前言

設計高速系統并不僅僅需要高速元件，更需要天才和仔細的設計方案。設備模擬方面的重要性與數字方面是一樣的。在高速系統中，噪聲問題是一個最基本的考慮。高頻會產生輻射進而產生干擾。邊緣極值的速度可以產生振鈴，反射以及串擾。如果不加抑制的話，這些噪聲會嚴重損害系統的性能。

一、實現PCB高效自動布線的設計技巧和要點

盡管現在的EDA工具很強大，但隨著PCB尺寸要求越來越小，器件密度越來越高，PCB設計的難度并不小。如何實現PCB高的布通率以及縮短設計時間呢？本 文介紹PCB規劃、布局和布線的設計技巧和要點。 現在PCB設計的時間越來越短，越來越小的電路板空間，越來越高的器件密度，極其苛刻的布局規則和大尺寸的組件使得設計師的工作更加困難。為了解決設計上 的困難，加快產品的上市，現在很多廠家傾向于采用專用EDA工具來實現PCB的設計。但專用的EDA工具并不能產生理想的結果，也不能達到100%的布通率，而且很亂，通常還需花很多時間完成余下的工作。

現在市面上流行的EDA工具軟件很多，但除了使用的術語和功能鍵的位置不一樣外都大同小異，如何用這些工具更好地實現PCB的設計呢？在開始布線之前對設計進行認真的分析以及對工具軟件進行認真的設置將使設計更加符合要求。下面是一般的設計過程和步驟。

1確定PCB的層數

電路板尺寸和布線層數需要在設計初期確定。如果設計要求使用高密度球柵數組（BGA）組件，就必須考慮這些器件布線所需要的最少布線層數。布線層的數量以及 層疊（stack-up）方式會直接影響到印制線的布線和阻抗。板的大小有助于確定層疊方式和印制線寬度，實現期望的設計效果。

多年來，人們總是認為電路板層數越少成本就越低，但是影響電路板的制造成本還有許多其它因素。近幾年來，多層板之間的成本差別已經大大減小。在開始設計時最 好采用較多的電路層并使敷銅均勻分布，以避免在設計臨近結束時才發現有少量信號不符合已定義的規則以及空間要求，從而被迫添加新層。在設計之前認真的規劃 將減少布線中很多的麻煩。

2設計規則和限制

自動布線工具本身并不知道應該做些什幺。為完成布線任務，布線工具需要在正確的規則和限制條件下工作。不同的信號線有不同的布線要求，要對所有特殊要求的信 號線進行分類，不同的設計分類也不一樣。每個信號類都應該有優先級，優先級越高，規則也越嚴格。規則涉及印制線寬度、過孔的最大數量、平行度、信號線之間 的相互影響以及層的限制，這些規則對布線工具的性能有很大影響。認真考慮設計要求是成功布線的重要一步。

3組件的布局

為最優化裝配過程，可制造性設計（DFM）規則會對組件布局產生限制。如果裝配部門允許組件移動，可以對電路適當優化，更便于自動布線。所定義的規則和約束條件會影響布局設計。

在布局時需考慮布線路徑（roung channel）和過孔區域。這些路徑和區域對設計人員而言是顯而易見的，但自動布線工具一次只會考慮一個信號，通過設置布線約束條件以及設定可布信號線的層，可以使布線工具能像設計師所設想的那樣完成布線。

4扇出設計

在扇出設計階段，要使自動布線工具能對組件引腳進行連接，表面貼裝器件的每一個引腳至少應有一個過孔，以便在需要更多的連接時，電路板能夠進行內層連接、在線測試（ICT）和電路再處理。

為了使自動布線工具效率最高，一定要盡可能使用最大的過孔尺寸和印制線，間隔設置為50mil較為理想。要采用使布線路徑數最大的過孔類型。進行扇出設計 時，要考慮到電路在線測試問題。測試夾具可能很昂貴，而且通常是在即將投入全面生產時才會訂購，如果這時候才考慮添加節點以實現100%可測試性就太晚 了。

