如果你可以使用无焊面包板来制造你的产品，它可以工作，而且互连是透明的，那么你如何设计电路板可能就不重要了。它还是可以工作的。你所需要担心的是低成本的制造设计和测试设计。但是，如果性能很重要，如果互连不透明，或者如果你想养成良好的习惯，你会想要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。通常情况下，BGA包(如FPGA或高端微处理器)很难路由到2层板中。我们说的不是高端板。但是，许多消费产品、微控制器和物联网应用程序都构建在2层板中。

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，我们使用了古老的Arduino Uno板作为一个两层板的例子，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。你几乎可以使用任何设计规则，它都是可行的。不幸的是，这会强化坏的设计习惯。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。

这是我们努力避免的两个问题

原理图标识设计中使用的组件以及它们是如何连接的。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，这种连接只会破坏产品的性能。虽然会出现许多信号和电源完整性问题，但最常见和影响最大的两个问题是由于信号和回路回路之间的互感过大(接地反弹)造成的串扰以及由于瞬态电流波动过大而导致的电源轨道上的开关噪声。图2是Arduino Uno板中同时打开和关闭多个数字输出时测量的地面反弹示例。

电路板物理设计(包括布局)的目标是遵循通用设计准则来减少这两个问题。如果没有每个工程师都应该做的详细分析，我们只能遵循一些通用的设计准则，以降低这些问题导致产品崩溃的风险。

你做的分析越多，风险就越低，你就越有信心你的产品在第一次就能起作用。

这里有七个我们可以遵循的习惯，虽然不能保证成功，但可以降低失败的风险。

习惯1:使用6mil宽的信号走线，20mil宽的电源走线和13mil的钻孔直径

这些是每个工厂都能以最低价格生产的最小功能。如果你保持这些特点，你可以在任何工厂制造你的板。

您总是希望使用尽可能窄的特性，而不需要额外的成本来获得最高的路由密度。你可能会认为6毫米宽的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。它的电阻每长度是80毫欧每英寸在1盎司铜。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英寸的信号长度。在信号带宽达到> 1 GHz之前，损耗不会起作用。

使用标准62密耳厚的2层板的6密耳宽迹线的特性阻抗将很高，约为150欧姆。如果你有足够短的上升时间或互连长度足够长，需要端子，只要不走线，150欧姆的端子就像50欧姆的端子一样容易，而且功耗更低。

在1盎司铜中20毫米宽的痕迹可以处理3 A直流电流，没有明显的温度升高。其串联电阻约为25莫姆/英寸。4英寸长的电源迹线只有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3 A，增加到100毫米宽的走线将启用10 A直流电流。

在我课上的第一个实验室里，学生们测试需要多少电流才能炸毁电路板上的痕迹。他们使用一个简单的板，如图3所示。

习惯二:路由组件、信号和电源路径在第1层，地面返回在第2层

如果跟踪下面有一个连续的返回路径，那么您可以将其设置为任意长的时间，并且不会对性能造成影响。关键是在信号线下面使用连续的返回路径。要做到这一点，最简单的方法是在板的底层使用坚实的接地平面。

这为所有组件留下了顶层，用于信号路由和电源路由。它使调试更容易一些，能够跟踪信号路由。而且，一眼就能看出哪些线路是信号，哪些线路是功率。

习惯3:调整组件以减少拥挤的路由和空间信号迹线

给定组件的位置，尝试将信号路由得尽可能远，以减少行与行之间的串扰。迹线具有相当高的特性阻抗。由于他们离回程飞机很远，他们之间会有一些相声。相邻信号之间的距离越近，串扰就越大。在最近的间距近端串扰可以高达25%。将迹线间隔得更远将减少近端串扰。

习惯4:当你需要在底层画交叉线时，把它画短一点。如果你不能把头发剪短，就在头发上加一根背带

最佳设计实践的目标是为每条信号线提供低阻抗的返回路径，以便相邻信号-返回路径对之间的互感较低。当你在地平面中布线信号线时，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迹线将在返回路径中看到间隙，并与同样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短的间隙，这样就只有一个短路径的返回电流必须蛇。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显示了交叉下方的间隙示例，并在顶层设置了返回带。

习惯5:将去耦电容器放置在离IC电源引脚尽可能近的地方，并且电感值要尽可能低

在最小的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。电容的大小取决于你要解耦的元件的电流。如果你不打算做分析，根据经验，22 uF将处理22 mA的瞬态电流，电压下降最小。

电容的大小并不像IC的电源和接地引脚和去耦电容器之间的低回路电感那么重要。这通常意味着将电容器放置在IC引脚附近，并在电源和gnd路径上使用短而宽的走线。有时使用多个电容器，这可以实现为电力水坑。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值

对地反弹或开关噪声有贡献的元素是多个信号共享同一个返回引脚。在许多连接器中，可能只有1或2个带有多个信号切换的返回引脚。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多的原因之一。

习惯七:不要遵循这两条流行的准则:

1. 不要使用三个不同值的电容器- 10uf, 1uf和0.1 uF的每个电源引脚。这解决不了任何问题。而且，如果操作不当，有时还会带来额外的问题。如果有三个电容器的空间，路由他们都低回路电感，并使他们都22 uF。
2. 不要用铜填充。它解决不了任何问题，有时还会产生额外的问题。与其把电力当做铜填料，不如把电力当做痕迹。通过这种方式，您可以跟踪电源路径，以验证连接性并进行调试。从集成电路到去耦电容器，低回路电感很重要。即使是10a的直流电流也只需要100mil宽的走线。

如果是地面填充物，使用底层作为地面，并小心管理返回路径。不要依赖顶部铜填充地面。引入返回路径不连续而不注意它是很容易的。

不要以为加入接地网的铜填料就能减少串扰。如果你有不重叠的连续返回路径，没有任何填充，串扰将会很低。如果有空间在信号迹线之间添加铜填充，迹线之间的间距将足够大，可能有可接受的低串扰。除非你正确地处理填充，否则它通常会增加而不是减少串扰。

总结

遵循这些设计准则并不能保证产品的成功。它们将降低串扰或电源轨道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个练习，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来布置它。图6是我的两个学生Raj Lavingia和Yash Gupte使用Atmega 32U4微控制器设计的Arduino的2层版本的示例。

你会注意到这个设计包含了所有的习惯:

1. 信号宽度为6密耳，电源走线宽度为20密耳，信号过孔宽度为13密耳
2. 第一层，红色部分，是组件、信号和功率走线。第二层，蓝色部分是固体地平面
3. 信号轨迹尽可能分散开来
4. 在接地平面的交叉下布线的情况下，间隙保持短，当它们很长时，使用返回带。
5. 去耦电容器布线接近低电感电源和接地回路的电源引脚。
6. 在头部引脚中，在数字引脚的外面增加了一排接地。使用Arduino头部引脚的标准占用，但增加了一排引脚。
7. 在任何层上都没有铜填充，只使用一个值的去耦电容器。

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，还有其他四个重要的最佳设计实践功能添加到本板中:

1. 多个LED指示灯显示电力在每个轨道和一些数字功能。
2. 隔离跳线隔离电源从一些电路，我们在调试
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探针一起使用
4. 大量使用丝印信息，便于组装、测试和生产。

将这些设计习惯融入到你的设计中，降低风险，增加你的信心，让你的电路板第一次就能工作。