PCB設計的核心——解決問題
2014-09-03 15:10:53 本站原創RS Components全球技術營銷總監Mark Cundle
進行印刷電路板（PCB）設計是指通過設計原理圖紙，進行線路布局，以盡可能低的成本生產電路板。過去，這通常需要借助于價格昂貴的專用工具才能完成，但是現在，隨著免費的高性能軟件工具——例如DesignSpark PCB——以及設計模型的日益普及，大大加快了電路板設計人員的設計速度。
盡管工程設計人員知道，一個完美的設計方案是避免問題出現的最佳方式，不過這仍是一種既浪費時間又浪費金錢，同時治標不治本的方法。比如，如果在電磁兼容性（EMC）測試階段發現問題，將會造成大量的成本投入，甚至需要對最初的設計方案進行調整和重新制作，這將耗費數月的時間。
挑戰
布局是設計人員首先要面對的一個問題。這一問題取決于圖紙中的部分內容，一些設備基于邏輯考慮需要被設置在一起。但是應該注意，對溫度比較敏感的元件，比如傳感器，應當與包括電源轉換器在內的產生熱量的元件分開設置。對于擁有多種電源設置的設計，12伏和15伏電源轉換器，可以分別設置在電路板的不同位置，因為它們產生的熱量和電子噪聲會對其它元件以及電路板的可靠性和性能造成影響。
上述元件也會對電路設計的電磁性能造成影響，這不僅僅對于電路板的性能和能耗十分重要，對于電路板經濟性也會帶來很大的影響，因此所有在歐洲銷售的電路板設備都必須獲得CE標志，以證明不會對其它系統造成干擾。不過，這通常只是從電源供應方面來說的，還有許多設備會發出噪聲，例如DC-DC轉換器、以及高速數據轉換器等。由于電路板設計存在缺陷， 這些噪聲能夠被信道捕獲，并作為小型天線進行輻射，從而產生雜頻噪聲及頻率異常區域。
遠場電磁干擾（EMI）問題可以通過在噪聲點加裝濾波器或者使用金屬外殼來屏蔽信號的方式加以解決。但是對電路板上能夠釋放電磁干擾（EMI）的設備予以充分的重視，卻使得電路板可以選用更廉價的外殼，從而有效降低整個系統的成本。
在電路板的設計過程中，電磁干擾（EMI）確實是一個不得不重視的因素。電磁串擾能夠與信道產生耦合，從而將信號打亂為噪聲，影響電路板的整體性能。如果耦合噪聲過高，則信號有可能會被完全覆蓋，因此必須加裝更加昂貴的信號放大器，才能夠恢復正常。不過，如果在電路板的設計之初，就能夠充分考慮到信號線路布局的話，上述問題就可以避免。由于電路板的設計會根據不同設備、不同使用地點、不同散熱需求、以及不同的電磁干擾（EMI）情況，而有所不同，這時設計模板便派上了大用場。
電容同樣也是電路板設計中一個不容忽視的重要問題，因為電容會影響信號的傳播速度、增加電量的消耗。信道會與旁邊的線路產生耦合或者垂直穿越兩個電路層，從而在無意中形成一個電容器。通過減少平行線路的長度、在其中一條線路上加裝扭結從而切斷耦合等方式，上述問題可以相對容易地加以解決。不過，這也需要工程設計人員充分考慮生產設計原則，確保設計方案便于制造，同時避免由于線路彎折角度過大造成的任何噪聲輻射。線路之間的距離也有可能會過近，這將會在線路之間產生短的回路，尤其是在線路彎折處，隨著時間的推移，會出現金屬“晶須”。設計規則檢測通常可以標示出回路風險比正常情況更高的區域。
這一問題在接地層的設計中顯得尤為突出。一個金屬電路層，有可能會與其上方和下方的所有線路形成耦合。盡管該金屬層確實能夠有效阻隔噪聲，不過該金屬層同時也會產生伴生電容，影響線路的運行速度，并增加電量的消耗。
就多層電路板的設計而言，不同電路板層之間的通孔設計，恐怕是最具爭議性的一個問題，因為通孔設計會給電路板的生產制造，帶來許多問題。電路板層之間的通孔，會影響信號的性能，降低電路板設計的可靠性，因此應當予以充分的重視。
解決方案
在印刷電路板（PCB）的設計過程中，可以采取許多不同的方法，來解決各種問題。其中既有設計方案本身的調整，比如調整線路布局，減少噪聲；也有印刷電路板布局方面的方法。設計元件可以通過布局工具進行自動安裝，不過如果能夠對自動布局進行手動調節，將有助于提高電路板設計的質量。通過這一措施，設計規則檢測將借助于技術文件，確保電路板的設計能夠滿足電路板生產廠商的要求。
將不同的電路板層進行分隔，可以減少伴生電容，不過，這將增加電路板的層數，從而增加成本，帶來更多通孔方面的問題。盡管采用正交電網供電系統和接地線路設計可能會增加電路板的物理尺寸，但卻可以有效發揮雙層電路板中接地層的效用，降低電容量和電路板生產制造的復雜性。
包括DesignSpark PCB在內的設計工具，在設計之初，就可以幫助工程設計人員解決許多問題， 不過工程設計人員還是需要對印刷電路板（PCB）的設計需求有充分的了解。舉例來說，如果印刷電路板（PCB）的編輯人員，在開始設計之初便需要對電路板的層數有所了解，例如，一個雙層的電路板，則需要有一個接地層和一個電源層，兩個相互獨立的板層構成。 元件自動布局技術的用處很大，可以幫助設計人員花費更多的時間，來對設備的布局區域進行設計，例如，供電設備如果與敏感的信號線路或者是溫度較高的區域距離過近的話，就會產生很多問題。與此相同的是，信號線路也可以進行自動布線，同時避免大部分問題的出現，不過，對高風險區域進行分析和手動操作，將有助于大幅度提高印刷電路板（PCB）設計的質量、提高收益、降低總體成本。
設計規則檢測同樣也是一個非常有力的工具，能夠對線路進行檢測，確保線路之間的距離不至于過近，從而造成回路過短。不過，整體設計仍然具有很高的經濟價值。設計規劃檢測工具同時也可以用來檢測和調整電源層與接地層，避免產生大的伴生電容區域。
上述工具對于Gerber和Excellon也將帶來很大幫助，有助他們為了生產出最終的設計成品，而進行線路和電路板印制，以及通孔鉆孔等方面的工作。這樣一來，技術文件就與電路板制造商緊密相連。
結論
在印刷電路板（PCB）的設計過程中需要考慮諸多問題，而包括DesignSpark PCB 在內的工具，能夠有效地處理其中的大部分問題。通過采用某些最佳實踐指導原則，工程設計人員能夠有效地減少成本、提高電路板的可靠性，同時滿足系統規格的要求，以較低的成本彎沉系統認證，從而避免出現更多問題。
