元器件布局的10條規(guī)則

元器件布局的10條規(guī)則：

遵照“先大后小，先難后易”的布置原則，即重要的單元電路、核心元器件應(yīng)當(dāng)優(yōu)先布局。

布局中應(yīng)參考原理框圖，根據(jù)單板的主信號流向規(guī)律安排主要元器件。

元器件的排列要便于調(diào)試和維修，亦即小元件周圍不能放置大元件、需調(diào)試的元、器件周圍要有足夠的空間。

相同結(jié)構(gòu)電路部分，盡可能采用“對稱式”標(biāo)準(zhǔn)布局，按照均勻分布、重心平衡、版面美觀的標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化布局。

同類型插裝元器件在X或Y方向上應(yīng)朝一個方向放置。同一種類型的有極性 分立元件也要力爭在X或Y方向上保持一致，便于生產(chǎn)和檢驗。

發(fā)熱元件要一般應(yīng)均勻分布，以利于單板和整機的散熱，除溫度檢測元件以外的溫度敏感器件應(yīng)遠離發(fā)熱量大的元器件。

布局應(yīng)盡量滿足以下要求：總的連線盡可能短，關(guān)鍵信號線最短；高電壓、大電流信號與小電流，低電壓的弱信號完全分開；模擬信號與數(shù)字信號分開；高頻信號與低頻信號分開；高頻元器件的間隔要充分。

去偶電容的布局要盡量靠近IC的電源管腳，并使之與電源和地之間形成的回路最短。

元件布局時，應(yīng)適當(dāng)考慮使用同一種電源的器件盡量放在一起， 以便于將來的電源分隔。

布線

1. 布線優(yōu)先次序

鍵信號線優(yōu)先：摸擬小信號、高速信號、時鐘信號和同步信號等關(guān)鍵信號優(yōu)先布線。

密度優(yōu)先原則：從單板上連接關(guān)系最復(fù)雜的器件著手布線。從單板上連線 最密集的區(qū)域開始布線。

注意點：

盡量為時鐘信號、高頻信號、敏感信號等關(guān)鍵信號提供專門的布線層，并保證其最小的回路面積。必要時應(yīng)采取手工優(yōu)先布線、屏蔽和加大安全間距等方法。保證信號質(zhì)量。
電源層和地層之間的EMC環(huán)境較差，應(yīng)避免布置對干擾敏感的信號。

有阻抗控制要求的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)盡量按線長線寬要求布線。

2. 四種具體走線方式

1 ）時鐘的布線：

時鐘線是對EMC 影響最大的因素之一。在時鐘線上應(yīng)少打過孔，盡量避免和其它信號線并行走線，且應(yīng)遠離一般信號線，避免對信號線的干擾。同時應(yīng)避開板上的電源部分，以防止電源和時鐘互相干擾。

如果板上有專門的時鐘發(fā)生芯片，其下方不可走線，應(yīng)在其下方鋪銅，必要時還可以對其專門割地。對于很多芯片都有參考的晶體振蕩器，這些晶振下方也不應(yīng)走線，要鋪銅隔離。

2）直角走線：

直角走線一般是PCB布線中要求盡量避免的情況，也幾乎成為衡量布線好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一，那么直角走線究竟會對信號傳輸產(chǎn)生多大的影響呢？

從原理上說，直角走線會使傳輸線的線寬發(fā)生變化，造成阻抗的不連續(xù)。其實不光是直角走線，頓角，銳角走線都可能會造成阻抗變化的情況。

直角走線的對信號的影響就是主要體現(xiàn)在三個方面：

拐角可以等效為傳輸線上的容性負(fù)載，減緩上升時間；阻抗不連續(xù)會造成信號的反射；直角尖端產(chǎn)生的EMI。

3）差分走線：

差分信號（Differential Signal）在高速電路設(shè)計中的應(yīng)用越來越廣泛，電路中最關(guān)鍵的信號往往都要采用差分結(jié)構(gòu)設(shè)計。

定義：通俗地說，就是驅(qū)動端發(fā)送兩個等值、反相的信號，接收端通過比較這兩個電壓的差值來判斷邏輯狀態(tài)“0”還是“1”。而承載差分信號的那一對走線就稱為差分走線。

差分信號和普通的單端信號走線相比，最明顯的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下三個方面：

抗干擾能力強，因為兩根差分走線之間的耦合很好，當(dāng)外界存在噪聲干擾時，幾乎是同時被耦合到兩條線上，而接收端關(guān)心的只是兩信號的差值，所以外界的共模噪聲可以被完全抵消。
能有效抑制EMI，同樣的道理，由于兩根信號的極性相反，他們對外輻射的電磁場可以相互抵消，耦合的越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。

