關鍵詞 四層 PCB，抗干擾，嵌入式系統
摘 要
摘 要 詳細介紹有關
電路板的 PCB
設計過程以及應注意的問題。在
設計過程中針對普通元
器件及一些特殊元器件采用不同的布局原則； 比較手工布線、 自動布線及交互式布線的優點
及不足之處； 介紹 PCB 電路以及為了減小電路之間的干擾所采取的相關措施。 結合親身
設計經驗，以基于 ARM、自主移動的嵌入式系統核心板的 PCB
設計為例，簡單介紹有關四層電路
印制
電路板(PCB)在電子產品中，起到支撐電路元件和器件的作用，同時還提供電路元
件和器件之間的電氣連接。其實，PCB 的
設計不僅是排列、固定元器件，連通器件的引腳這
樣簡單，它的好壞對產品的抗干擾能力影響很大．甚至對今后產品的性能起著決定性作用。
隨著電子技術的飛速發展，元器件和產品的外形尺寸變得越來越小，工作頻率越來越高，使
得 PCB 上元器件的密度大幅提高， 這也就增加了 PCB
設計、 加工的難度。 因此， 可以這樣說，
PCB 設汁始終是電子產品開發
設計中重要的內容之一。
1 布局
所謂布局就是把電路圖中所有元器件都合理地安排在面積有限的 PCB 上。 從信號的角度
路板時，一定要仔細考慮，將元器件通過手工方式擺放在
電路板的合適位置，以便將數字和
模擬器件分開，如圖 l 所示。
在安排 PCB 的布局過程巾， 關鍵的問題是： 開關、 按鈕、 旋鈕等操作件以及結構件(簡
稱“特殊元件”)等，必須事先安排到指定(合適)的位置上。放置好之后，可以設置元器什
的屬性，將 LOCK 項選中，這樣就可以避免以后的操作誤將其移動；而對于其他元器件的位
置安排， 必須同時兼顧布線的布通率和電氣性能的優化， 以及今后的生產工藝和造價等多
方面因素．所謂的“兼顧”往往是對
設計工作人員水平和經驗的挑戰。
1.1 特殊元件的布局原則
①應當盡可能地縮短元器件之間的連線， 設法減小它們的分布參數和相互之間的電磁干
擾。那些易受電磁干擾的元器件不能挨得太近，輸入和輸出元件應盡量彼此遠離。
②某些元器件或導線之間可能有較高的電位差， 因此應加大它們之間的距離， 以避免放
電而引起意外的短路； 同時從安全的角度考慮， 帶高壓的元器件應盡量布置在調試時手不易
觸及的地方。
③對于質量超過 15g 的兀器件， 應當使用支架加以固定后， 再進行焊接。 那些又大又重、
發熱量大的元器件，不宜裝在印制板上，而應裝在整機的機箱底板上；且要考慮散熱問題，
熱敏元器件應當遠離發熱元件。
④對于電位器、可凋電感線、可變電容器、微動開關等可調元件的布局，應考慮整機的
結構要求。若是機內調節，則應放在印制板上方便調節的地方；若是機外調節，則其位置要
與調節旋鈕在機箱面板上的位置相適應。
1.2 普通元器件的布局
①按照電路的流程安排各個電路單元的位置， 使布局便于信號的流通， 并且盡量使信號
能夠保持一致的方向。
②以每個功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進行布局。元器件應當均勻、整齊、緊
湊地排列在 PCB 上．盡量減少和縮短各器件之間的引線和連接。
③在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數。一般情況下，電路應盡可能使
元器件平行排列，不僅可以達到美觀的效果，而且易于裝焊和批量生產。
其長寬比可為 3：2 或 4：3。當
電路板面尺寸大于 200mm×150mm 時，應考慮
電路板所承受
的
機械強度。若在實際
設計過程中，開始時并不能確定 PCB 板所需的尺寸，則可以
設計得稍
微大一些。 待 PCB
設計工作結束后， 可在 Protel DXP 中選擇 Design→Board Shape→Redefine
Board Shape 操作，對原先的 PCB 進行適當的裁剪。
另外，根據本人的實際工作經驗，若要對已有的
電路板進行某些功能的擴充或縮減，需
