成功的二层板设计师的七个习惯

如果你可以使用无焊面包板来制造产品，并且它可以工作，并且相互连接是透明的，那么你如何设计电路板可能并不重要。它仍然会工作。你所需要担心的是为低成本的制造而设计，也许是为测试而设计。但是，如果性能很重要，如果互连不是透明的，或者如果你想养成良好的习惯，你会想在你的下一个两层板设计中结合这七个习惯。

在大多数2层板设计中，性能是有限的。一般来说，很难在2层板中路由BGA包(如FPGA或高端微处理器)。我们说的不是高端电路板。但是，许多消费产品、微控制器和物联网应用都是在两层板中构建的。

在我在科罗拉多大学博尔德分校教授的研究生课程中，关于实用印刷电路板设计，我们使用古老的Arduino Uno板作为2层板的例子，它可以工作，但几乎违反了七个重要习惯中的每一个。图1显示了该板的一个示例。

Arduino Uno是一个非常强大的产品。你可以使用几乎所有的设计规则，而且效果很好。不幸的是，这强化了糟糕的设计习惯。在我的课程中，我们使用Arduino作为如何不设计电路板的例子，然后使用以下最佳设计实践重新设计它。

我们试图避免的两个问题

原理图确定设计中使用的组件以及它们之间的连接方式。它没有提到设计的信号或电源完整性性能。

一旦建立了连接，互连只会破坏产品的性能。虽然可能出现许多信号和功率完整性问题，但最常见和影响最大的两个问题是由于信号和返回路径环路(地面反弹)之间的互感过大而引起的串扰，以及由于瞬态电流波动大而导致的电源轨道上的开关噪声。图2是Arduino Uno板中多个数字输出同时打开和关闭时测量到的地面反弹的示例。

电路板物理设计的目标，包括布局，是遵循一般的设计准则，以减少这两个问题。没有详细的分析，这是每个工程师都应该做的，我们只能遵循一些一般的设计准则，这些准则将降低这些问题导致产品下降的风险。

你做的分析越多，风险就越低，你对产品首次成功的信心就越高。

我们可以遵循以下七个习惯，虽然不能保证成功，但可以减少失败的风险。

习惯1:使用6密耳宽信号走线，20密耳宽电源走线和13密耳钻孔直径

这是每个工厂都能以最低的价格生产的最小的功能。如果你坚持这些特点，你可以在任何工厂制造你的电路板。

您总是希望在没有额外成本的情况下使用最窄的特性来获得最高的路由密度。您可能会认为6毫米宽的走线对于信号线来说太窄了。然而，它可以携带1 A的直流电流，没有明显的温升。在1盎司铜中，其每长度的电阻为每英寸80毫欧姆。在大多数应用中，即使是1欧姆的串联电阻仍然是透明的。这是一个12英寸长的信号。在信号带宽达到bbb1ghz之前，损耗不会起作用。

使用标准62密耳厚的2层电路板的6密耳宽走线的特性阻抗将很高，约为150欧姆。如果上升时间足够短或互连长度足够长，需要终端，只要走线不离板，150欧姆走线的终端与50欧姆走线一样容易，并且功耗更小。

在1盎司铜中，20密耳宽的迹线可以处理3a的直流电流，而不会出现明显的温度升高。其串联电阻约为25 mOhms/inch。4英寸长的电源走线只有0.1欧姆的串联电阻，通常不显著。如果任何电源路径将携带超过3a，增加到100mil宽走线将启用10a直流电流。

在我课堂上的第一个实验中，学生们测试了炸毁电路板上的一条迹线需要多少电流。它们使用一个简单的板，如图3所示。

习惯2:在第1层布线组件、信号和电源路径，在第2层接地返回

如果跟踪在它下面有一个连续的返回路径，那么您可以使它尽可能长，并且不会对性能产生影响。关键是在信号线下使用连续的返回路径。这样做的最简单的方法是在板的底层使用一个坚实的接地平面。

这样顶层就留给了所有的组件，用于信号路由和电源路由。能够跟踪信号路由使调试更容易一些。而且，一眼就能看出哪些走线是信号，哪些是线路宽度的电源。

习惯3:调整组件，以减少拥挤的路由和空间信号走线相隔很远

给定元件放置位置，尝试将信号尽可能地分开以减少线对线串扰。走线具有相当高的特性阻抗。由于它们离回程飞机较远，所以它们之间会有一些串音。相邻信号之间的距离越近，串扰越大。在最接近的间隔，近端串扰可高达25%。将走线间隔得更远将减少近端串扰。

