PCB設(shè)計(jì)必須掌握的7個(gè)設(shè)計(jì)理念

PCB設(shè)計(jì)是一種逼格，也是一種藝術(shù)。雖然大部分工程師畫(huà)出來(lái)的板子都能用，但性能卻各不相同。那如何才能設(shè)計(jì)出好的板子呢？作為一名優(yōu)秀的PCB設(shè)計(jì)工程師，你必須要掌握下面這些設(shè)計(jì)理念。

信號(hào)完整性（SI）

信號(hào)完整性（英語(yǔ)：Signal integrity，SI）是指信號(hào)在傳輸路徑上的質(zhì)量，傳輸路徑可以是普通的金屬線，可以是光學(xué)器件，也可以是其他媒質(zhì)。在短距離、低比特率的情況里，一個(gè)簡(jiǎn)單的導(dǎo)體可以忠實(shí)地傳輸信號(hào)。而長(zhǎng)距離、高比特率的信號(hào)如果通過(guò)幾種不同的導(dǎo)體，多種效應(yīng)可以降低信號(hào)的可信度，這樣系統(tǒng)或設(shè)備不能正常工作。

隨著集成電路輸出開(kāi)關(guān)速度提高以及PCB板密度增加，信號(hào)完整性已經(jīng)成為高速數(shù)字PCB設(shè)計(jì)必須關(guān)心的問(wèn)題之一。元器件和PCB板的參數(shù)、元器件在PCB板上的布局、高速信號(hào)的布線等因素，都會(huì)引起信號(hào)完整性問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至完全不工作。

信號(hào)完整性需要考慮的問(wèn)題主要有振鈴（ringing）、串?dāng)_（crosstalk）、接地反彈、扭曲(skew)、信號(hào)損失和電源供應(yīng)中的噪音。

電源完整性（PI）

電源完整性（Power integrity）簡(jiǎn)稱PI，是確認(rèn)電源來(lái)源及目的端的電壓及電流是否符合需求。電源完整性在現(xiàn)今的電子產(chǎn)品中相當(dāng)重要。有幾個(gè)有關(guān)電源完整性的層面：芯片層面、芯片封裝層面、電路板層面及系統(tǒng)層面。其中，在電路板層面的電源完整性要達(dá)到以下三個(gè)需求：

使芯片引腳的電壓漣波比規(guī)格要小一些（例如電壓和1V之間的誤差小于+/-50 mV）

控制接地反彈（也稱為同步切換噪聲SSN、同步切換輸出SSO）

降低電磁干擾（EMI）并且維持電磁兼容性（EMC）：電源分布網(wǎng)絡(luò)（PDN）是電路板上最大型的導(dǎo)體，因此也是最容易發(fā)射及接收噪聲的天線。

時(shí)序完整性（Timing integrity）

時(shí)序問(wèn)題

系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的提取通常是由時(shí)鐘信號(hào)的上升沿或下降沿觸發(fā)，按照一定的節(jié)拍進(jìn)行，數(shù)據(jù)應(yīng)該及時(shí)到達(dá)接收端并進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。數(shù)據(jù)的超時(shí)延時(shí)和數(shù)據(jù)的信號(hào)畸變都會(huì)造成數(shù)據(jù)的讀取錯(cuò)誤。接收端信號(hào)由于出現(xiàn)嚴(yán)重的振鈴現(xiàn)象，部分進(jìn)入非穩(wěn)定狀態(tài)，會(huì)使數(shù)據(jù)不能被可靠地提取，造成誤碼問(wèn)題。

時(shí)序分析基本概念

傳輸時(shí)間：指信號(hào)在傳輸線上的傳播延時(shí)，與線長(zhǎng)和信號(hào)傳播速度有關(guān)。

飛行時(shí)間（Flight Time）：指信號(hào)從驅(qū)動(dòng)端傳輸?shù)浇邮斩?，并達(dá)到一定的電平之間的延時(shí)，和傳輸延遲和上升時(shí)間有關(guān)。

Tco：指器件的輸入時(shí)鐘邊緣觸發(fā)有效到輸出信號(hào)有效的時(shí)間差，這是信號(hào)在器件內(nèi)部的所有延遲總和。

建立時(shí)間：指的是接收端能夠正確地鎖存數(shù)據(jù)，在時(shí)鐘邊沿來(lái)導(dǎo)之前應(yīng)該保持穩(wěn)定的最小時(shí)間，它表示數(shù)據(jù)有效必須先于時(shí)鐘有效的最小時(shí)間。

