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PCBPCBPCBPCB板布局原则、布线技巧（图解）摘要本文对旁路电容、电源、地线设计、电压误差和由PCB布线引起的电磁干扰(EMl)等几个方面问题，以及和模拟和数字布线的基本准则进行讨论与分析，并以12位传感系统为例对布局窍门的应用作说明。关键词模拟数字布局电磁干扰(EMl)PCB设计噪声容限高阻抗前言----电子产品工程化的关键步骤现代电子工程领域中的数字设计人员和数字电路板设计人员在不断增加，这反映了行业的发展趋势。尽管对数字设计的发展与重视给电子产品带来了重大发展，但并不是说模拟电路设计重要性可以大幅降低，相反仍然存在、而且还会一直存在着一部分数字电路与模拟或现实环境接口的电路设计。特别是模拟布局和数字布局技术是不能掉以轻心的，因为它直接关系到电子产品的质量，是电子产品工程化很关键的步骤，也是设计人员迫切希望了解和掌握的问题。应该说，模拟和数字领域的布线策略有一些类似之处，但要获得更好的结果时，若采用的布线策略不同，即仍旧是用简单电路布线设计，则不再是最优或最佳方案了。为此，本文就旁路电容、电源、地线设计、电压误差和由PCB布线引起的电磁干扰(EMl)等几个方面，就模拟和数宇布线的基本相似之处与差别及以12位传感系统为例说明的布局窍门进行讨论与分析。为此，先述模拟和数字布线要领的相似之处。一、PCBPCBPCBPCB布局布线基本要领1111、旁路或去耦电容在布线时，模拟器件和数字器件都需要这些类型的电容，都需要靠近其电源引脚连接一个旁路电容，此电容值通常为0.1μF。系统供电电源则需要另一类去耦电容，通常此电容值大约为10μF。这些电容的位置如图1所示。电容取值范围为推荐值的1/10至10倍之间。但引脚须较短，且要尽量靠近器件(为0.1μF电容)或供电电源(为10μF电容)。在电路板上加旁路或去耦电容，以及这些电容在板上的布置，对于数字和模拟设计来说都属于基本常识，但其功能却是有区别的。在模拟布线设计中旁路电容通常用于旁路电源上的高频信号，如果不加旁路电容，这些高频信号可能通过电源引脚进入敏感的模拟芯片。一般来说，这些高频信号的频率超出模拟器件抑制高频信号的能力。如果在模拟电路中不使用旁路电容的话，就可能在信号路径上引入噪声，更严重的情况甚至会引起振动。而对于控制器和处理器这样的数字器件来说，同样需要去耦电容，但原因不同。这些电容的一个功能是用作“微型”电荷库，这是因为在数字电路中，执行门状态的切换(即开关切换)通常需要很大的电流，当开关时芯片上产生开关瞬态电流并流经电路板，有这额外的“备用”电荷是有利的。如果执行开关动作时没有足够的电荷，会造成电源电压发生很大变化。电压变化太大，会导致数字信号电平进入不确定状态，并很可能引起数字器件中的状态机错误运行。流经电路板走线的开关电流将引起电压发生变化，由于电路板走线存在寄生电感，则可采用如下公式计算电压的变化：V=Ldl/dt其中V=电压的变化L=电路板走线感抗dI=流经走线的电流变化dt=电流变化的时间因此，基于多种原因，在供电电源处或有源器件的电源引脚处施加旁路(或去耦)电容是非常好的做法。2222、电源线和地线要布在一起电源线和地线的位置良好配合，可以降低电磁干扰(EMl)的可能性。如果电源线和地线配合不当，会设计出系统环路，并很可能会产生噪声。电源线和地线配合不当的PCB设计示例如图2所示。在此电路板上，使用不同的路线来布电源线和地线，由于这种不恰当的配合，电路板的电子元器件和线路受电磁干扰(EMI)的可能性比较大。此电路板上，设计出的环路面积为697平方米。而采用图3所示的方法，电路板上或电路板外的辐射噪声在环路中感应电压的可能性会大大降低。在此单面板中，到电路板上器件的电源线和地线彼此靠近。此电路板中电源线和地线的配合比图2中恰当，其设计出的环路面积为12.8平方米。电路板中电子元器件和线路受电磁干扰(EMI)的可能性降低了679/12.8倍或约54倍。