畢業(yè)4年以來，雖然其中有段時間在做嵌入式實時軟件系統(tǒng)的驅(qū)動部分，可一直都掛著“硬件工程師”的頭銜。其實有點慚愧，談不上對硬件的有多深的造詣，除了  有相當一部分時間設(shè)計硬件電路以外，更重要的也就是PCB布板。仔細想想，其中親手布過的電路板，從簡單的數(shù)字電視機頂盒前面板的單層板，到復雜一點的  AT89C51為核心的工業(yè)控制類的雙層板，無線擴頻電臺的基帶雙層板，高速FPGA的應(yīng)用板，再到比較復雜的含有DDR MEMERY總線的四層板等不下20塊，所幸的還有接觸過的手機電路的8層板，所以，終歸對PCB的布板有些想法。想法也罷，經(jīng)驗也罷，只要能夠?qū)ψx者的  布板有所幫助的話，也就達到了我寫這篇文章的目的。


一塊優(yōu)秀的電路板，除了在實現(xiàn)電路原理功能之外，還要考慮EMI,EMC， ESD，信號完整性等電氣特性，也要考慮機械結(jié)構(gòu)，大功耗芯片的散熱問題，在這基礎(chǔ)上再考慮電路板美觀問題。所以，PCB板布線是門藝術(shù)，具體而言是門折 衷的藝術(shù)。在開始學習摸索PCB布線之前，或許您會在各式各樣的參考書中看見各式各樣的PCB板布線的規(guī)則，即使許多規(guī)則在一定程度上會是有相同的內(nèi)涵， 可是在不同的實際布板實踐中會有不同的側(cè)重點，甚至規(guī)則之間會產(chǎn)生沖突。舉個例子：規(guī)則一信號傳輸?shù)穆窂皆蕉淘胶?，?guī)則二是在高頻布線要求阻抗匹配。在考 慮布DDR MEMORY的總線時，SOP封裝的MEMERY芯片不可能對所有的TRACK實現(xiàn)規(guī)則一,正確的做法是整體考慮阻抗匹配的條件下實現(xiàn)所有的TRACK相對最短。因此，實際布線中規(guī)則之間的不可兼得就會讓讀者布線過程中自覺的有效的利用這些規(guī)則時產(chǎn)生種種疑惑，甚至就陷入這樣或者是那樣的一般性的規(guī)則中不 知所措。在這就需要強調(diào)一點――各種布線規(guī)則只是指導性的，要結(jié)合實際的布線過程去不斷折衷以取得最大的效用。我想只要在實際布線中自覺注意這些規(guī)則，或 多或少會對布線的效果有所幫助。


1． 模塊化，結(jié)構(gòu)化的思想不僅體現(xiàn)在硬件原理設(shè)計中，也要反映在布局布線效果中


如 今的硬件平臺的集成度越來越高，系統(tǒng)越來越復雜，自然而然也就要求無論是硬件原理圖的設(shè)計中還是PCB布線中使用模塊化，結(jié)構(gòu)化設(shè)計的方法。如果接觸過大 規(guī)模的FPGA或是CPLD就知道，復雜IC的設(shè)計必然要求采用自上至下的模塊化的設(shè)計方法。所以作為硬件工程師，在了解系統(tǒng)整體架構(gòu)的前提下，首先應(yīng)該 在原理圖和PCB布線設(shè)計中自覺融合模塊化的設(shè)計思想。舉個例子，數(shù)字電視機頂盒的硬件平臺的主IC－QAMI5516中就有如下的幾種模塊：


ST20:主頻180MHZ的32位RISC CPU


PTI:TRANSPORT STREAM的處理單元


DISPLAY:MPEG-2解碼，顯示處理單元


DEMODULATOR:QAM解調(diào)器


MEMORY INTERFACE：不同應(yīng)用系統(tǒng)所需要不同的MEMORY的接口


STBUS：各個模塊的數(shù)據(jù)通訊總線


PERIPHERALS:UART,SMARTCARD,IIC,GPIO,PWM等常用外設(shè)


AUDIO:音頻輸出接口


VEDIO:視頻輸出接口


QAMI5516 模塊化的設(shè)計過程，雖然不一定要求硬件工程師了解系統(tǒng)的方方面面，可是必然要求在設(shè)計硬件平臺時，把在實際運用中使用到的IC不同模塊的接口部分當作一個 子系統(tǒng)來處理：例如音頻部分電路和視頻部分電路在布局布線的時候就應(yīng)該在一個整體區(qū)域內(nèi)進行。這樣做，不僅延續(xù)了IC模塊化設(shè)計的思路，而且可以方便在需 要進行PCB板的物理分隔，減少不同模塊之間的電氣耦合，可以方便整個系統(tǒng)的調(diào)試。我們知道，硬件調(diào)試中最容易檢查，處理電路原理設(shè)計中的錯誤的方法就是 “頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳”，即上述的QAMI5516平臺中，如果音頻部分電路有問題，首先要做的就是檢查校驗音頻模塊。


