外一批人則堅(jiān)持防止散熱過(guò)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(shuí)對(duì)呢？他們的觀點(diǎn)分別適用于不同的場(chǎng)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(guò)孔在銅層散熱帶來(lái)的焊接問(wèn)題。但如果使用波峰焊接時(shí)，則需要使用防止散熱過(guò)孔來(lái)防止器件松脫、冷焊、立碑等現(xiàn)象。

三、直角布線

這個(gè)PCB布線法則也許最令人又愛(ài)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(shuō)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(guò)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(guò)45°拐角可以減少引線長(zhǎng)度，所有直角拐彎布線都需要倒角。還有的說(shuō)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(méi)有這個(gè)問(wèn)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(wú)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(lái)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(chǎng)求解功能這會(huì)使得你布線更加容易。

四、“3W”法則

第一個(gè)版本的"3W法則是說(shuō)，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)而減少引線見的電磁干擾。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(guò)基本電磁干擾仿真可以檢查不同布線間距帶來(lái)的影響。 ? “3W”法則的另外一個(gè)版本是指在引線長(zhǎng)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。

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(cè)量結(jié)果會(huì)發(fā)現(xiàn)結(jié)果很復(fù)雜。有些在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。

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(lái)更糟糕的結(jié)果。 ? ?

總結(jié)

以上就是PCB走線相關(guān)常用規(guī)則，有些是有爭(zhēng)議的。當(dāng)然，針對(duì)不同產(chǎn)品會(huì)有不同細(xì)則，殊途同歸，所有的規(guī)則都是為了減小串?dāng)_，反射，損耗等，來(lái)保證信號(hào)完整性。如果遇到一些規(guī)則相互矛盾，這個(gè)時(shí)候就需要信號(hào)完整性工程師做出取舍，給出合理方案。

編輯：黃飛