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1、毕业 4 年以来，虽然其中有段时间在做嵌入式实时软件系统的驱动部分，可一直都挂着 “硬件工程师”的头衔。其实有点惭愧，谈不上对硬件的有多深的造诣，除了 有相当一部 分时间设计硬件电路以外，更重要的也就是 PCB 布板。仔细想想，其中亲手布过的电路板， 从简单的数字电视机顶盒前面板的单层板，到复杂一点的 AT89C51 为核心的工业控制类的 双层板，无线扩频电台的基带双层板，高速 FPGA 的应用板，再到比较复杂的含有 DDR MEMERY 总线的四层板等不下 20 块，所幸的还有接触过的手机电路的 8 层板，所以，终归 对 PCB 的布板有些想法。想法也罢，经验也罢，只要能够对读者的 布板有所
2、帮助的话，也 就达到了我写这篇文章的目的。一块优秀的电路板，除了在实现电路原理功能之外，还要考虑 EMI,EMC， ESD，信号完整 性等电气特性，也要考虑机械结构，大功耗芯片的散热问题，在这基础上再考虑电路板美 观问题。所以，PCB 板布线是门艺术，具体而言是门折 衷的艺术。在开始学习摸索 PCB 布 线之前，或许您会在各式各样的参考书中看见各式各样的 PCB 板布线的规则，即使许多规 则在一定程度上会是有相同的内涵， 可是在不同的实际布板实践中会有不同的侧重点，甚 至规则之间会产生冲突。举个例子：规则一信号传输的路径越短越好，规则二是在高频布 线要求阻抗匹配。在考 虑布 DDR MEMOR
3、Y 的总线时，SOP 封装的 MEMERY 芯片不可能对所有 的 TRACK 实现规则一,正确的做法是整体考虑阻抗匹配的条件下实现所有的 TRACK 相 对最 短。因此，实际布线中规则之间的不可兼得就会让读者布线过程中自觉的有效的利用这些 规则时产生种种疑惑，甚至就陷入这样或者是那样的一般性的规则中不 知所措。在这就需 要强调一点各种布线规则只是指导性的，要结合实际的布线过程去不断折衷以取得最 大的效用。我想只要在实际布线中自觉注意这些规则，或 多或少会对布线的效果有所帮助。1 模块化，结构化的思想不仅体现在硬件原理设计中，也要反映在布局布线效果中如 今的硬件平台的集成度越来越高，系统越来越复
4、杂，自然而然也就要求无论是硬件原理 图的设计中还是 PCB 布线中使用模块化，结构化设计的方法。如果接触过大 规模的 FPGA 或是 CPLD 就知道，复杂 IC 的设计必然要求采用自上至下的模块化的设计方法。所以作为 硬件工程师，在了解系统整体架构的前提下，首先应该 在原理图和 PCB 布线设计中自觉融 合模块化的设计思想。举个例子，数字电视机顶盒的硬件平台的主 ICQAMI5516 中就有如 下的几种模块：ST20:主频 180MHZ 的 32 位 RISC CPUPTI:TRANSPORT STREAM 的处理单元DISPLAY:MPEG-2 解码，显示处理单元DEMODULATOR:Q
5、AM 解调器MEMORY INTERFACE：不同应用系统所需要不同的 MEMORY 的接口STBUS：各个模块的数据通讯总线PERIPHERALS:UART,SMARTCARD,IIC,GPIO,PWM 等常用外设AUDIO:音频输出接口VEDIO:视频输出接口QAMI5516 模块化的设计过程，虽然不一定要求硬件工程师了解系统的方方面面，可是必然 要求在设计硬件平台时，把在实际运用中使用到的 IC 不同模块的接口部分当作一个 子系 统来处理：例如音频部分电路和视频部分电路在布局布线的时候就应该在一个整体区域内 进行。这样做，不仅延续了 IC 模块化设计的思路，而且可以方便在需 要进行 PC
