印制电路板布线设计-原则、技巧、工作量

在布局之后，布线的工作是完成产品设计的重要步骤。在整个印制电路板中，以布线的设计过程限定最高、技巧最细、工作量最大。如果布线不当，就会产生严重的电磁干扰。总的来说，布线时，应先确定元器件在板上的位置，然后布置地线、电源线，再安排高速信号线，最后考虑低速信号线。

单面板和双面板制造简单，装配方便，通常适用于低于10kHz的低频模拟电路设计中。由于信号回路面积过大，辐射强抗扰差，不适用于要求高的组装密度或复杂电路的场合。如果印制电路板的布局布线设计合理，则可将信号回路面积减小到最小，也可以实现较好的电磁兼容性。

精心的走线设计可以在很大程度上减少走线阻抗造成的骚扰。为方便起见，先考虑一块简单的单面板。在印制电路板上，当频率高于数千兆赫兹时，导线的阻抗主要由导线的电感决定，细而长的导线呈现出高电感（典型的如10nH/cm），且阻抗随频率的增加而增加，如果设计处理不当，将引起共阻抗耦合。一般减小导线电感的方法有两个：一是减小导线的长度，如果可能的话，同时增加导线的宽度；二是使回线尽量与信号线平行并靠近。

PCB布线导线的电感可以表示为

式中，h是导线距离地线的高度（m）；W是导线的宽度（m）。高频时，对阻抗影响最大的是导线的长度，宽度、直径都是较次要的因素。由于阻抗与走线宽度是对数关系，将宽度增加一倍仅使电感减少75%。

导线的电感（nH）也可用式（5-8）近似计算

式中，S为导线的长度（m）；W为导线的宽度（m）。当S/W>4时，有L≈0.2S[ln（2S/W）]（nH）。

两根载有相同方向电流的导线的电感为

式中，L₁、L₂分别为导线1和导线2的自感，M为互感。M可表示为

式中，μ₀为真空磁导率；l为导线长度（m）；D为两导线间距（m）。

当L₁=L₂时，则有

两根电流方向相反的平行导线，由于互感作用，能够有效地减少电感，可表示为

L=L₁+L₂-2M （5-12）

当两条细导线相距1cm以上时，互感可以忽略。无论怎样，当用导线作为信号回流路径时，其阻抗的影响是不可忽略的。

但是，如果将导线改为铜箔板，它就没有外部电感，仅有电阻和内部电感，并且阻抗变化规律与趋肤深度有关，它随频率的变化率远没有细导线阻抗随频率的变化率大。例如，当频率为100Hz时，铜箔板阻抗仅为3.72Ω。这就是说，30mA的开关电流在铜箔板上引起的压降仅为100μV。当然，单用一层板作为地层很多情况下都不太现实，但无论如何，应尽量增加信号地线的宽度，可以明显减小其阻抗。还经常用电源层（或具有相当宽度的平直电源线）来作为信号回线，这样做比用导线作为信号回线效果更好，因为电源层或线的电感更小些，电容也较大，所以其阻抗就比较小。

印制电路板布线的一般原则有：

1）电源线的宽度要满足1.5倍电流容量要求，地线的宽度要满足2倍电流容量要求。

2）强电之间、强弱电之间的爬电距离不小于2.5mm，小于时必须割槽，但也不能小于2mm。

3）一般地，先布电源走线，再布信号走线。地线敷铜时不要留死铜，用多一些的过孔连接两面的敷设铜。

4）地线、电源线尽量加粗，地线要布成环、网状，高、低速和模拟、数字地线分开接线。

5）信号线不能交叉，要尽可能地短而宽，以免增大电感。信号线的过孔要尽量少。

6）信号线都不要形成环路，如不可避免，则环路应尽量小。减小环路面积图示如图5-16所示。

表5-1所示为不同逻辑电路为了满足EMI指标要求所允许的环路面积。

图5-16 减小环路面积图示

表5-1 不同逻辑电路为了满足EMI指标要求所允许的环路面积

7）导体距线路板边缘的距离要大于0.3mm。

8）导线条弯角部分设计成圆角，可以防止铜箔剥落。或使用45°的折线布线，不要使用90°折线，以减小高频信号的发射。

9）不同的电路尽量分别配线，尽量避免出现窄长的平行线，当不得不使用长平行线时，可用零线隔开，与U_cc电源线的间距应大于1mm。

10）对于可能出现较大突变电流的电路，要有单独的接地回路，减小对其他电路的瞬态耦合。

11）各线间应满足3W（W为实际导线的宽度）原则，即关键信号线与其他信号线之间的距离为线宽的3倍，大于或等于2.5mm。

12）旁路电容的连接尽量不用引线，直接连接。

13）对于高速数字电路，为了减小电源阻抗，可以采用电源分布总线。这种分布总线可以在很宽的频带内提供很低的阻抗。

14）敏感信号线要远离输出信号线，输出信号线也要远离强辐射信号线。

15）随便设置的地线没有用。图5-17所示为随便设置的地线，类似的地线无法提供相应的回流通道，在布局中没有作用。

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图5-17 随便设置的地线

如图5-18所示为不合理与合理的电路板布线示意图。

图5-18 不合理与合理的电路板布线示意图

a）不合理 b）合理

下面主要介绍印制导线宽度与间距、电源线与地线的布置及信号线的布置等问题。

1.印制导线的宽度

印制导线的宽度主要取决于以下几个因素：流过导线的电流、印制导线的加工精度、印制导线的抗剥强度、导线高频特性（分布电感大小）和布线密度等。

印制导线具有电阻，通过电流时将产生热量，使导线温度上升，电流越大，温度越高。导线如长期受热后，铜箔会因连接强度降低而剥落；且电流流经印制导线时，也会产生电压降，造成信号的衰耗，因此选用合适的印制导线宽度是很重要的。一般可采用的导线最大电流密度不超过20A/m²。

