精通PCB设计：专业工程师的综合指南

印制电路板（PCB）是当今所有电子产品的核心。这些小小的绿色板卡对日常家电和工业机械同等重要。PCB设计与布局是产品功能的关键组成部分——它决定了设备的成败。随着技术持续演进，这些设计不断进步。今天，得益于电气工程师的创新，设计的复杂度与期望已达到新高度。

近期PCB设计系统与技术的进步对行业产生深远影响。因此，PCB设计规则与生产工艺也随之演进，实现新布局与新能力。如今，更细的走线与多层板已成量产PCB常态——这在几年前还是不可想象的。PCB设计软件也助推了这一进程，这些工具让电子工程师能从零开始设计更优秀的PCB。

即使有这些增强能力，PCB板级布局设计依然充满挑战。即使最资深的电子工程师，在PCB上创建电路或按行业最佳实践设计PCB时也可能举步维艰。更难的是制作满足客户需求的高质量板卡。面对客户设计，在PCB功能性与最佳设计实践间取得平衡是个复杂过程。因此我们梳理了PCB设计流程，包含一些必要的PCB设计规则。

明确需求

PCB设计主要步骤首要的是需求。对大多数电子工程师而言，需求由客户主导，客户会列出PCB必须满足的所有要求。工程师需将客户列出的需求转化为电子形式，本质上是将其翻译为电子逻辑语言，这是设计PCB时将使用的语言。

项目需求决定PCB设计的多个方面，涵盖从材料到PCB最终外观的一切。PCB应用领域（如医疗、汽车）往往决定材料选择。例如，许多用于电子植入的医疗PCB采用柔性基材，以适应狭小空间并承受体内有机环境。PCB最终外观主要由其电路与功能决定——例如，许多复杂PCB采用多层结构。

电子工程师将确定并列出这些需求，以此设计PCB初步原理图及BOM（物料清单）。

原理图设计

原理图设计是制造商和其他工程师在开发和生产过程中使用的蓝图。原理图决定PCB功能、设计特性与元件布局。PCB硬件信息也包含在内，包括PCB材料、设计涉及的元件、制造商生产过程中所需的其他材料。

所有这些信息在初始设计阶段都包含在原理图中。完成首版原理图后，设计师进行初步分析，检查潜在问题并按需修正。随后原理图上传至PCB设计软件专用工具，运行仿真验证功能。仿真能帮助工程师捕捉原理图初检时遗漏的设计错误。之后，电路电子设计可转换为"网表"，列出元件互连信息。

在原理图设计考量中，电子工程师应从一开始就牢记几条关键电路板设计基础。原理图开发阶段应实施的几项考量包括：

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• 选择合适的PCB面板尺寸： 选择与设备最兼容的板卡尺寸是基础却常被忽视的最佳实践。这样不会浪费额外空间，走线保持最短，整体材料成本可控。但须确保设计规格针对量产优化。板卡设计过小可能不适合量产装配线，因件间差异足以破坏小尺寸设计。
• 选择正确的网格： 网格间距始终设定为适配大多数元件。坚持使用该网格是工程师避免间距问题最有益的做法，选择最适合工作的网格至关重要。若某些元件与网格不配合，设计师应尝试寻找替代品，或更好地使用自设计产品。
• 尽可能实施DRC： 许多PCB组装公司只在设计末期运行设计规则检查（DRC）软件。这会让小错误和可疑设计选择累积，导致设计后期需大量返工。相反，设计师应在可行范围内尽可能频繁地用DRC检查工作。这能让他们尽快处理DRC识别的问题，将设计末期大规模变更最小化，最终节省时间、平滑编辑流程，避免后期负担过重。

物料清单（BOM）

原理图生成同时，电子工程师也编制详细的物料清单（BOM）。这是PCB原理图中使用的元件清单。BOM与原理图完成后，电子工程师将两者移交给布局工程师和元件工程师。这些工程师核对细节并为项目采购必要元件。具体而言，元件工程师负责选择符合原理图最大工作电压和电流要求的元件，也负责选择成本和尺寸参数合理的设备。

BOM元件必须满足的五个最重要方面：

• 数量： 采购元件数量至少满足BOM列出的数量。
• 参考标识符： 每个元件必须根据其在PCB电路中的位置进行标识。
• 值： 每个元件应落在特定值范围内，包括欧姆、法拉等。成本若为客户关注点则纳入考量。
• 封装： 每个元件的位置必须列出。
• 制造商料号： 追踪料号，以便故障时组装商和制造商参考。

除上述基本BOM指南外，编制BOM和原理图时还应牢记以下PCB设计技巧：

• 整合元件： 选型是设计师最重要的工作之一。为辅助该过程，可选取高低数值但效果相近的离散元件。通过整合这些元件并生成少量标准值类别，可有效简化BOM、降低产品成本。
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• 应用去耦电容： 切勿试图通过移除去耦电源线来优化设计。许多设计师为降低成本而误删这些电容。电容价格低廉且耐用，能增加设计寿命。电容还能在保持低成本的同时维持电路板整洁有序。若担心BOM问题，请重点关注上述建议。