6、B 板的物 理分隔，减少不同模块之间的电气耦合，可以方便整个系统的调试。我们知道，硬件调试 中最容易检查，处理电路原理设计中的错误的方法就是 “头痛医头，脚痛医脚” ，即上述 的 QAMI5516 平台中，如果音频部分电路有问题，首先要做的就是检查校验音频模块。模块化的 思想还体现在系统总线的布线上，通常总线都区分为 CONCROL BUS,DATA BUS,ADDR BUS,这三类。例如上面 QAMI5516 中 SMI 上使用的是一片 16M 的 SDRAM,工作频率 在 100MHZ，这就要求这一组总线在布线过程中需要统一 成一个整体来考虑阻抗匹配。在 实际的布线过程中，不可能要把这些线
7、布得七零八落吧。模块化的思想也有利于 PCB 板的布局。模块化的思想也有利于硬件系统的功能的扩展或是更改。2 站在整个系统的角度上，分析各个模块信号的性质，确定其在整个系统中占据的地位， 从而确定模块在布局布线的优先级布 局对于整个系统具有重要的意义，这要求在实际的布线过程中，对于各个模块的具体处 理有轻重缓急之分。一般的布局规则，都要求区分模块是模拟电路，还是数字 电路，是高 频电路还是低频电路，是主要的干扰源还是敏感的关键信号等等。因此，在布局之前必须 仔细分析各个模块信号的性质包括模块的属性，功能，供电电 源，具体信号的频率，电流 的流向，电流强度等，以确定模块在 PCB 板上布局。通常
8、，在机械结构确定的情况下，复 杂的系统还会有 N 种不同的布局方式，这需要 站在系统的角度上依照一些规则的折中来找 出最优化的布局布线。在数字模块中，都会有时钟，例如 SDRAM 的 CLOCK，而时钟电 路是影响 EMC 的主要因素。 集成电路的大部分噪声都与时钟频率及其多次谐波有关。如果 CLOCK 信号是一个正弦波形 式，如果处理不当，对系统会“贡献”一 个该频率或是该频率的倍频的干扰源，如果是 CLOCK 信号是方波形式，则对系统“贡献”一个杂散频率的干扰源。同时，CLOCK 还是一个 容易受干扰的信 号，如果 CLOCK 受到干扰，对数字系统的影响可想而知。因此，时钟电路 模块是属于
9、关键模块，在布局布线过程中优先各种规则考虑其布局布线。类似的还有在现在许多的嵌入式硬件系统中的各种各样的中断模块。中断的触发有电平触 发和边沿触发。曾经碰到过一个设置为上升沿触发的中断因外界的干扰而不断的被触发， 最终导致了 RTOS 由于处理不过来而堵死的现象。按 照这一原则来分析二个简单的电路布局。在一个我接触到的手机硬件平台中，显示屏的 亮度电路是通过一个 PWM 产生的不同脉宽信号，经过一个 RC 积分电路建立 不同的背光灯 电压来实现的。PWM 信号和 CLOCK 相比，在对整个系统 EMI 的影响上在某种意义上是相同 的。但是如果仔细分析一些，就应该知道，如果在布 线时，IC 的
10、PWM 信号在尽可能短的 路径上建立模拟的电平后才在 PCB 板上传输，也就是说电阻和电容尽可能的*近 PWM 管脚放 置，这样可以使 PWM 对系统 的干扰减小到最小。在手机硬件平台的设计中，RF 部分和音 频部分是系统的核心，这两部分的布线占据绝对核心的地位，在布线时置于优先考虑的地 位。所以在实 际布局布线中，这两个模块的信号线单独布在一中间层，并且在其邻层使用 电源层和地层，把它屏蔽起来，同时其他模块尽量远离这两个模块，以免引入干扰。另外 尝试着考虑这样一个细节:MIC 输入很小的音频信号需要经过放大到一定的程度后再输入到 AUDIO ADC 中。我们知道抽象意义上的信道传输信噪比是衡
