一个退役硬件老鸟的感悟(3):PCB设计是一门“折衷”的艺术

1. 一个硬件高手首先是一个PCB设计高手，否则。。。

2. PCB设计是一门折衷的艺术，在多个设计规则因空间大小等的限制而发生冲突时，必须根据重要性进行排序，优先满足最重要的约束条件，其余的酌情处理；是否善于权衡和折衷是衡量一名PCB工程师或硬件工程师水平的重要标准；

3. 合理的布局是PCB设计成功的关键：RF电路、数字电路、（音频，时钟等）模拟电路等相互之间要尽量远离，并且通过尽可能多的组合地孔/地线/地铜进行隔离处理；RF的接收（Rx）、发射（Tx）和天线（Ant）等的端口和电路之间要尽量远离，走线要尽可能分布在不同的层，并且通过尽可能多的地孔进行隔离处理；RF等怕干扰的电路单元一般位于远离主电源的那一端（比如电源在PCB板下边，RF位于PCB板上边），音频电路也尽量位于远离主电源的位置，或靠近板边放置；天线性能的好坏与其所占空间大小在某种程度上呈正相关关系，所以要尽量远离其他电路；

4. 合理规划层叠结构，预先考虑不同信号所处的layers，包括但不限于电源、GND、（时钟、音频等）模拟信号、RF信号等布线层和参考层；

5. RF阻抗线：RF走线要短、顺、直接、拐弯少、不能呈锐角走线；表层的相邻层走线尽量短，连接表层走线和中间层走线的过孔尽量靠近；表层走线/焊盘的相邻层的地铜要掏空，大的焊盘下至少要多掏一层；中间层走线的相邻层可根据情况进行掏空或者不掏空处理；合理设置各层的线宽，比如表层走线的线宽0.33mm，中间层0.22mm或0.18mm；RF走线/焊盘/过孔等与周围地铜的间隔不小于0.2mm；原则上，表层的相邻层不要作为RF信号的主要走线层，如果无法避免，则要将表层地铜掏空，并且在工艺文件中指明这些走线需要控制阻抗；RF信号的参考地必须完整，RF走线与其参考地之间不能有任何走线/过孔/焊盘/铺铜等；

6. 注意将需要特殊处理的信号分别按信号类型归纳到相应的Classes中（如RF、Audio/Analog/IQ、时钟、控制（包括RF控制信号、时钟控制信号等）、差分信号如USB等、电源、地等），然后统一设置走线规则，不能有遗漏；除了差分信号和各个Class可以设定规则外，其他信号尽量避免单独设定布线规则；差分信号要尽量并行走在相同的层上，与差分线对应的相邻层或参考层不应出现非各类GND的信号线，若相邻层必须走线则应在差分线的头尾处穿过（尽量在靠近数字器件如CPU的那一端穿过，而不要在靠近RF／模拟器件的那一端穿过），并且应垂直于差分线，但RF差分信号与参考地之间不能有任何走线／过孔／焊盘／非GND铜皮等；有干扰的信号与敏感电路的器件/焊盘/过孔/走线/铺铜等在所有方向上都要避免靠得太近，并尽量通过地孔、屏蔽墙/屏蔽罩、铺铜等进行隔离。

7. 天线开关、RF器件、晶振/晶体等的控制信号、PCM语音信号等敏感的数字信号也要注意避开干扰，并做好滤波；

8. 音频信号、重要的时钟走线、高速USB走线等尽量包地并控制阻抗，RF信号和IQ信号等必须包地（包地不仅是指在同层要被地线包围，而且对应的相邻层也要是地铜至少是地线，并且地铜或地线要通过尽量多的地孔连接到主地平面），但如果表层的相邻层有较长的RF走线则其对应的表层不能有地铜；