模塊化的 思想還體現(xiàn)在系統(tǒng)總線的布線上，通?？偩€都區(qū)分為CONCROL BUS,DATA BUS,ADDR BUS,這三類。例如上面QAMI5516中SMI上使用的是一片16M的SDRAM,工作頻率在100MHZ，這就要求這一組總線在布線過程中需要統(tǒng)一 成一個整體來考慮阻抗匹配。在實際的布線過程中，不可能要把這些線布得七零八落吧。


模塊化的思想也有利于PCB板的布局。


模塊化的思想也有利于硬件系統(tǒng)的功能的擴展或是更改。


2． 站在整個系統(tǒng)的角度上，分析各個模塊信號的性質(zhì)，確定其在整個系統(tǒng)中占據(jù)的地位，從而確定模塊在布局布線的優(yōu)先級


布 局對于整個系統(tǒng)具有重要的意義，這要求在實際的布線過程中，對于各個模塊的具體處理有輕重緩急之分。一般的布局規(guī)則，都要求區(qū)分模塊是模擬電路，還是數(shù)字 電路，是高頻電路還是低頻電路，是主要的干擾源還是敏感的關(guān)鍵信號等等。因此，在布局之前必須仔細分析各個模塊信號的性質(zhì)包括模塊的屬性，功能，供電電 源，具體信號的頻率，電流的流向，電流強度等，以確定模塊在PCB板上布局。通常，在機械結(jié)構(gòu)確定的情況下，復雜的系統(tǒng)還會有N種不同的布局方式，這需要 站在系統(tǒng)的角度上依照一些規(guī)則的折中來找出最優(yōu)化的布局布線。


在數(shù)字模塊中，都會有時鐘，例如SDRAM的CLOCK，而時鐘電 路是影響EMC的主要因素。集成電路的大部分噪聲都與時鐘頻率及其多次諧波有關(guān)。如果CLOCK信號是一個正弦波形式，如果處理不當，對系統(tǒng)會“貢獻”一 個該頻率或是該頻率的倍頻的干擾源，如果是CLOCK信號是方波形式，則對系統(tǒng)“貢獻”一個雜散頻率的干擾源。同時，CLOCK還是一個容易受干擾的信 號，如果CLOCK受到干擾，對數(shù)字系統(tǒng)的影響可想而知。因此，時鐘電路模塊是屬于關(guān)鍵模塊，在布局布線過程中優(yōu)先各種規(guī)則考慮其布局布線。


類似的還有在現(xiàn)在許多的嵌入式硬件系統(tǒng)中的各種各樣的中斷模塊。中斷的觸發(fā)有電平觸發(fā)和邊沿觸發(fā)。曾經(jīng)碰到過一個設(shè)置為上升沿觸發(fā)的中斷因外界的干擾而不斷的被觸發(fā)，最終導致了RTOS由于處理不過來而堵死的現(xiàn)象。


按 照這一原則來分析二個簡單的電路布局。在一個我接觸到的手機硬件平臺中，顯示屏的亮度電路是通過一個PWM產(chǎn)生的不同脈寬信號，經(jīng)過一個RC積分電路建立 不同的背光燈電壓來實現(xiàn)的。PWM信號和CLOCK相比，在對整個系統(tǒng)EMI的影響上在某種意義上是相同的。但是如果仔細分析一些，就應(yīng)該知道，如果在布 線時，IC的PWM信號在盡可能短的路徑上建立模擬的電平后才在PCB板上傳輸，也就是說電阻和電容盡可能的*近PWM管腳放置，這樣可以使PWM對系統(tǒng) 的干擾減小到最小。在手機硬件平臺的設(shè)計中，RF部分和音頻部分是系統(tǒng)的核心，這兩部分的布線占據(jù)絕對核心的地位，在布線時置于優(yōu)先考慮的地位。所以在實 際布局布線中，這兩個模塊的信號線單獨布在一中間層，并且在其鄰層使用電源層和地層，把它屏蔽起來，同時其他模塊盡量遠離這兩個模塊，以免引入干擾。另外 嘗試著考慮這樣一個細節(jié):MIC輸入很小的音頻信號需要經(jīng)過放大到一定的程度后再輸入到AUDIO ADC中。我們知道抽象意義上的信道傳輸信噪比是衡量噪聲對系統(tǒng)的影響?？梢韵嗷⒄眨粋€小的噪聲在音頻信號放大之前就串擾就信道和在音頻信號在放大之 后才進信道對音頻指標的影響。如果這信道的路徑不得以經(jīng)過一些強干擾源的區(qū)域，建議音頻信號進行放大后再進行傳輸。