經過慎重考慮和預測，電路在線測試的設計可在設計初期進行，在生產過程后期實現，根據布線路徑和電路在線測試來確定過孔扇出類型，電源和接地也會影響到布線 和扇出設計。為降低濾波電容器連接線產生的感抗，過孔應盡可能靠近表面貼裝器件的引腳，必要時可采用手動布線，這可能會對原來設想的布線路徑產生影響，甚 至可能會導致你重新考慮使用哪種過孔，因此必須考慮過孔和引腳感抗間的關系并設定過孔規格的優先級。

5手動布線以及關鍵信號的處理

盡管本文主要論述自動布線問題，但手動布線在現在和將來都是印刷電路板設計的一個重要過程。采用手動布線有助于自動布線工具完成布線工作。如圖2a和圖2b所示，通過對挑選出的網絡（net）進行手動布線并加以固定，可以形成自動布線時可依據的路徑。

無論關鍵信號的數量有多少，首先對這些信號進行布線，手動布線或結合自動布線工具均可。關鍵信號通常必須通過精心的電路設計才能達到期望的性能。布線完成 后，再由有關的工程人員來對這些信號布線進行檢查，這個過程相對容易得多。檢查通過后，將這些線固定，然后開始對其余信號進行自動布線。

6自動布線

對關鍵信號的布線需要考慮在布線時控制一些電參數，比如減小分布電感和EMC等，對于其它信號的布線也類似。所有的EDA廠商都會提供一種方法來控制這些參數。在了解自動布線工具有哪些輸入參數以及輸入參數對布線的影響后，自動布線的質量在一定程度上可以得到保證。

應該采用通用規則來對信號進行自動布線。通過設置限制條件和禁止布線區來限定給定信號所使用的層以及所用到的過孔數量，布線工具就能按照工程師的設計思想來 自動布線。如果對自動布線工具所用的層和所布過孔的數量不加限制，自動布線時將會使用到每一層，而且將會產生很多過孔。

在設置好約束條件和應用所創建的規則后，自動布線將會達到與預期相近的結果，當然可能還需要進行一些整理工作，同時還需要確保其它信號和網絡布線的空間。在一部分設計完成以后，將其固定下來，以防止受到后邊布線過程的影響。

采用相同的步驟對其余信號進行布線。布線次數取決于電路的復雜性和你所定義的通用規則的多少。每完成一類信號后，其余網絡布線的約束條件就會減少。但隨之而 來的是很多信號布線需要手動干預。現在的自動布線工具功能非常強大，通常可完成100%的布線。但是當自動布線工具未完成全部信號布線時，就需對余下的信 號進行手動布線。

7自動布線的設計要點包括：

7.1 略微改變設置，試用多種路徑布線;

7.2 保持基本規則不變，試用不同的布線層、不同的印制線和間隔寬度以及不同線寬、不同類型的過孔如盲孔、埋孔等，觀察這些因素對設計結果有何影響;

7.3讓布線工具對那些默認的網絡根據需要進行處理;

7.4信號越不重要，自動布線工具對其布線的自由度就越大。

8布線的整理

如果你所使用的EDA工具軟件能夠列出信號的布線長度，檢查這些數據，你可能會發現一些約束條件很少的信號布線的長度很長。這個問題比較容易處理，通過手動 編輯可以縮短信號布線長度和減少過孔數量。在整理過程中，你需要判斷出哪些布線合理，哪些布線不合理。同手動布線設計一樣，自動布線設計也能在檢查過程中 進行整理和編輯。

9電路板的外觀

以前的設計常常注意電路板的視覺效果，現在不一樣了。自動設計的電路板不比手動設計的美觀，但在電子特性上能滿足規定的要求，而且設計的完整性能得到保證。

二：高速PCB設計解決EMI問題的九大規則

隨著信號上升沿時間的減小，信號頻率的提高，電子產品的EMI問題，也來越受到電子工程師的光注。高速PCB設計的成功，對EMI的貢獻越來越受到重視，幾乎60％的EMI問題可以通過高速PCB來控制解決。做了4年的EMI設計，一些心得和大家交流、交流。