要重新
設計新的 PCB，則在實際布局時可以參照母板上的布局，通過手工方式將元器件安排
在恰當的位置上；在布線過程中，再根據實際需要進行調整，以進一步提高布通率。
2 布線
布線是在布局之后，通過設汁銅箔的走線圖，按照原理圖連通所有的走線。顯然，布局
的合理程度將直接影響到布線的成功率， 因而往往在布線的整個過程中， 都需要對布局進行
適當的調整。布線
設計可以采用雙層走線和單層走線；對于極其復雜的
設計，也可以考慮多
層布線方案。
在 PCB
設計中，布線足完成產品
設計的重要步驟?？梢赃@樣說，前面各項準備工作都是
為它而做的。PCB 布線有單面布線、雙面布線和多層布線。布線的方式有兩種：自動布線和
交互式布線。
在 PCB
設計中，
設計人員往往希望能夠采用自動布線的方式。在通常情況下，對于純數
字信號
電路板(尤其信號電平比較低，
電路板密度比較小時)采用自動布線是沒有問題的。 但
是，在
設計模擬信號．混合信號或高速
電路板時，如果也完全采用自動布線，可就要出問題
了，甚至可能帶來嚴重的電路性能問題。
目前，雖然已經有一些自動布線的工具功能非常強大，通?？梢赃_到 100％的布通率，
但是整體外觀效果不是很美觀， 有時連線排列雜亂無章， 兩個引腳之間的連線并不是短(
優)路徑。
對于電路相對比較復雜的
設計， 請盡量不要完全采用自動布線方式。 建議在采用自動布
線之前， 首先采用交互式方式預先對那些要求比較嚴格的線進行布線。 同時輸入端和輸出端
的邊線應避免相鄰平行，以免產生反射干擾；兩相鄰層的布線要相互垂直，平行容易產生寄
生耦合，這一約束條件可以在布線規則中添加。
自動布線的布通率，依賴于良好的布局。布線規則要預先設定，包括走線的彎曲次數、
導通孔的數目和步進的數目等。一般先進行探索式市線，快速地把短線先連通；然后再進行
迷宮式布線，先把要布的線進行全局的布線路徑優化，它可以根據需要斷開已布的線，并重
新布線，以改進總體效果。
在手工布線時，為了確保正確實現電路，需要遵循一些通用的
設計規則：盡量采用地平
面作為電流回路；將模擬地平面與數字地平面分開；如果地平面被信號線隔斷，那么為減少
對地電流回路的干擾，應使信號走線與地平面垂直；模擬電路盡量靠近電路扳邊緣放置，數
字電路盡量靠近電源連接端放置，這樣做町以減小由數字開關引起的 di/dt 出效應。
3 PCB 電路及電路抗干擾措施
抗干擾
設計與具體電路有著密切的關系，也是一個很復雜的技術問題。這里結合在 PCB
①電源線的
設計。根據 PCB 電流的大小，盡量加粗電源線的寬度(在布線
設計規則中，
可以單獨為電源線和地線的線寬做新的約束規則)，減少環路電阻，尤其要注意使電源線、
地線的供電方向與數據、信號的傳遞方向相反，有助于增強抗噪聲能力。
②地線的
設計。 地線既是特殊的電源線， 又是信號線。 除了要遵循電源線的
設計原則外，
還應做到：數字地與模擬地分開；若線路板上既有邏輯電路又有線性電路，則應使它們盡量
分開； 低頻電路的地應盡量采用單點并聯接地， 實際布線有困難時可部分串聯后再并聯接地；
高頻電路宜采用多點串聯接地， 地線應短而粗， 高頻元件周圍盡量用柵格狀進行大面積地敷
銅；盡量加寬電源和地線寬度，好是地線要比電源線寬一些，它們的寬度關系是，地線>
電源線>信號線。
③數字電路系統的接地構成閉環路，即構成一個地網，能提高抗噪聲能力。
④數字電流不應流經模擬器件，高速電流不應流經低速器件。
⑤在電源地線之間加上去耦電容，以提高電源回路的抗干擾能力。
4 具體實例
以下實例是基于 ARM、自主移動的嵌入式系統核心板的 PCB
設計。
4.1 核心板原理圖
在核心板原理圖中，核心元件為 S3C44BOX。該元件是一款高性能的 16／32 位 RISC 微
處理器，66MHz 的主頻，內部集成了 LCD 控制器，適用于手持設備，采用 160-QFP 封裝。在