再比如在復雜 系統(tǒng)的總線上通常會掛接類型的設(shè)備，如I2C總線可以掛127個從設(shè)備，在某些機頂盒硬件平臺中通常會掛上DEMODULATOR,TUNER, E2PROM。這也要求對不同的設(shè)備對于分享總線的頻率上加以區(qū)分，對于使用頻率高的設(shè)備放在相對比較重要的位置上。例如在上述QAMI5516平臺上的 EMI接口同時使用了SDRAM，F(xiàn)LASH兩種設(shè)備?；趯ο到y(tǒng)的理解，SDRAM放置的是實時操作系統(tǒng)的運行代碼，F(xiàn)LASH是作為一種存儲介質(zhì)，在 軟件系統(tǒng)運行過程中SDRAM相對于FLASH有更多的讀寫操作，因此在布線過程中應(yīng)該先考慮SDRAM的位置。


3． 注重電源完整性，布局布線中優(yōu)先考慮電源和地線的處理


在 任何電子系統(tǒng)中，干擾源對系統(tǒng)的干擾不外乎通過兩種途徑：一是通過導體的傳遞，二是通過電磁輻射經(jīng)過空間的耦合。在頻率較低的系統(tǒng)中主要是第一種路徑，在 高頻系統(tǒng)中也有相當部分的干擾原因是通過導體的傳遞，其中比較明顯的就是IC產(chǎn)生的噪聲通過電源和地干擾整個系統(tǒng)。因此，電源的完整性或者說是電源質(zhì)量對 整個系統(tǒng)的抗干擾能力具有至關(guān)重要的意義。電源完整性實際上是信號完整性的一部分，然而考慮到電源對于所有系統(tǒng)的重要性，在此單獨列出。要聲明的是，在實 際系統(tǒng)中，要做到這一點并不容易，系統(tǒng)中總會有各種不同頻率的噪聲。在電路設(shè)計和PCB布局布線中只是極力的減小各種頻率的噪聲，從而提高系統(tǒng)的抗噪聲的 整體性能。同時，在復雜系統(tǒng)中，減少系統(tǒng)的噪聲不是更改一兩電容的值就能夠做到，而是需要注意電源濾波效果的累積。在手機硬件設(shè)計中，有專門的PMU來對 管理對各個模塊供電，然而PMU都是來自VBAT。無法想象，如果是敏感的音頻運放的供電沒有經(jīng)過濾波的處理，直接取自VBAT，又或者，像給SDRAM 供電的電路沒有做濾波處理，任由這部分數(shù)字電路的開關(guān)噪聲污染整個VBAT，會是有什么樣的后果？


如果對電源完整性有了足夠的重 視，結(jié)合起前面說過的模塊化和各個模塊仔細分析后，這部分還是相對比較好處理。對于IC電源VCC通常的規(guī)則一般都會用旁路電容和去耦電容進行處理，并且 在布板的時候盡量讓這類電容*近IC的電源輸入處。如果在要求苛刻的系統(tǒng)中，還可以對不同的敏感頻率采用LCCL電路（串接一個電感或是磁珠，并一個電解 電容，并一個瓷片電容，再串一個小的電感，具體值需要依照相應(yīng)頻率確定）濾波。曾經(jīng)做一個復雜的系統(tǒng)，由于在系統(tǒng)的DEMODULATOR上的一路核心電 源上沒有使用旁路電容，從而使DEMODULATOR的解調(diào)后的誤碼率高的無法忍受。對于系統(tǒng)中各種GND的處理，一般要求分析電流的回流路徑。電流具有 總是選擇阻抗最小回流路徑的性質(zhì)。這是一個核心原則，可以通過這樣一個事實來理解：在PCB布線中有“鋪銅”這樣的模式?！颁併~”經(jīng)常會在網(wǎng)絡(luò)GND上使 用，所有的數(shù)字信號都可以抽象成一個最基本的門級電路，GND也就是信號回流路徑的一部分。GND就是通過“鋪銅”的方式，使信號的路徑上的總阻抗變小。 “就近接地”，“最小化接地阻抗”也正是基于這樣的考慮。


上面只是拋磚引玉的講述了這幾年來鄙人在PCB板中的一些感觸頗深的幾點，有了這三個指導性原則，并結(jié)合具體的許多布線規(guī)則，剩下就是您的態(tài)度問題了。當然，畢竟能力和見識有限，其中難免有所偏頗，不足之處懇請指正。