規則一高速信號走線屏蔽規則

如上圖所示：在高速的PCB設計中，時鐘等關鍵的高速信號線，走線需要進行屏蔽處理，如果沒有屏蔽或只屏蔽了部分，都是會造成EMI的泄漏。建議屏蔽線，每1000mil，打孔接地。

規則二高速信號的走線閉環規則

由于PCB板的密度越來越高，很多PCB LAYOUT工程師在走線的過程中，很容易出現這種失誤，如下圖所示：

由于PCB板的密度越來越高，很多PCB LAYOUT工程師在走線的過程中，很容易出現一種失誤，即時鐘信號等高速信號網絡，在多層的PCB走線的時候產生了閉環的結果，這樣的閉環結果將產生環形天線，增加EMI的輻射強度。

規則三高速信號的走線開環規則

規則二提到高速信號的閉環會造成EMI輻射，然而開環同樣會造成EMI輻射。

時鐘信號等高速信號網絡，在多層的PCB走線的時候一旦產生了開環的結果，將產生線形天線，增加EMI的輻射強度。

規則四高速信號的特性阻抗連續規則

高速信號，在層與層之間切換的時候必須保證特性阻抗的連續，否則會增加EMI的輻射。也就是說，同層的布線的寬度必須連續，不同層的走線阻抗必須連續。

規則五高速PCB設計的布線方向規則

相鄰兩層間的走線必須遵循垂直走線的原則，否則會造成線間的串擾，增加EMI輻射。

簡而言之，相鄰的布線層遵循橫平豎垂的布線方向，垂直的布線可以抑制線間的串擾。

規則六高速PCB設計中的拓撲結構規則

在高速PCB設計中，線路板特性阻抗的控制和多負載情況下的拓撲結構的設計，直接決定著產品的成功還是失敗。

圖示為菊花鏈式拓撲結構，一般用于幾Mhz的情況下為益。高速PCB設計中建議使用后端的星形對稱結構。

規則七走線長度的諧振規則

檢查信號線的長度和信號的頻率是否構成諧振，即當布線長度為信號波長1/4的時候的整數倍時，此布線將產生諧振，而諧振就會輻射電磁波，產生干擾。

規則八回流路徑規則

所有的高速信號必須有良好的回流路徑。盡可能地保證時鐘等高速信號的回流路徑最小。否則會極大的增加輻射，并且輻射的大小和信號路徑和回流路徑所包圍的面積成正比。

規則九：器件的退耦電容擺放規則

退耦電容的擺放的位置非常的重要。擺放不合理根本起不到退耦的效果。其原則是：靠近電源的管腳，并且電容的電源走線和地線所包圍的面積最小。

三、高速PCB設計規則總結及原因分析

1PCB 時鐘頻率超過5MHZ 或信號上升時間小于5ns，一般需要使用多層板設計。

原因：采用多層板設計信號回路面積能夠得到很好的控制。

2對于多層板，關鍵布線層（時鐘線、總線、接口信號線、射頻線、復位信號線、片選信號線以及各種控制信號線等所在層）應與完整地平面相鄰，優選兩地平面之間。

原因：關鍵信號線一般都是強輻射或極其敏感的信號線，靠近地平面布線能夠使其信號回路面積減小，減小其輻射強度或提高抗干擾能力。

3對于單層板，關鍵信號線兩側應該包地處理。

原因：關鍵信號兩側包地，一方面可以減小信號回路面積，另外防止信號線與其他信號線之間的串擾。

4對于雙層板，關鍵信號線的投影平面上有大面積鋪地，或者與單面板一樣包地打孔處理。

原因：與多層板關鍵信號靠近地平面相同。

5多層板中，電源平面應相對于其相鄰地平面內縮5H-20H（H 為電源和地平面的距離）。

原因：電源平面相對于其回流地平面內縮可以有效抑制邊緣輻射問題。

6布線層的投影平面應該在其回流平面層區域內。

