布线设计
24 Jun 2024
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电源
在多层板设计中，一般建议采用单独的电源平面和地平面，可以降低电源和地回路的阻抗。
- 参考 20H 规则是多层板电源和地层设计的准则，将地层边缘多出电源层边缘大约 20 倍两平面间距，这是做是为了减少板子边缘的边缘场辐射的影响。
- 在电源层和地平面上尽量避免密集摆放过孔，并保持电源层和地平面的完整性。
- 在合适的位置放置过孔，可以降低电源和地层的阻抗，有助于为信号提供一个低阻抗的回流回路。
- 避免信号走线跨越不同的参考平面，否则会引入信号完整性问题。
- 在多电源平面和地平面分割时， 优先考虑敏感信号的布局走线。
布局
PCB 布局时，要将不同功能的电路进行分类， 比如电源、模拟电路、数字电路和高速接口连接器等，这些电路应该分模块放置在 PCB 板的不同区域。
- 电源电路放在电源输入端附近。元件放置按照从高压到低压的顺序。
- DCDC 或 LDO 去耦电容应尽量靠近输入输出端口。
- 模拟电路更容易受外界干扰影响，建议将模拟电路放置在远离高压和高速数字电路的地方，减少噪声耦合。
- 建议晶体靠近 CPU 放置，尽量包地处理， 与其他敏感元件保持安全距离。
旁路和去耦
在 CPU 电源引脚处， 就近放置电容，使电流先通过电容，然后再进入电源引脚。
- 去耦电容和旁路电容必须放置在尽可能靠近电源引脚的位置，保证滤波电路寄生电感最小化和电源提供瞬态大电流的能力。注意去耦电容和旁路电容的电流回流路径，一定要保证回流路径尽量短。
DCDC 电路
DC/DC 需要外接电感和电容。
- 尽量缩小 DC/DC 电流回路，以避免 EMI 问题。
- 让电流首先流经滤波电容，然后流至引脚。
- 去耦电容尽量靠近管脚放置，以避免环路不稳定问题。
- 尽量避免电感和电容之间不必要的通孔，降低环路阻抗。
高速信号
高速信号走线必须考虑传播延迟和阻抗匹配以保证设备间的良好通信。
- 高速信号（EMMC、SD 卡、QSPI） 避免跨越不同参考平面。
- 避免在参考平面上出现开槽、孔洞和分割的情况。
- 当必须在不同的参考平面之间进行切换时，最好在信号切换通孔 100 mil 附近提供接地回路通孔。
- 同一层上的时钟与相邻走线的间距至少应为两倍线宽（ 2W 原则）， 以减少串扰。
- QSPI 接口 SPI_MOSI、SPI_MISO、SPI_WP、SPI_HOLD、SPI_CLK、SPI_CMD 需等长约束（长度差建议不超过 20 mil）。
- SDC 接口 SDC_D0~3、SDC_CLK、SDC_CLK 需等长约束（长度差建议不超过 50 mil）。
- RMII 接口 TXD1、TXD0、RXD1、RXD0、REFCLK 需等长约束（长度差建议不超过 50mil）
- USB_DP、USB_DM 需等长约束（长度差建议不超过 10mil），差分对 90 欧姆阻抗匹配。
- LVDS 接口 LVDS_D0~D3、LVDS_CLK 需等长约束（长度差建议不超过 10mil），差分对 100 欧姆阻抗匹配。
- MIPI 接口 MIPI_D0~D3、MIPI_CLK 需等长约束（长度差建议不超过 10mil），差分对 100 欧姆阻抗匹配。
- DVP 接口 D0~7、DVP_CK、DVP_HS、DVP_VS、DVP_MCLK 需等长约束（长度差建议不超过 50mil）。
屏蔽
连接器接口有金属的或者是外壳导电的，裸漏在外面可被接触到，设计时应当考虑防静电性能。
- 连接器（USB 接口和以太网接口）应设置单独的外壳屏蔽地。
- 外壳接地回路要尽量短，避免跨越关键信号或元件。
- 建议外壳屏蔽地用 RC 滤波电路或铁氧体磁珠连接到 PCB 数字地，注意连接位置和元件参数选择，这对 EMC 和 EMI 性能至关重要。
- 信号尽量从背面走线，远离外壳。
- 其他元件或走线，与外壳保持一定的安全距离，尽量 5 mm 以上，避免空气辐射路径。
隔离
隔离在设计中经常用到，例如隔离强电和弱电，或者隔离模拟电路和数字电路。
- 以 RS485 隔离电路为例，接口端与通信电路之间采用光耦隔离器用于隔离。为了提高隔离性能，在隔离器下方设置隔离间隙，且隔离间隙应用于所有平面（顶层/ 电源层/ 地层/ 底层）以保证良好的隔离性能。
- 以模拟电路隔离为例，模拟地和数字地之间需要设置隔离间隙，可放置 0R 电阻单点接地。
信号回流路径
信号和电源都有自己的回流路径。地平面可以是信号和电源的参考面，电源面也可以作为信号的参考面。
- 回路面积越小，阻抗越小，串扰和电磁干扰 (EMI) 的影响也就越小。
- 去耦电容尽量靠近输入输出端口，回流信号可以从表层直接回流至源端，最大程度地减小电流回流路径和阻抗。
- 考虑信号返回路径时，一定要避开电流回环路径上的断开点。电流回环的面积越小，EMC 的性能就越好。