保持時(shí)間：為了成功的鎖存一個(gè)信號(hào)到接收端，器件必須要求數(shù)據(jù)信號(hào)在被時(shí)鐘沿觸發(fā)后繼續(xù)保持一段時(shí)間，以確保數(shù)據(jù)被正確的操作。這個(gè)最小的時(shí)間就是我們說(shuō)的保持時(shí)間。

時(shí)鐘抖動(dòng)（Jitter）：時(shí)鐘抖動(dòng)是指時(shí)鐘觸發(fā)沿的隨機(jī)誤差，時(shí)鐘抖動(dòng)通常指時(shí)鐘周期在周期與周期之間的變化。這個(gè)誤差是由時(shí)鐘發(fā)生器內(nèi)部產(chǎn)生的，和后期布線沒(méi)有關(guān)系。

時(shí)鐘偏移（Skew）：是指由同樣的時(shí)鐘產(chǎn)生的多個(gè)子時(shí)鐘信號(hào)之間的延時(shí)差異。

采樣窗口：指我們通過(guò)示波器觀察到的信號(hào)的波形。

電磁兼容性（EMC）

電磁兼容性（EMC，即Electromagnetic Compatibility）是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對(duì)其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁騷擾的能力。因此，EMC包括兩個(gè)方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過(guò)程中對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁騷擾(Electromagnetic Disturbance)不能超過(guò)一定的限值；另一方面是指設(shè)備對(duì)所在環(huán)境中存在的電磁騷擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性(Electromagnetic Susceptibility，即EMS)。

可測(cè)試性（DFT）

產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可測(cè)試性(De sign For Testability. OFT) 也是產(chǎn)品可制造性的主要內(nèi)容從生產(chǎn)角度考慮也是設(shè)計(jì)的工藝性之一。它是指在設(shè)計(jì)時(shí)考慮產(chǎn)品性能能夠檢測(cè)的難易程度，也就是說(shuō)設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)應(yīng)考慮如何以最簡(jiǎn)單的方法對(duì)產(chǎn)品的性能和加工質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，或者產(chǎn)品的設(shè)計(jì)盡量能使產(chǎn)品容易按規(guī)定的方法對(duì)其性能和質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。尤其是電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，對(duì)產(chǎn)品的性能測(cè)試是必不可少的。DFT 好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，可以簡(jiǎn)化生產(chǎn)過(guò)程中檢驗(yàn)和產(chǎn)品最終檢測(cè)的準(zhǔn)備工作，提高測(cè)試效率、減少測(cè)試費(fèi)用，并且容易發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的缺陷和故障，進(jìn)而保證產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性和可靠性。

可制造性（DFM）

產(chǎn)品的可制造性從廣義上講，包括了產(chǎn)品的制造、測(cè)試、返工、維修等產(chǎn)品形成全過(guò)程的可行性。狹義上講就是指產(chǎn)品制造的可行性。

針對(duì)PCB可制造性設(shè)計(jì)可以從以下兩個(gè)方面考慮：

1. PCB的可制造性(DFM= Design for Manufacture)

2. PCB的貼裝和組裝的可制造性。(DFA= Designfor Assembly)

可制造性設(shè)計(jì)（DFM）是保證PCB設(shè)計(jì)質(zhì)量的最有效的方法。DFM就是從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)起，就考慮到可制造性和可測(cè)試性，使設(shè)計(jì)和制造之間緊密聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到制造一次成功的目的。

DFM具有縮短開(kāi)發(fā)周期、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn),是企業(yè)產(chǎn)品取得成功的途徑。

可靠性（Reliability）

可靠性，英文為Reliability，從字面意思很容易理解，我們一般說(shuō)“可靠的”，是指“可信賴的”，可靠性即可靠的性質(zhì)和程度，就是指產(chǎn)品在使用時(shí)用戶是否可以信賴它，它可以正常、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地發(fā)揮其功能和性能的能力和程度有多高。

集成電路的可靠性可以分為可靠性設(shè)計(jì)、可靠性測(cè)試，都已經(jīng)積累了很豐富的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)規(guī)范。

在PCB設(shè)計(jì)工作中，我們需要掌握這些正確的設(shè)計(jì)理念，然后將它們正確的應(yīng)用到工程設(shè)計(jì)中去，轉(zhuǎn)化成真正的產(chǎn)品。