原因：布線層如果不在回流平面層的投影區域內，會導致邊緣輻射問題，并且導致信號回路面積增大，從而導致差模輻射增大。

7多層板中，單板TOP、BOTTOM 層盡量無大于50MHZ 的信號線。

原因：最好將高頻信號走在兩個平面層之間，以抑制其對空間的輻射。

8對于板級工作頻率大于50MHz 的單板，若第二層與倒數第二層為布線層，則TOP 和BOOTTOM 層應鋪接地銅箔。

原因：最好將高頻信號走在兩個平面層之間，以抑制其對空間的輻射。

9多層板中，單板主工作電源平面（使用最廣泛的電源平面）應與其地平面緊鄰。

原因：電源平面和地平面相鄰可以有效地減小電源電路回路面積。

10在單層板中，電源走線附近必須有地線與其緊鄰、平行走線。

原因：減小電源電流回路面積。

11在雙層板中，電源走線附近必須有地線與其緊鄰、平行走線。

原因：減小電源電流回路面積。

12在分層設計時，盡量避免布線層相鄰的設臵。如果無法避免布線層相鄰，應該適當拉大兩布線層之間的層間距，縮小布線層與其信號回路之間的層間距。

原因：相鄰布線層上的平行信號走線會導致信號串擾。

13相鄰平面層應避免其投影平面重疊。

原因：投影重疊時，層與層之間的耦合電容會導致各層之間的噪聲互相耦合。

14PCB 布局設計時，應充分遵守沿信號流向直線放臵的設計原則，盡量避免來回環繞。

原因：避免信號直接耦合，影響信號質量。

15多種模塊電路在同一PCB 上放臵時，數字電路與模擬電路、高速與低速電路應分開布局。

原因：避免數字電路、模擬電路、高速電路以及低速電路之間的互相干擾。

16當線路板上同時存在高、中、低速電路時，應該遵從高、中速電路遠離接口。

原因：避免高頻電路噪聲通過接口向外輻射。

17存在較大電流變化的單元電路或器件（如電源模塊：的輸入輸出端、風扇及繼電器）附近應放臵儲能和高頻濾波電容。

原因：儲能電容的存在可以減小大電流回路的回路面積。

18線路板電源輸入口的濾波電路應靠近接口放置。

原因：避免已經經過了濾波的線路被再次耦合。

19在PCB 板上，接口電路的濾波、防護以及隔離器件應該靠近接口放置。

原因：可以有效的實現防護、濾波和隔離的效果。

20如果接口處既有濾波又有防護電路，應該遵從先防護后濾波的原則。

原因：防護電路用來進行外來過壓和過流抑制，如果將防護電路放臵在濾波電路之后，濾波電路會被過壓和過流損壞。

21布局時要保證濾波電路（濾波器）、隔離以及防護電路的輸入輸出線不要相互耦合。

原因：上述電路的輸入輸出走線相互耦合時會削弱濾波、隔離或防護效果。

22單板上如果設計了接口“干凈地”，則濾波、隔離器件應放臵在“干凈地”和工作地之間的隔離帶上。

原因：避免濾波或隔離器件通過平面層互相耦合，削弱效果。

23“干凈地”上，除了濾波和防護器件之外，不能放置任何其他器件。

原因：“干凈地”設計的目的是保證接口輻射最小，并且“干凈地”極易被外來干擾耦合，所以“干凈地”上不要有其他無關的電路和器件。

24晶體、晶振、繼電器、開關電源等強輻射器件遠離單板接口連接器至少1000mil。

原因：將干擾會直接向外輻射或在外出電纜上耦合出電流來向外輻射。

25敏感電路或器件（如復位電路、：WATCHDOG 電路等）遠離單板各邊緣特別是單板接口側邊緣至少1000mil。

原因：類似于單板接口等地方是最容易被外來干擾（如靜電）耦合的地方，而像復位電路、看門狗電路等敏感電路極易引起系統的誤操作。

