PCB设计的核心——解决问题、面对挑战

PCB设计的核心——解决问题、面对挑战

PCB设计是指通过原理图和电路布局的设计，以尽可能低的成本生产电路板。过去，这通常需要借助昂贵的专用工具来完成，但现在，随着designSpark PCB等免费高性能软件工具和设计模型的日益普及，电路板设计人员的设计速度大大加快。

尽管工程设计人员知道完美的设计方案是避免问题的最好方法，但这仍然是一种既浪费时间又浪费金钱、治标不治本的方法。例如，如果在电磁兼容（EMC）测试阶段发现问题，就会造成大量的成本投入，甚至需要对原设计方案进行调整和重新生产，这需要几个月的时间。

挑战

布局是设计师首先要面对的问题。这个问题取决于图中的一些内容，一些设备需要基于逻辑考虑设置在一起。但需要注意的是，温度敏感元件（例如传感器）应与发热元件（包括功率转换器）分开设置。对于具有多种电源设置的设计，可以将12V和15V电源转换器设置在电路板的不同位置，因为它们产生的热量和电子噪声会影响其他元件和电路板的可靠性和性能。

上述元件也会影响电路设计的电磁性能，这不仅对电路板的性能和能耗很重要，而且对电路板的经济性也有很大影响。因此，所有在欧洲销售的电路板设备都必须获得CE标志，以证明其不会干扰其他系统。不过，这通常只是从电源的角度来看。还有许多设备会发出噪声，例如 DC-DC 转换器和高速数据转换器。由于电路板设计上的缺陷，这些噪声可以被通道捕获并作为小天线辐射出去，从而产生噪声和异常频率区域。

远场电磁干扰（EMI）问题可以通过在噪声点安装滤波器或使用金属外壳屏蔽信号来解决。不过，应适当关注电路板上能够释放电磁干扰（EMI）的设备，这使得电路板可以选择更便宜的外壳，从而有效降低整个系统的成本。

在电路板设计过程中，电磁干扰（EMI）确实是一个必须关注的因素。电磁串扰可以与通道耦合，将信号扰乱成噪声，影响电路板的整体性能。如果耦合噪声太高，信号可能会被完全覆盖。因此，必须安装更昂贵的信号放大器才能恢复正常。但如果在电路板设计之初就能够充分考虑信号电路布局，则可以避免上述问题。由于电路板的设计会根据不同的设备、不同的使用场所、不同的散热要求、不同的电磁干扰（EMI）条件而有所不同，因此设计模板就会投入使用。

电容也是电路板设计中不可忽视的重要问题，因为电容会影响信号的传播速度，增加电力的消耗。沟道会与相邻的线路耦合或垂直穿过两个电路层，从而无意中形成电容器。上述问题可以通过减少平行线的长度并在其中一根线上安装扭结以切断耦合来相对容易地解决。但也需要工程设计人员充分考虑生产设计原则，确保设计方案易于制造，避免线路弯曲角度过大而产生噪声辐射。线路之间的距离也可能太近，这会造成线路之间的短路，尤其是线路弯曲处。 随着时间的推移，金属“晶须”就会出现。设计规则检测通常可以识别环路风险高于正常水平的区域。

这个问题在地平面的设计中尤为突出。金属电路层可以与其上方和下方的所有线形成耦合。金属层虽然可以有效阻挡噪声，但也会产生关联电容，影响线路的运行速度，增加功耗。

就多层电路板的设计而言，不同层电路板之间的通孔设计可能是最具争议性的问题，因为通孔设计会给电路板的生产制造带来很多问题。电路板层间的过孔会影响信号的性能，降低电路板设计的可靠性，应予以充分重视。

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