表5-2所示为铜箔厚度为50μm时，不同宽度的导线最大允许通过的电流与线阻的关系。

表5-2 最大允许通过的电流与线阻

由表5-2可见，导线宽度不同，允许通过的电流也不同，因而不同的电流就要选择不同宽度的印制导线。在设计过程中，一般所选值比表中的参考值大些，以留有余量，通常选用1.5～2mm的宽度，最窄的也不应小于0.5mm；对流过大电流的印制导线可放宽到2～3mm；对于电源线和公共地线，在允许条件下可宽至4～5mm，甚至更宽。导线宽度选在1～2mm，一般完全可以满足一般情况下的要求。对于集成电路信号线，导线宽度可以选在1mm以下甚至是0.25mm。

当选择好印制电路板时，印制导线厚度已经按板材规定的标准铜箔厚度确定了。由于导线阻抗与长度成正比，与宽度厚度成反比，因此为了减小导线公共阻抗带来的干扰，应当使导线短而粗。

2.印制导线的间距

印制导线的间距直接影响电路电气性能，如分布电容、导线互感、绝缘强度和击穿电压等。

如果导线间距过小，则导线间互感增大，分布电容增大，电路稳定性差，特别在高频情况下电路产生的干扰大，因此必须避免间距过小的导线出现。

当印制导线的间距不同时，其工作电压和抗电强度都不同。表5-3列出了正常条件下印制导线间距与允许工作电压及击穿电压三者之间的关系。

表5-3 正常条件下印制导线间距与允许工作电压及击穿电压的关系

当印制导线的间距相同，而工作频率不同，其绝缘强度也是不同的。频率越高，相对绝缘强度越低。表5-4列出了工作频率与击穿电压修正系数的关系。

表5-4 工作频率与击穿电压修正系数的关系

3.电源线与地线的布置

（1）电源线的布置 首先在电源的输入端要正确使用去耦电容，减小进入印制电路板的耦合噪声；其次应减小电源与地线平面结构中的地噪声电压；最后，在布线时，应尽可能将电源线用地线隔离在电路外围，或用地线进行掩埋（包夹），以减小电源回路面积，进而减小干扰。

（2）不相容的地线分别布置 为了防止公共地线阻抗耦合干扰，对不相容的地线，如大电流与小电流、高频与低频、模拟与数字、不同电源电压的地线应分别设置。对于单、双面板而言，常采用轨线作为地线。为了减小其阻抗，应使之尽量加粗，但当干扰频率很高时，地线上的干扰电压仍可能加大，所以要采用分地的方法防止不同地回路间干扰的互相影响。另外对双面板或多层板可采用大面积接地或将一面作为地线层，这时的地线电感量变得很小。在分地的过程中，还应注意的是不相容电路的回路不要有公共部分，同时应当在适当位置连接起来。

（3）采用网状结构的地线 由于差模和共模辐射均与信号环路面积成正比，所以对双面板来说应该先设计出地线网络，这样能有效减小信号环路面积，进而减小差模辐射。地线网络线并不要求很宽，有0.1mm就足够。当然，在板面较为宽裕的地方尽量保留地线网，使其成为零电位平面的掩埋开放区域。一种不合理的放大电路示意图如图5-19所示。测试表明，地线网络（图5-20）能比非地线网络减小10dB左右的干扰强度。

图5-19 一种不合理的放大电路布局示意图

图5-20 地线网络

对于多层板，由于有地线平面，因此其辐射干扰比单层或双层板低20～30dB。

4.信号线的布置

高频与低频、高电压与低电压、大电流与小电流、信号线与电源线等都是不相容的。若将它们的引线靠近甚至平行放置则难免引起相互之间的耦合干扰。为此在布线时应当设法使信号线相互远离，或者尽量垂直放置。两条导线之间的杂散电容在高频时是不容忽视的。为降低杂散电容，可以使用法拉第屏蔽，它是在耦合源与受影响的电路之间的一种间接接地导线，如图5-21所示。采用法拉第屏蔽能使噪声以及耦合电流直接返回到噪声源，而不再通过阻抗Z₀。

实际布线时，在两条平行的信号线之间加上一条地线，如图5-22所示，或用网络地线将信号线包围，如图5-23所示，以及专用的地线层和电源层，都能起到很好的法拉第屏蔽作用。为了降低印制板导线的辐射，设计时还应该满足20H原则（H代表双面板的厚度），且元件面应比接地面缩小20H的宽度，避免因边缘效应引起的辐射。高速电路还应满足2W原则（W为实际导线的宽度），及导线间距不小于2倍信号线宽度，以减小干扰。同时在可能的情况下，应尽量使信号环路面积最小，以减小电磁辐射的发射与接收。

图5-21 不相容信号线的杂散电容及法拉第屏蔽

图5-22 PCB上信号线与地线位置图

图5-23 印制电路板上以网络地线包围信号线