9. TCXO、Crystal等输出的时钟大多是模拟信号，因此一定要注意远离其他数字电路、电源等干扰源，并采用大量的组合地孔进行隔离和屏蔽。地和电源尽可能单独处理，将TCXO、Crystal及相关的电路（如温度检测电路）的地连在一起，单独引到其所属的主芯片地管脚附近，再通过地孔与主地平面直接相连，并且在空间上远离其他信号尤其是干扰源，走线要进行包地。器件及相关电路（尤其是与Crystal相关的温度检测电路等）的相邻至少一层的地铜要掏空，并且这些器件／电路／走线／过孔／焊盘／铺铜等的相邻层不要有其他信号线的走线／过孔。

10. 电源输出和输入管脚附近放置滤波电容（容值越小的电容越要靠近管脚放置），电源从输出脚引出先经过输出滤波电容再到输入滤波电容，最后送到电源输入脚。电源走线尽量呈星型走线，并在走线分岔处放置较大的滤波电容，每个分支上也放置滤波电容；如果做不到星型走线，则可采用树形走线，尽量避免级联/链型走线；不同类型的电源（如数字、模拟、音频、RF接收、RF发射等的电源）的布局和走线要注意隔离（包括过孔、走线、焊盘、铺铜等在空间上都要相互远离和隔离，其他任何相互之间有干扰的信号都要注意相互远离和隔离）；有时需要在相关电源上人为增加分支电感、磁珠或电阻（一般小于100欧姆），然后将滤波电容分布到各个支路，注意分支后的走线要和分支前的电源走线一样粗，并且电流越大走线越宽相应的过孔也要越多；所有电源尤其是DC-DC电源的布局和走线要尽量避免形成大的环路而产生或引入干扰（环路是从输入电源<即给DC-DC电源供电的电源如VPH_PWR>的输入滤波电容开始，经过DC-DC电路再到VSW_VDD，然后经过电感到电源输出端<如Vreg_VDD>的输出滤波电容，再经过Vreg_VDD输出滤波电容的地到VPH_PWR输入滤波电容的地，最后通过VPH_PWR输入滤波电容的正极回到DC-DC的输入电源端，从而完成环路。因此，为了减小信号环路，要将电感、VPH_PWR输入滤波电容和Vreg_VDD输出滤波电容尽量靠近，并且都要靠近电源芯片／主芯片的电源电路放置）；与电源相关的其他元件如电感（尤其是DC-DC输出端的电感，要注意其感值、ESR、磁饱和电流、自共振频率、自激／谐振频率、Q值等）、电容（电容的不同选型如容值、Q值和ESR等会影响输出电源的稳定性和纹波大小）、磁珠和电阻等的选型和摆放位置要合理（这些外围器件要尽量靠近电源芯片／主芯片的电源电路等来放置），否则会严重影响电源的稳定性、效率、电源质量、纹波大小等；注意电压基准电路Voltage Reference Circuit（包括REF＿ISET、REF＿BYP、REF＿GND等相关的电感／磁珠／电容／电阻等器件）的合理布局和走线；任意两个信号之间都可能有干扰（包括看似同源的两个信号之间，比如同一个DC-DC电源的VSW_VDD（Switch端口）和Vreg_VDD（Sense和输出端口）之间也会有干扰，需要避开），并且电流越大、电压越高、信号的幅度和频率等变化越快则干扰越大，相互之间有干扰的信号最好走在不同的Layers，而且要在所有方向上远离或隔离，但要注意减小信号环路的尺寸；事实上，除各类GND以外的任何信号的走线都要尽量避免环路；注意大电流信号和电源（如主电源、PA电源、DC-DC电源等）的走线要足够宽并且过孔数目要足够多；主电源等具有大电流的电源走线宽度不小于0.8mm，最好不小于1mm；一般的电源走线宽度不小于0.2mm，最好不小于0.3mm；地线一般不小于0.2mm（用于修补地铜的地线除外）；电流在300mA以上的电源或信号走线上建议放置至少2个激光孔和至少一个机械孔；