26為IC 濾波的各濾波電容應盡可能靠近芯片的供電管腳放臵。

原因：電容離管腳越近，高頻回路面積越小，從而輻射越小。

27對于始端串聯匹配電阻，應靠近其信號輸出端放臵。

原因：始端串聯匹配電阻的設計目的是為了芯片輸出端的輸出阻抗與串聯電阻的阻抗相加等于走線的特性阻抗，匹配電阻放在末端，無法滿足上述等式。

28PCB 走線不能有直角或銳角走線。

原因：直角走線導致阻抗不連續，導致信號發射，從而產生振鈴或過沖，形成強烈的EMI 輻射。

29盡可能避免相鄰布線層的層設臵，無法避免時，盡量使兩布線層中的走線相互垂直或平行走線長度小于1000mil。

原因：減小平行走線之間的串擾。

30如果單板有內部信號走線層，則時鐘等關鍵信號線布在內層（優先考慮優選布線層）。

原因：將關鍵信號布在內部走線層可以起到屏蔽作用。

31時鐘線兩側建議包地線，包地線每隔3000mil 打接地過孔。

原因：保證包地線上各點電位相等。

32時鐘、總線、射頻線等關鍵信號走線和：其他同層平行走線應滿足3W 原則。

原因：避免信號之間的串擾。

33電流≥1A 的電源所用的表貼保險絲、磁珠、電感、鉭電容的焊盤應不不少于兩個過孔接到平面層。

原因：減小過孔等效阻抗。

34差分信號線應同層、等長、并行走線，保持阻抗一：致，差分線間無其它走線。

原因：保證差分線對的共模阻抗相等，提高其抗干擾能力。

35關鍵信號走線一定不能跨分割區走線（包括過孔、焊盤導致的參考平面間隙）。

原因：跨分割區走線會導致信號回路面積的增大。

36信號線跨其回流平面分割地情況不可避免時，建議在信號跨分割附近采用橋接電容方式處理，電容取值為1nF。

原因：信號跨分割時，常常會導致其回路面積增大，采用橋接地方式是人為的為其設臵信號回路。

37單板上的濾波器（濾波電路）下方不要有其他無關信號走線。

原因：分布電容會削弱濾波器的濾波效果。

38濾波器（濾波電路）的輸入、輸出信號線不能相互平行、交叉走線。

原因：避免濾波前后的走線直接噪聲耦合。

39關鍵信號線距參考平面邊沿≥3H（H 為線距離參考平面的高度）。

原因：抑制邊緣輻射效應。

40對于金屬外殼接地元件，應在其投影區的頂層上鋪接地銅皮。

原因：通過金屬外殼和接地銅皮之間的分布電容來抑制其對外輻射和提高抗擾度。

41在單層板或雙層板中，布線時應該注意“回路面積最小化”設計。

原因：回路面積越小、回路對外輻射越小，并且抗干擾能力越強。

42信號線（特別是關鍵信號線）換層時，應在其換層過孔附近設計地過孔。

原因：可以減小信號回路面積。

43時鐘線、總線、射頻線等：強輻射信號線遠離接口外出信號線。

原因：避免強輻射信號線上的干擾耦合到外出信號線上，向外輻射。

44敏感信號線如復位信號線、片選信號線、系統控制信號等遠離接口外出信號線。

原因：接口外出信號線常常帶進外來干擾，耦合到敏感信號線時會導致系統誤操作。

45在單面板和雙面板中，濾波電容的走線應先經濾波電容濾波，再到器件管腳。

原因：使電源電壓先經過濾波再給IC 供電，并且IC 回饋給電源的噪聲也會被電容先濾掉。

46在單面板或雙面板中，如果電源線走線很長，應每隔3000mil 對地加去耦合電容，電容取值為10uF＋1000pF。

原因：濾除電源線上地高頻噪聲。

47濾波電容的接地線和接電源線應該盡可能粗、短。

原因：等效串聯電感會降低電容的諧振頻率，削弱其高頻濾波效果