時序定位精確，由于差分信號的開關(guān)變化是位于兩個信號的交點，而不像普通單端信號依靠高低兩個閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時序上的誤差，同時也更適合于低幅度信號的電路。

目前流行的LVDS（low voltage differential signaling）就是指這種小振幅差分信號技術(shù)。

對于PCB工程師來說，最關(guān)注的還是如何確保在實際走線中能完全發(fā)揮差分走線的這些優(yōu)勢。也許只要是接觸過Layout的人都會了解差分走線的一般要求，那就是“等長、等距”。

等長是為了保證兩個差分信號時刻保持相反極性，減少共模分量；等距則主要是為了保證兩者差分阻抗一致，減少反射?！氨M量靠近原則”有時候也是差分走線的要求之一。

4）蛇形線：
蛇形線是Layout中經(jīng)常使用的一類走線方式。其主要目的就是為了調(diào)節(jié)延時，滿足系統(tǒng)時序設(shè)計要求。

設(shè)計者首先要有這樣的認(rèn)識：蛇形線會破壞信號質(zhì)量，改變傳輸延時，布線時要盡量避免使用。

但實際設(shè)計中，為了保證信號有足夠的保持時間，或者減小同組信號之間的時間偏移，往往不得不故意進行繞線。

注意點：

成對出現(xiàn)的差分信號線，一般平行走線，盡量少打過孔，必須打孔時，應(yīng)兩線一同打孔，以做到阻抗匹配。
相同屬性的一組總線，應(yīng)盡量并排走線，做到盡量等長。從貼片焊盤引出的過孔盡量離焊盤遠些。

3. 布線常用規(guī)則

1）走線的方向控制規(guī)則：

即相鄰層的走線方向成正交結(jié)構(gòu)。避免將不同的信號線在相鄰層走成同一方向，以減少不必要的層間竄擾；當(dāng)由于板結(jié)構(gòu)限制（如某些背板）難以避免出現(xiàn)該情況，特別是信號速率較高時，應(yīng)考慮用地平面隔離各布線層，用地信號線隔離各信號線。

2）走線的開環(huán)檢查規(guī)則：
一般不允許出現(xiàn)一端浮空的布線（Dangling Line）， 主要是為了避免產(chǎn)生＂天線效應(yīng)＂，減少不必要的干擾輻射和接受，否則可能帶來不可預(yù)知的結(jié)果。

3）阻抗匹配檢查規(guī)則：
同一網(wǎng)絡(luò)的布線寬度應(yīng)保持一致，線寬的變化會造成線路特性阻抗的不均勻，當(dāng)傳輸?shù)乃俣容^高時會產(chǎn)生反射，在設(shè)計中應(yīng)該盡量避免這種情況。
在某些條件下，如接插件引出線，BGA封裝的引出線類似的結(jié)構(gòu)時，可能無法避免線寬的變化，應(yīng)該盡量減少中間不一致部分的有效長度。

4）走線長度控制規(guī)則：
即短線規(guī)則，在設(shè)計時應(yīng)該盡量讓布線長度盡量短，以減少由于走線過長帶來的干擾問題，特別是一些重要信號線，如時鐘線，務(wù)必將其振蕩器放在離器件很近的地方。
對驅(qū)動多個器件的情況，應(yīng)根據(jù)具體情況決定采用何種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

5）倒角規(guī)則：
PCB設(shè)計中應(yīng)避免產(chǎn)生銳角和直角， 產(chǎn)生不必要的輻射，同時工藝性能也不好。

6）器件去耦規(guī)則：
在印制版上增加必要的去耦電容，濾除電源上的干擾信號，使電源信號穩(wěn)定。
在多層板中，對去耦電容的位置一般要求不太高，但對雙層板，去藕電容的布局及電源的布線方式將直接影響到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有時甚至關(guān)系到設(shè)計的成敗。
在雙層板設(shè)計中，一般應(yīng)該使電流先經(jīng)過濾波電容濾波再供器件使用。
在高速電路設(shè)計中，能否正確地使用去耦電容，關(guān)系到整個板的穩(wěn)定性。

7）器件布局分區(qū)／分層規(guī)則：
主要是為了防止不同工作頻率的模塊之間的互相干擾，同時盡量縮短高頻部分的布線長度。
對混合電路，也有將模擬與數(shù)字電路分別布置在印制板的兩面，分別使用不同的層布線，中間用地層隔離的方式。

8）地線回路規(guī)則：
環(huán)路最小規(guī)則，即信號線與其回路構(gòu)成的環(huán)面積要盡可能小，環(huán)面積越小，對外的輻射越少，接收外界的干擾也越小。