PCB元件布局

每个元件在电路板设计上都应有指定位置。选择正确位置是棘手部分。确定元件最佳位置取决于众多因素和设计师考量，包括热管理、电气噪声考量、整体PCB功能。大多数情况下，设计师按以下顺序布局元件：

• 连接器
• 电源电路
• 敏感与精密电路
• 关键电路元件
• 所有其他元件

此阶段需牢记的更多设计考量：

• 识别并隔离关注元件与所需测试点： 若PCB上有任何令人担忧的元件，将其置于所需测试点附近，以便更及时地故障检测。
• 灵活应用丝印： 丝印可为PCB制造商、工程师、组装工、测试员在组装各阶段标注广泛信息。丝印上建议标注功能、测试标记、元件与连接布局方向。尽量在印制电路板顶底两面都应用丝印，避免重复工作，同时为手工组装澄清方向，简化生产流程。

单个元件放置到印制电路设计上后，最好再完成一轮测试验证板卡运行是否正常。这有助于识别任何有问题的设计选择和潜在调整需求。

布线

元件放置到PCB上后，PCB设计基础的下一步是将它们全部连接。板上每个元件通过走线连接，走线通过合理布线实现。但布线本身是一个完整的设计过程，因设计师必须考量诸多因素：功率电平、信号噪声敏感度、信号噪声产生、布线能力。

幸运的是，大多数PCB设计软件会利用原理图生成的网表自动布线走线。程序利用可用连接层数，计算最佳路线以充分利用空间，并根据需要调整设计。这需要大量算力，尤其对于大型模型。结果是布线过程较长——元件布局特别密集时程序耗时更久。

虽然大多数PCB软件按原理图网表自动布线，但软件非通用。非所有PCB设计师都用自动布线软件，即使使用的也倾向于复查走线问题。这是好习惯，因为计算机也可能产出设计师不满意的结果。

走线经验法则：宽度10-20mil的走线可承载10-20mA电流；宽度5-8mil的走线可承载<10mA电流。这对大电流PCB设计或信号快速变化的PCB设计尤为重要，因为布线到高频节点需要特定走线宽度。

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• 合理分配电源与地线： 大多数PCB设计师将一层专用作地平面，另一层专用作电源平面。这有助于降低PCB噪声电平，使设计师能创建低源电阻连接。一个好的PCB设计实践是尽可能按电源平面分配线路。这有助于提高效率、降低阻抗，同时提供足够的地环路路径。
• 保持走线尽可能短： 确保每个设计阶段走线尽可能短。虽然大多数PCB组装流程包含优化走线长度步骤，但每个设计阶段都应遵循此规则。处理模拟或高速数字电路时，此规则应更严格遵守。这类印制电路常见于汽车和电信设备，受阻抗和寄生效应影响更严重。

检查

检查设计可能是设计过程中最重要的步骤。此环节考量设计的方方面面，寻找困扰PCB设计的潜在问题。

例如，PCB设计常见问题之一是发热。完美热设计的PCB能保持整板温度一致均匀，防止热点。然而，热点和温度不均可能由多种设计特征导致，如铜厚变化、PCB层数、板尺寸大小、热路径有无等。

简单的设计检查能捕捉PCB热管理潜在问题，大多数PCB DRC软件也能检出。降低PCB工作温度有多种方法，许多由PCB设计基础缓解。几个热管理技巧：

• 将实心地或电源平面通过更多层直接连接到PCB热源。这些平面通常含铜更多，散热能力更强。
• 建立有效热路径和大电流路径，帮助引导和散发热量，优化热传递。
• 最大化热传递面积，有助于维持全板较低温度。但这必须在设计早期考虑，因会影响板卡尺寸。

大多数DRC软件能捕捉上述问题。DRC软件获取PCB设计所有细节，判断布局是否满足预设参数列表，这些称为PCB设计规则。理想情况下如前所述，DRC应贯穿设计全过程以尽早识别问题区域。但若一切失败，设计完成后使用DRC也能节省大量设计时间，避免设计师与组装商间的困惑。

设计检查步骤不只含DRC检查，还包括其他物理验证过程：布局与原理图一致性（LVS）检查、XOR检查、电气规则（ERC）检查、天线检查。更高阶PCB制造商可能使用额外检查和规则提高良率，但以上是设计师和制造商常用的基础检查。

此外，提交生产前验证制造参数是好习惯。设计师应亲自生成并验证PCB制造参数再提交最终设计。虽然大多数制造商愿为客户下载验证设计文件，但最好发送前再次核对。这能避免混淆误解，避免因参数错误制造造成损失。验证步骤还能通过减少制造前纠正和重新验证时间来加快流程。

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