PCB設計是硬件工程師的必備技能之一。現在，工程師常常面臨的局面是產品功能越來越強大，而尺寸越來越小，設計周期越來越短的挑戰。如果有非常強大的PCB設計技能在身，相信肯定可以輕松搞定。

第四季Back2School的第二節課，邀請到林超文老師教大家制版技能，以及如何快速地依據規則做出PCB設計。

1PCB設計，僅僅是開始

走出誤區，PCB設計、功能實現，僅僅完成30%的工作。

很多同學會認為硬件設計指的是電路設計，這樣說也沒問題的，因為你所有的工作都是圍繞電路設計，最終的目標也是產出一個優秀的電路，能夠滿足各種要求，經歷各種考驗。但實際上我們要求的是產品，而不是單板。

真正的硬件設計就是根據產品經理的需求PRS(Product Requirement Specification)，在滿足性價比的要求下，利用目前業界成熟的芯片方案或者技術，在規定時間內完成符合：要求的硬件產品(注意：是產品，而不是開發板)。

√ PRS功能(Function)

√ 性能(Perrformance)

√ 電源設計(Power Supply)

√ 功耗(Power Consumption)

√ 散熱(Thermal/Cooling)

√ 噪音(Noise)

√ 信號完整性(Signal Integrity)

√ 電磁輻射(EMC/EMI)

√ 安規(Safet)

√ 器件采購(Component Sourcing)

√ 可靠性(Reliability)

√ 可測試性(DFT: design for test)

√ 可生產性(DFM：design for manufacture)可以看到，一個成功的硬件設計，主要功能的實現只是所有環節中的一小部分。剛開始工作的時候，覺得板子電路設計完就完成了50%工作，PCB回板主要功能都能實現了，那就完成了80%的工作。實際上不是的，PCB回板主要功能都實現了，連30%工作都沒有。所以不管是時間上，還是階段上，產品的硬件設計是一個漫長的過程。

2工程師技能要求

初級硬件工程師技能要求：√ 熟悉模擬電路、數字電路知識，熟悉常用電子元器件特性√ 熟悉PCB設計流程和規范，熟悉Altium Designer等EDA軟件√ 熟練使用測試儀器(示波器、萬用表、烙鐵、焊臺、邏輯分析儀等)√ 熟悉嵌入式硬件架構和通用硬件接口(RAMNAND FLASHEMMCUSBDVIHDMICANI2CI2SUARTLCDLVDS等)

√ 熟悉電子產品開發流程、生產工藝流程

中級硬件工程師技能要求：√ 精通STM32、ARM、DSP、FPGA等處理器硬件設計√ 具有高速數字電路，熟練進行六層或以上層數的PCB設計，有豐富的PCB設計經驗√ 獨立完成硬件產品的原理圖設計、PCB設計、調試、順利閱讀器件datasheet√ 熟悉硬件電路可靠性設計和測試方法，具備RF、SI、PI、EMC的相關知識

√ 負責產品生命周期的硬件開發工作，包括攢寫設計規格書、詳細設計方案、硬件測試以及產品的維修指導書等工作

高級硬件工程師技能要求：√ 負責硬件產品的戰略規劃√ 完成產品的開發、測試、版本管理、評審發布、產品上線等相關工作√ 負責與外觀、模具、元器件、制板、焊接、外包裝、組裝、配件等第三方合作廠商深度溝通√ 為產品研發團隊擬定明確有競爭力的產品方向，并能夠統籌和推動研發執行√ 持續關注并研究行業前沿技術，挖掘新技術在產品上實施的可行性，以保證產品在技術上的持續創新

√ 負責軟硬資源整合，把控產品的品質管理、生產成本等

優秀PCB工程師特征：好的PCB設計考慮的技術方面眾多，包括電路性能、DFX、熱設計、EMC設計、信號完整性、電源完整性、結構設計、可靠性、成本等諸多方面，甚至也需要考慮布局美觀。

3高速PCB設計流程

高速PCB設計流程：

4PCB疊層理論基礎

多層板層疊的一般原則：1)元件面相鄰層為地平面(屏蔽和提供連續的參考平面);2)所有的信號層盡可能與地平面相鄰;3)盡量避免兩個信號層直接相鄰;4)主電源盡可能與其對應地相鄰;5)兼顧層壓結構結構; (翹曲度<0.75%)

6)采用偶數層結構;(制造工藝，成本，層壓，翹曲度)

地和電源平面實現3個功能：為數字信號的轉換提供穩定的參考電壓、為所有的邏輯器件分配電源、控制信號之間的串擾。

在低速電路中，電流沿著最小電阻路徑前進;在高速電路里、高速電流沿著最小電感路徑前進。

電源的對地阻抗應該最低：

D為電源平面同地平面之間的間距，W為平面之間的面積。

盡量減小信號線寬度，線距會加大，串擾會減小。信號線的阻抗：

H(介質厚度)對阻抗影響最大。

平面隔離時，應使用額外的地平面而不是電源平面來隔離布線層。

5高速PCB布局設計技巧

布局的好壞往往決定著單板的成敗!

快速模塊化，高速PCB布局常用的一種方法，根據原理圖把一個個小功能模塊布好后再往板內整體布局;分清主次，需要特殊處理的地方要提前考慮。

除此之外，還包含交互式布局、飛線引導布局法、Net標注法、位號居中、以及各種結構件對齊。

好的設計習慣是PCB一板成功的基礎：

1)優先規劃地平面和電源平面

2)先打孔、后走線：布線時候盡量避免過孔讓線，漏打孔是初級設計師經常容易犯的問題之一，比如濾波電容。

6設計驗證

1)檢查整板濾波電容、去耦電容的設計

2)檢查每路電源的電源平面是否存在瓶頸

3)3W原則，PCB設計中為了減少線間串擾，應保證線間距足夠大，當線中心間距不少于3倍線寬時，則可保持大部分電場不互相干擾

4)20H原則：指電源層相對地層內縮20H的距離，這是為了抑制邊緣輻射效應。在板的邊緣會向外輻射電磁干擾。將電源層內縮，使得電場只在接地層的范圍內傳導。

5)環繞地設計，地空越多越好，使每一層緊密的連接在一起

6)跨島處理，在 PCB 設計過程中，由于平面的分割，可能會導致信號參考平面不連續，對于低頻信號，可能沒什么關系，而在高頻數字系統中，高頻信號以參考平面作返回路徑，即回流路徑，如果參考平面不連續，信號跨分割，這就會帶來諸多的問題，如 EMI、串擾等問題。這種情況下，需要對分割進行縫補，為信號提供較短的回流通路。

常見的跨島處理方式：添加縫補電容(Stiching Capacitor)，跨線橋接。

審核編輯：湯梓紅