习惯4:当你需要在底层穿十字线时，尽量短一点。当你不能把它变短的时候，在它上面加一条返回带

最佳设计实践的目标是为每条信号线提供低阻抗返回路径，以便相邻信号返回路径对之间的互感较低。当你在地平面布线信号线时，你必须在它周围有一个隔离间隙。在此间隙之上路由的信号轨迹将在返回路径中看到间隙，并与穿过间隙的其他信号产生串扰。

最小化这个问题的方法是保持间隙短，这样只有一个短的路径返回电流必须绕。当它是一个很长的间隙时，添加一个返回路径，跳过顶层的间隙。图4显示了从交叉底部与返回带在顶层路由的间隙的示例。

习惯5:将去耦电容放置在离集成电路的电源引脚尽可能近的地方，并且环路电感尽可能低

在最小的主体中使用最大尺寸的电容器，额定电压至少为预期轨道应用的2倍。这通常是一个22 uF MLCC电容器。电容的大小取决于要去耦的元件的电流消耗。如果您不打算进行分析，根据经验，22uf将以最小的电压降处理22ma的瞬态电流。

电容的大小并不像IC的电源和接地引脚以及去耦电容之间的低环路电感那么重要。这通常意味着将电容器放置在靠近IC引脚的位置，并在电源和地路径上使用短而宽的走线。有时使用多个电容器，这可以实现为电源水坑。图5中显示了一个示例。

习惯6:在所有连接器上，如果可能的话，尝试为每个数字信号分配一个返回

导致地面反弹或开关噪声的一个因素是多个信号共享相同的返回引脚。在许多连接器中，可能只有1或2个返回引脚具有多个信号切换。这是地面反弹的秘诀。这就是Arduino头引脚的情况。有1个接地引脚和13个数字I/O可以切换。这是地面反弹如此之大的原因之一。

习惯7:不要遵循这两条流行的准则:

1. 不要为每个电源引脚使用三个不同值的电容器10uf, 1uf和0.1 uF。这解决不了任何问题。而且，如果做得不仔细，有时会增加额外的问题。如果有三个电容的空间，它们都布线低环路电感，使它们都是22uf。
2. 严禁使用铜填料。它解决不了任何问题，有时还会产生额外的问题。而不是使用电源作为铜填充，路由电源作为走线。通过这种方式，您可以跟踪电源路径，以验证连接性和调试。从集成电路到去耦电容器，低环路电感是很重要的。即使是10a的直流电流也只需要100mil宽的走线。

如果是填土，则使用底层作为地面，并仔细管理返回路径。不要依赖顶部的铜填充物来充填地面。很容易引入返回路径的不连续而不意识到这一点。

不要以为加入连接到地网的铜填料会减少串扰。如果你有连续的不重叠的返回路径，串扰将是低的，没有任何填充。如果在信号走线之间有空间添加铜填充，走线之间的间距将足够大，可能具有可接受的低串扰。除非正确处理填充，否则通常会增加串音，而不是减少串音。

总结

遵循这些设计准则并不能保证产品成功。它们将降低串扰或电源轨噪声问题可能导致产品故障的风险。所有这些设计习惯都是免费的，它们都有助于降低风险。

作为我课堂上的最后一次练习，我让我的学生重新审视Arduino板，并使用这些最佳设计实践指南进行布局。图6是我的两个学生Raj Lavingia和Yash Gupte提出的使用Atmega 32U4微控制器的2层版本的Arduino的示例。

你会注意到这个设计包含了所有的习惯:

1. 信号为6密耳宽，电源走线为20密耳宽，信号过孔为13密耳
2. 第1层，用红色表示，是组件、信号和电源走线。第2层，蓝色部分是一个实心地平面
3. 信号走线尽可能分散开来
4. 在接平面内走线时，应尽量缩短间隔，间隔较长时应采用回传带。
5. 去耦电容被布置在具有低电感功率和接地回路的电源引脚附近。
6. 在头引脚中，在数字引脚的外部增加了一排刚接地的连接。使用Arduino头引脚的标准足迹，但增加了外排引脚。
7. 在任何层上都没有铜填充，只使用一个去耦电容值。

除了降低信号和电源完整性问题风险的最佳设计实践之外，该板还增加了其他四个重要的最佳设计实践功能:

1. 多个LED指示灯显示每个导轨上的电源和一些数字功能。
2. 隔离跳线，以便在调试中隔离某些电路的电源
3. 具有相邻返回连接的信号的多个测试点将与具有弹簧尖端或同轴尖端的10x探头一起使用
4. 充分利用丝网信息，便于装配、测试和调试。

在你的设计中加入这些设计习惯，可以降低风险，增加你对电路板第一次工作的信心。