9）電源與地線層的完整性規(guī)則：
對于導(dǎo)通孔密集的區(qū)域，要注意避免孔在電源和地層的挖空區(qū)域相互連接，形成對平面層的分割，從而破壞平面層的完整性，并進而導(dǎo)致信號線在地層的回路面積增大。

10）3W規(guī)則：
為了減少線間串?dāng)_，應(yīng)保證線間距足夠大，當(dāng)線中心間距不少于3倍線寬時，則可保持70％的電場不互相干擾，稱為3W規(guī)則。如要達到98％的電場不互相干擾，可使用10W的間距。

11）屏蔽保護
對應(yīng)地線回路規(guī)則，實際上也是為了盡量減小信號的回路面積，多見于一些比較重要的信號，如時鐘信號，同步信號。
對一些特別重要，頻率特別高的信號，應(yīng)該考慮采用銅軸電纜屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計，即將所布的線上下左右用地線隔離，而且還要考慮好如何有效的讓屏蔽地與實際地平面有效結(jié)合。

12）走線終結(jié)網(wǎng)絡(luò)規(guī)則：
在高速數(shù)字電路中， 當(dāng)PCB布線的延遲時間大于信號上升時間（或下降時間） 的1／4時，該布線即可以看成傳輸線，為了保證信號的輸入和輸出阻抗與傳輸線的阻抗正確匹配，可以采用多種形式的匹配方法， 所選擇的匹配方法與網(wǎng)絡(luò)的連接方式和布線的拓樸結(jié)構(gòu)有關(guān)。
對于點對點（一個輸出對應(yīng)一個輸入） 連接， 可以選擇始端串聯(lián)匹配或終端并聯(lián)匹配。前者結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但延遲較大。后者匹配效果好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。
對于點對多點（一個輸出對應(yīng)多個輸出） 連接， 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的拓樸結(jié)構(gòu)為菊花鏈時，應(yīng)選擇終端并聯(lián)匹配。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)為星型結(jié)構(gòu)時，可以參考點對點結(jié)構(gòu)。
星形和菊花鏈為兩種基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 其他結(jié)構(gòu)可看成基本結(jié)構(gòu)的變形， 可采取一些靈活措施進行匹配。
在實際操作中要兼顧成本、 功耗和性能等因素， 一般不追求完全匹配，只要將失配引起的反射等干擾限制在可接受的范圍即可。

13）走線閉環(huán)檢查規(guī)則：
防止信號線在不同層間形成自環(huán)。在多層板設(shè)計中容易發(fā)生此類問題， 自環(huán)將引起輻射干擾。

14）走線的分枝長度控制規(guī)則：
盡量控制分枝的長度，一般的要求是Tdelay＜＝Trise／20。

15）走線的諧振規(guī)則：
主要針對高頻信號設(shè)計而言， 即布線長度不得與其波長成整數(shù)倍關(guān)系， 以免產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。

16）孤立銅區(qū)控制規(guī)則：
孤立銅區(qū)的出現(xiàn)， 將帶來一些不可預(yù)知的問題， 因此將孤立銅區(qū)與別的信號相接， 有助于改善信號質(zhì)量，通常是將孤立銅區(qū)接地或刪除。
在實際的制作中， PCB廠家將一些板的空置部分增加了一些銅箔，這主要是為了方便印制板加工，同時對防止印制板翹曲也有一定的作用。

17）重疊電源與地線層規(guī)則：
不同電源層在空間上要避免重疊。主要是為了減少不同電源之間的干擾， 特別是一些電壓相差很大的電源之間， 電源平面的重疊問題一定要設(shè)法避免， 難以避免時可考慮中間隔地層。

18）20H規(guī)則：
由于電源層與地層之間的電場是變化的， 在板的邊緣會向外輻射電磁干擾。稱為邊沿效應(yīng)。
解決的辦法是將電源層內(nèi)縮， 使得電場只在接地層的范圍內(nèi)傳導(dǎo)。以一個H（電源和地之間的介質(zhì)厚度）為單位，若內(nèi)縮20H則可以將70％的電場限制在接地層邊沿內(nèi)；內(nèi)縮100H則可以將98％的電場限制在內(nèi)。

4. 其他

對于單雙層板電源線應(yīng)盡量粗而短。電源線和地線的寬度要求可以根據(jù)1mm的線寬最大對應(yīng)1A 的電流來計算，電源和地構(gòu)成的環(huán)路盡量小。

為了防止電源線較長時，電源線上的耦合雜訊直接進入負(fù)載器件，應(yīng)在進入每個器件之前，先對電源去藕。且為了防止它們彼此間的相互干擾，對每個負(fù)載的電源獨立去藕，并做到先濾波再進入負(fù)載。

審核編輯：何安