該系統中， 電源電路需要使用 5V 和 3． 3V 的直流穩壓電源， 其中 S3C44BOX 使用 2． 5V 電源，
外圍器件需 3．3V 電源，其他部分器件需 5V 電源；晶振電路用于向 CPU 以及其他電路提供
工作時鐘，S3C44BOX 使用常用的無源晶振；U6、U7 和 U9 構成此系統的存儲系統。
①本 PCB
設計使用的軟件工具為 Protel DXP。該核心板為四層
電路板，頂層和底層為
信號層，中間哺層分別為電源層和地層。頂層和底層的 PCB 圖如圖 2 和圖 3 所示。
②母板的原始 PCB 尺寸為 55mm×70mm，但在實際
設計過程中，若也將 PCB 尺寸
設計為
此值，則在布線過程中會遇到難以布通的實際困難，因此先將板尺寸
設計得稍微大一些，在
布線成功之后，選擇 Design→Board Shape→Redefine Roard Shape 對 PCB 板進行裁剪。
③在由原理圖生成 PCB 圖時，通過手工的方式，將一些要求比較嚴格的元器件(U5、U6、
U7 和 U9)放置在適當的位置，并將其鎖定；同時要將晶振放置在 U5 的附近。在擺放其他元
器件時也要注意元器件之間的距離，如果兩個元器件距離太近，則會產生干擾，并呈綠色顯
示。
④在系統中，S3C44BOX 的片內工作頻率為 66MHz。因此，在印刷
電路板的
設計過程中，
應該遵循一些高頻電路的
設計基本原則，否則會使系統工作不穩定甚至不能正常工作。
⑤對于目前高密度的 PCB
設計， 已經感覺到貫通孔不太適應了， 浪費了許多寶貴的布線
通道。為解決這一矛盾，出現了盲孔和埋孔技術，它不僅實現了導通孔的作用，而且還省出
許多布線通道，使布線過程完成得更加方便、流暢，更加完善。在大多數教程中，也提倡在
多層
電路板的
設計中采用盲孔和埋孔技術。 這樣做雖然可以使布線工作變得容易， 但是同時
也增加了 PCB
設計的成本。 因此是否選取此技術， 要根據實際的電路復雜程度及經濟能力來
決定。筆者在
設計四層板的過程中并沒有采用此技術，如果覺得貫通孔數目太多，則可以在
布線前在布線規則中限制打孔的上限值。
⑥在布線前， 預先在布線規則中設置頂層采用水平布線， 而底層則采用垂直布線的方式。
這樣做可以使頂層和底層布線相互垂直， 從而避免產生寄生耦合； 同時在引腳間的連線拐彎
處盡避免使用直角或銳角，因為它們在高頻電路中會影響電氣性能。
⑦PCB
設計采用交互式布線方式。首先對元器件 J1、J2 與 U5 之間的引腳連線手工進行
預布線，在微處理器的輸入／輸出信號中，有相當一部分是相同類型的，如數據線、地址線
和信號線。對于這些相同類型的信號線應該成組、平行分布，并注意它們之間的長短差異不
要太大，這樣既可以減小干擾，增強系統的穩定性，又可以使布線變得簡單，印刷
電路板的
外觀更加整齊美觀。 然后對其余元器件采用自動布線(其問可以嘗試不同的布線策略)， 當布
線成功之后，對一些不理想的布線可以進行修改、優化。
⑧布線
設計完成后， 須認真檢查布線
設計是否符合
設計者所制定的規則， 同時電需要確
認所制定的規則是否符合印制板生產工藝的需求；然后對焊盤補淚滴，使焊盤不容易起皮，
走線與焊盤不易斷開；后對印制線路板上進行大面積敷銅，這樣有利于散熱和屏蔽，減小
干擾。 由于印制線路板板材的基板與銅箔間的粘合劑在浸焊或長時間受熱時， 會產生揮發性
氣體無法排除，熱量不易散發，以致產生銅箔膨脹、脫落現象，因此在大面積敷制時，應將
結語
本文中主要介紹丁有關
電路板的 PcB 沒汁過程以及注意事項， 并將親身
設計經驗和大家
共同分享， 但由于本人能力有限， 尚存在許多不足之處， 望能夠得到專業人士的指正和賜教。
總之，PCB 板的沒計過程是一個既復雜而又簡單的過程，還需廣大電子工程
設計人員自己去
體會，才能得到其中的真諦。
來源：
四層電路板的 PCB 設計
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