3333、如何抑制地线干扰3.13.13.13.1地线干扰成因所谓干扰，必然是发生在不同的单元电路、部件或系统之间，而地线干扰是指通过公用地线的方式产生的信号干扰。注意这里所提到的信号，通常是指交流信号或者跳变信号。地线干扰的形式很多，有人把它归结成两类：地线环路干扰、公共阻抗干扰，我认为应该还要加上地线环路的电磁偶合干扰，因此是三类。下图可以很好的说明三类地线干扰的成因。衡性，每根导线上的电流不同，因此会产生差模电压，对电路造成影响。具体的说就是“B单元电路”的地线电流，在J、N、L、M形成的“地线环路”中，对放大器A1和A2造成了影响。由于这种干扰是由电缆与地线构成的环路电流产生的，因此成为地环路干扰。3.23.23.23.2地环路电磁耦合干扰在实际电路的PCB上，J、N、L、M形成的“地线环路”将包围一定的面积，根据电磁感应定律，如果这个环路所包围的面积中有变化的磁场存在，就会在环路中产生感生电流，形成干扰。空间磁场的变化无处不在，于是包围的面积越大干扰就越严重。3.33.33.33.3公共阻抗干扰认真考察上图所示的电路结构，我们将发现，J、N、L、M中，有一条连接是多余的，随便去除其一，仍然可以满足各个接地点的连通关系，同时又可以消除地线环路。那么，将哪一条连线去除比较合理呢？这时就要考虑另一类的干扰问题——公共阻抗干扰。①去除J：这是最差的方案。J去除后地线环路似乎消失了，可是另一个更可怕的环路又形成了（I、N、L、M），其中I是信号线，因此干扰比原来有线J时还要严重。②去除M：环路消失，但是我们发现，此时放大器A2的地线电流需要流过J、N到达接地零点，注意N段是A1和A2共同的接地线，因此A2接地电流在N上形成的电压降就加到了A1上，形成干扰。这种因共用一段地线而形成的干扰称为“公共阻抗干扰”。③去除L：不仅不能解决A2与A1之间的公共阻抗干扰问题，还引起了“B单元电路”与A1、A2之间的公共阻抗干扰问题。④去除N：看来这是最后的方法。其实这样做将使M成为A1、A2的“公用阻抗”，同样形成干扰。还是存在问题！但是，我们注意到，此法中的干扰是A1对A2的干扰，A2是后级，工作信号强度远大于A1，因此A1对A2的干扰，很难造成不良后果。最合理的走线方案是：去除N，然后将M的下端直接连到“接地信号零点”上。3.43.43.43.4小结地线造成电磁干扰的主要原因是地线存在阻抗，当电流流过地线时，会在地线上产生电压，这就是地线噪声。在这个电压的驱动下，会产生地线环路电流，形成地环路干扰。当两个电路共用一段地线时，会形成公共阻抗耦合。解决地环路干扰的方法有切断地环路，增加地环路的阻抗，使用平衡电路等。解决公共阻抗耦合的方法是减小公共地线部分的阻抗，或采用并联单点接地，彻底消除公共阻抗二、模拟和数字电路布线要领1111、地平面可能是个难题电路板布线的基本知识既适用于模拟电路，也适用于数字电路。一个基本的经验准则是使用不间断的地平面，这一基本准则可降低了数字电路中的dI／dt(电流随时间的变化)效应，因为dI／dt效应会造成地的电势并使噪声进入模拟电路。数字和模拟电路的布线技巧基本相同，但有一点除外。对于模拟电路，还要另外一点需要注意，就是要将数字信号线和地平面中的回路尽量远离模拟电路。这一点可以通过如下做法来实现：将模拟地平面单独连接到系统地连接端，或者将模拟电路放置在电路板的最远端，也就是线路的末端。这样做是为了保持信号路径所受到的外部干扰最小。对于数字电路就不需要这样做，数字电路可容忍地平面上的大量噪声，而不会出现问题。2222、元件的位置如上所述，在每个PCB设计中，电路的噪声部分和“安静”部分(非噪声部分)要分隔开。一般来说，数字电路“可含”噪声，而且对噪声不敏感(因为数字电路有较大的电压噪声容限)；相反，模拟电路的电压噪声容限就小得多。两者之中，模拟电路对开关噪声最为敏感。在混合信号系统的布线中，这两种电路要分隔开，如图4所示，其4(a)将电路的数字和模拟部分分隔开，数字电路应靠近接扦件和电源位置；其4(b)尽可能将高频和低频分开，其高频元件应放置在接扦件和电源附近。