6张图讲明白PCBLayout常见的那些坑(打过孔时要避免连续过孔把GND平面打断)

启芯硬件 2024-03-16 12:56

【北京12.5号】无线前沿新技术与测试技术峰会 精密双向电流感应放大器设计方案

Review了大量的PCB设计，发现一个很常见的问题：

很多时候，硬件工程师不注意就会打一排过孔，造成了把GND平面打断的现象。比如以下几张图中所示：

上面这张图主要的问题是，电源被5个竖排过孔阻碍，有瓶颈。无法保证电流。

上面这张图，电源被过孔隔断，有瓶颈。需要加强。

上图的联排过孔，隔开了电源平面。电源铺铜有瓶颈，需要补强

设计要求中有提到此网络有2A电流，目前一层铜皮由于过孔隔断无法满足载流要求，需要补强。

这样的影响，首先是无法满足载流要求；

其次，电流的回流路径加长，增加了噪声。

减少PCB上高速信号的噪声辐射的一个基本原则是尽量减少电流回流路径的环路面积，高速信号的回流电流总是偏向于阻抗最低的路径，走最短的路线，即紧挨着高速信号传输线的传输平面，一般情况下为GND地平面。

所以一般来说，在打via过孔时，要注意避免过孔把地平面打断，形成ground plane disruption槽，造成高速电路的信号回来路径面积增大，增加噪声辐射，造成EMI超标问题。

Ground Plane

因此，强烈建议打via过孔时，特别是并行数据总线的一排过孔，要注意避免过孔将GND地平面打断，在GDN地平面上形成Slot，阻碍回流路径通道。打过孔是要错开打开或者适当拉开过孔的间距，让过孔之间的GND地平面有铜皮通道让高速信号的回流返回。

尤其是，过孔比较多的时候，可以交错打过孔，如上图。这样不仅可以让过孔保持较大的距离，同时，也可以让回流路径尽量短，保证信号质量最优。

PCB的布局布线主要有以下基本规则：

分隔高速和低速信号：

信号层分离：尽量在不同的信号层上布置高速和低速信号，减少信号串扰的可能性。
差分对保持平行：对于高速差分信号，尽量保持它们平行，减小串扰。

合理的元件放置：

元件分组：将相关的元件放在靠近彼此的位置，减少信号路径长度。
避免阻挡：避免将元件放置在可能阻挡其他元件或散热器的位置。

良好的接地设计：

单点接地：使用单点接地，确保所有地线汇聚到一个地点，减小接地回路。
避免环形接地：避免形成接地环，防止信号引入回流问题。

差分信号的布线：

保持差分对相等长度：差分对的两根线应保持相等长度，防止相位失衡。
规避信号环路：避免差分信号形成环路，减小磁耦合的风险。

适当的层次规划：

电源层分离：保持电源和地层分离，减小电磁干扰。
适当的信号层次：对于多层板，合理规划信号、电源和地层的分布。

最短路径和最小阻抗：

最短信号路径：尽量保持信号路径最短，减小信号传输时延。
最小阻抗：高速信号需要匹配适当的阻抗，避免信号反射和失真。

热管理：

散热路径：合理设计热散热路径，确保元器件能够有效散热。
避免热点：分散高功耗元器件，避免热点聚集。

考虑制造和组装：

元器件方向一致：统一元器件的安装方向，方便组装。
合理的焊盘设计：设计适当大小的焊盘，便于焊接和维修。

EMC（电磁兼容）设计：

滤波器：在电源输入和输出端添加滤波器，减小电磁干扰。
屏蔽：对敏感信号进行屏蔽，防止外部干扰。
遵循厂商规范：PCB设计工具规则：使用PCB设计工具提供的规则检查功能，确保符合设计规范。
制造商建议：遵循PCB制造商和组装商的建议，以确保设计可生产和可组装。

在 PCB 布局和布线过程中，存在一些常见问题可能影响电路性能和可靠性：

不好的布局规划：

元件放置不当：不合理的元件布置可能导致信号路径过长、干扰敏感部件或影响散热。
信号和电源线路交叉：交叉会导致信号串扰或电磁干扰，影响性能。

信号完整性问题：

布线路径不佳：不当的布线路径可能导致信号衰减、延迟或不稳定。
信号环路或环形布线：造成信号环路可能引起噪音或互连问题。

电源和接地问题：

接地不良：错误的接地设计可能引入噪音，影响整个系统。
电源线不稳定：不合理的电源布线可能导致电源波动，影响元件工作稳定性。

布线不规范：

不合理的布线角度和转弯：过于急速的转弯会导致阻抗变化或信号反射。
布线拥挤：过度拥挤的布线可能增加串扰风险。

高速信号和地线引起的问题：

缺乏差分对：高速差分信号需要成对布线，否则会增加串扰风险。
地线引起的回流问题：高速信号的返回路径可能不干净，影响信号完整性。

未考虑制造和组装限制：

太小的间距或焊盘：不利于制造和组装，可能导致焊接问题或制造失败。
未考虑组装顺序：错误的元件组装顺序可能导致问题，增加调试难度。

热管理不当：

热点聚集：部分区域过热可能影响元器件寿命或性能。

散热不良：不良的散热设计可能影响整个系统的稳定性。

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