11. 地孔越多越好！如果接地过孔不够多或分布不合理会影响性能甚至无法工作！并且注意表层地孔和中间地孔组合放置，确保各类接地管脚通过尽量短的途径连接到地平面上；需要用地孔进行隔离的区域（如RF电路与数字电路之间）要预先放置组合地孔；信号密集区域也要尽量先在接地管脚附近放置组合地孔，否则如果等其他信号走线完成后再放地孔会很麻烦，需要将已有的走线删除再增加地孔；CPU和Memory之间的表层尽量铺地铜，无法铺铜的也要尽量走地线，并在地线两端通过地孔连接到主地平面；每个RF器件的接地管脚上至少要有一个表层地孔（越多越好！），并且在附近有尽可能多的中间地孔连接到主地平面；

敏感电路及其相应的电源和地的处理是PCB设计的关键所在！

12. 过孔与过孔之间的间距尽量不小于0，钻孔与钻孔之间的间距要大于0.125mm(5mil)；屏蔽罩的隔筋及Solder Mask层的亮铜宽度不小于0.7mm，隔筋上要合理分布组合地孔（原则上越多越好），屏蔽墙的焊盘要足够多、宽、长而密，保证屏蔽罩的良好接地；

13. 在完成所有相关的检查项之后，要对所有层的地铜进行修补，地铜上不要有断裂、悬空、突起、半岛等情况（因为会引入或者辐射干扰），确保任意地铜附近有组合地孔；在出gerber文件前，要进行完整的设计检查（Connectivity、Clearance等），检查时要将所有的布线层（Electrical layers）和所有相关项目都打开并且不能是黑色；还要注意检查并确保原理图和PCB的一致性；

14. 器件封装要尽量规范，命名要清楚易懂，PCB decal的原点位于器件中心，SCH part的原点位于Pin1脚或者器件左上角；PCB的器件封装只保存在PCB器件库中，原理图的器件封装只保存在原理图的器件库中，并且每个器件的封装库保持唯一；PCB Decal一般要增加Paste Mask层的处理；器件封装的尺寸和外框必须准确，可以考虑将器件外形单独放在某一层如Part Outline层；PCB Decal的焊盘大小尽量比实际的管脚尺寸要大一些，以防止虚焊，同时也利于调试测试；

15. 所有PCB的层叠结构、每层的颜色、工艺文件的内容等尽量保持统一，注意电气层、Solder Mask、Paste Mask、Silkscreen、Drill Drawing、CAM Plane、Split/Mixed Plane、No Plane、Assembly、General等Layers的合理设置；注意不同插座对板厚的要求，比如MiniPCI插座要求板厚为1.0mm或1.2mm，我们规定MiniPCI板厚定为1.0mm±10%；其他板厚一般为0.8mm或者1.0mm（开发板除外）；注意各类器件和结构件的摆放位置和方向等，并防止出现相互干涉；注意器件与器件之间，器件与结构件之间，器件与板边之间的间距；

16. 任何修改或规则设定都从源头做起，然后沿SCH àPCB LayoutàRouter等进行传递；BOM清单直接从原理图生成；始终保持原理图、PCB和BOM的一致性；必要时利用相关的比较工具比较不同版本的原理图、PCB或BOM的差异；

17. PCB布局和走线完成后都最好发给相关人员进行检查，以便及时检查和发现问题，及时进行修改，以防止不必要的重复劳动和大的更改；Gerber文件要尽量用CAM350、CAMCAD等工具进行检查，确认无误后再发出去制板；注意丝印层上板名和版本号的正确性。为便于结构件厂家提高屏蔽罩等的设计和制造精度，最好提供相关的结构文件如.dxf等，必要时采用AutoCAD或Pro-E等软件设计出更加直观和精确的结构文件提供给厂家。

18. 工艺文件、原理图、PCB、器件库等文件的名称要清晰易懂，最好遵循如下命名规则：产品名称+类别（如SCH、PCB等）+版本号+（标题，如Gerber、工艺文件等）+时间；

19. 注意原理图、PCB和BOM等文件的及时归档；版本库中要始终保留各个版本的完整信息；