11、量噪声对系统的影响。可以相 互参照，一个小的噪声在音频信号放大之前就串扰就信道和在音频信号在放大之 后才进信 道对音频指标的影响。如果这信道的路径不得以经过一些强干扰源的区域，建议音频信号 进行放大后再进行传输。再比如在复杂 系统的总线上通常会挂接类型的设备，如 I2C 总线可以挂 127 个从设备，在 某些机顶盒硬件平台中通常会挂上 DEMODULATOR,TUNER, E2PROM。这也要求对不同的设备 对于分享总线的频率上加以区分，对于使用频率高的设备放在相对比较重要的位置上。例 如在上述 QAMI5516 平台上的 EMI 接口同时使用了 SDRAM，FLASH 两种设备。基于对系统的
12、 理解，SDRAM 放置的是实时操作系统的运行代码，FLASH 是作为一种存储介质，在 软件系 统运行过程中 SDRAM 相对于 FLASH 有更多的读写操作，因此在布线过程中应该先考虑SDRAM 的位置。3 注重电源完整性，布局布线中优先考虑电源和地线的处理在 任何电子系统中，干扰源对系统的干扰不外乎通过两种途径：一是通过导体的传递，二 是通过电磁辐射经过空间的耦合。在频率较低的系统中主要是第一种路径，在 高频系统中 也有相当部分的干扰原因是通过导体的传递，其中比较明显的就是 IC 产生的噪声通过电源 和地干扰整个系统。因此，电源的完整性或者说是电源质量对 整个系统的抗干扰能力具有 至关重要
13、的意义。电源完整性实际上是信号完整性的一部分，然而考虑到电源对于所有系 统的重要性，在此单独列出。要声明的是，在实 际系统中，要做到这一点并不容易，系统 中总会有各种不同频率的噪声。在电路设计和 PCB 布局布线中只是极力的减小各种频率的 噪声，从而提高系统的抗噪声的 整体性能。同时，在复杂系统中，减少系统的噪声不是更 改一两电容的值就能够做到，而是需要注意电源滤波效果的累积。在手机硬件设计中，有 专门的 PMU 来对 管理对各个模块供电，然而 PMU 都是来自 VBAT。无法想象，如果是敏感 的音频运放的供电没有经过滤波的处理，直接取自 VBAT，又或者，像给 SDRAM 供电的电路 没有做
14、滤波处理，任由这部分数字电路的开关噪声污染整个 VBAT，会是有什么样的后果？如果对电源完整性有了足够的重 视，结合起前面说过的模块化和各个模块仔细分析后，这 部分还是相对比较好处理。对于 IC 电源 VCC 通常的规则一般都会用旁路电容和去耦电容进 行处理，并且 在布板的时候尽量让这类电容*近 IC 的电源输入处。如果在要求苛刻的系统 中，还可以对不同的敏感频率采用 LCCL 电路（串接一个电感或是磁珠，并一个电解 电容， 并一个瓷片电容，再串一个小的电感，具体值需要依照相应频率确定）滤波。曾经做一个 复杂的系统，由于在系统的 DEMODULATOR 上的一路核心电 源上没有使用旁路电容，从
15、而使 DEMODULATOR 的解调后的误码率高的无法忍受。对于系统中各种 GND 的处理，一般要求分 析电流的回流路径。电流具有 总是选择阻抗最小回流路径的性质。这是一个核心原则，可 以通过这样一个事实来理解：在 PCB 布线中有“铺铜”这样的模式。 “铺铜”经常会在网络 GND 上使 用，所有的数字信号都可以抽象成一个最基本的门级电路，GND 也就是信号回流 路径的一部分。GND 就是通过“铺铜”的方式，使信号的路径上的总阻抗变小。 “就近接 地” ， “最小化接地阻抗”也正是基于这样的考虑。上面只是抛砖引玉的讲述了这几年来鄙人在 PCB 板中的一些感触颇深的几点，有了这三个 指导性原则，并结合具体的许多布线规则，剩下就是您的态度问题了。