3333、PCBPCBPCBPCB设计产生的寄生电容和寄生电感PCB设计中可能会产生的问题是，寄生电容和寄生电感很容易形成。寄生电容的产生与减少设计电路板时，放置两条彼此靠近的走线就会产生寄生电容，这是用了以下走线方法所产生的，见图5所示。即在不同的两层，将一条走线放置在另一条走线的上方；或者在同一层，将一条走线放置在另一条走线的旁边。在这两种走线配置中，一条走线上电压随时间的变化(dV/dt)可能在另一条走线上产生电流。如果另一条走线是高阻抗的，电场产生的电流将转化为电压。快速电压瞬变最常发生在模拟信号设计的数字侧。如果发生快速电压瞬变的走线靠近高阻抗模拟走线，这种误差将严重影响模拟电路的精度。在这种环境中，模拟电路有两个不利的方面：其噪声容限比数字电路低得多；高阻抗走线比较常见。那采用何种技术可以减少这种现象呢？采用下述两种技术之一可以减少这种现象。最常用的技术是根据如下的电容公式，改变走线之间的尺寸。要改变的最有效尺寸是两条走线之间的距离。应该注意，变量“d”在电容方程的分母中，“d”增加，容抗会降低。可改变的另一个变量是两条走线的长度。在这种情况下，长度“L”减小，两条走线之间的容抗也会降低。另一种技术是在这两条走线之间布地线。地线是低阻抗的，而且添加这样的另外一条走线将削弱产生干扰的电场，如图5所示。寄生电感产生与降低电路板中寄生电感产生的原理与寄生电容形成的原理类似。也是布两条走线，在不同的两层，将一条走线放置在另一条走线的上方；或者在同一层，将一条走线放置在另一条的旁边，如图6所示。在这两种走线配置中，一条走线上电流随时间的变化(dI／dt)，由于这条走线的感抗，会在同一条走线上产生电压，并由于互感的存在，会在另一条走线上产生成比例的电流。如果在第一条走线上的电压变化足够大，干扰可能会降低数字电路的电压容限而产生误差。并不只是在数字电路中才会发生这种现象，但这种现象在数字电路中比较常见，因为数字电路中存在较大的瞬时开关电流。为消除电磁干扰源的潜在噪声，最好将“安静”的模拟线路和噪声I／O端口分开。要设法实现低阻抗的电源和地网络，应尽量减小数字电路导线的感抗，尽量降低模拟电路的电容耦合。三、12121212位传感系统为例的布局窍门12位传感系统简介布局窍门以12位传感系统的良好布线方法作为应用举例，其目的为了讨论概念和原理，而不是为了将某个布线推荐为唯一可用的方案。其应用电路是一负载单元电路，该电路可精确测量传感器上施加的重量，然后将结果显示在LCD显示屏。系统电路原理图如图7所示。这儿采用的负载单元是Omega公司的LCL-816G桥式压力传感器。LCL-816G传感器模型是由四个电阻元件组成的桥，需电压激励。将5V激励电压加在传感器高端，施加32盎司(重量单位)最大信号时，满刻度输出摆幅为+/-10mV差分信号。该小差分信号被双运放仪表放大器(MCP6021)放大。根据电路精度要求，选了一个12位A/D转换器。当转换器将输入端的电压进行数字化后，数字码经转换器SPI(串行外设端口发送到单片机。然后，单片机用软件查表法表将来自A/D转换器的数字信号转换为重量。此时如需要的话，线性化和标定工作可由单片机(控制器)代码实现。完成这一步后，结果送到LCD显示器。最后一步是为控制器软件固化。电路设计好后，下面即可设计印刷电路板和布线了。3.13.13.13.1关于设计印刷电路板和布线需要说明的是，若使用自动布线工具，则经常要返回来对布线做很大的修改。如果自动布线工具可以实现布线限制，可能还有成功的可能性。但如果自动布线工具没有限制选项的话，为此，最好的方法是不要使用自动布线工具，为此采用手工布线。3.1.13.1.13.1.13.1.1布线的一般准则器件布局既然是采用手工布线，那么第一个步骤是在板上放置器件。这个关键步骤应该做的比较好，因为可将噪声敏感器件和产生噪声器件分开放置。完成这个任务有两个准则：第一、将电路中器