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【原创深度】一个博士大牛的10条PCB设计感悟(文中有彩蛋)

cathy 发布于:周三, 01/31/2018 - 10:00 ,关键词:

编者注:

PCB设计是每个工程师必备的设计技能之一,是电子产品设计的重要环节,一个产品的原理设计再完美,如果没有好的PCB设计,其功能和可靠性会大打折扣,甚至不能正常工作。唐晓泉博士是某上市公司CAO ,多年来,他养成了独立画PCB板的习惯,以确保产品可靠性设计,在近30年的设计中,他总结了一些经验,从“术”的角度而不是“道”的角度看待PCB设计,这是真正的“授人以渔”,希望大家可以用心体会唐博士的十条总结,我们以第一人称方式分享内容

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有时想想人生还真容易,从矿石,电子管开始,到今天的微信小程序,岁月如烟似云,人生就这么玩过来了。尽管我的职业身份不断变化,但玩心不变,layout,coding成了我的终身爱好,今天借电子创新网PCB交流群聊聊PCB的那些事。

1、轮回已到,风口正当时。MPU i4004的出现,就注定了摆弄元件的电子硬件逐渐走向小众化,以及软件行业的兴起,那还是在上个世纪70年代初。随着PC和手机的平台化,特别是在2010年以后智能手机平台终归IOS和Android二大阵营,全世界就那么几十,最多不超过千人的核心硬件工程师支撑起了全球的PC和手机的硬件设计,而原本与软件不分伯仲的硬件工程师轮陷到鄙视链的最低端,甚至硬件工程师都不好意思说自己是从事IT的。

当资本与技术绑定吞噬掉以PC和手机为代表的人机交互市场后,集中巨额资本开始向以物与物交互为代表的物联网市场进攻,这场战争也有差不多打了10来年了,总的来说败多胜少。究其原因,“碎片化的应用场景”就是最好的答案,而应对“碎片化场景”的最好方法是组识集硬件与软件开发一体的全栈小团队。目前那种软硬件全球分工,动辄数千人,甚至上万的软件工厂即使在技术上能完美解决“碎片化场景”,但在商业模式上是行不通的。历史又将硬件工程师推向风口。

2、硬件决定产品的成败,PCB设计是龙头,是基石。这个问题很显然,但是在软件占主导地位的今天,却被大多数人忽视了。因为现在软件行业的硬件平台都由INTEL,APPLE类似的全球顶尖公司设计,并由富士康类似全球顶尖的公司制造,因此无论是设计质量还是制造质量都是最好的,无需为硬件操心。而对于一个集软硬件开发一体的全栈团队,硬件将是决定团队的成败、产品推出速度、资金流以及利润的必要条件。多年来,我从Smartwork(应该是国内最早的用计算机设计PCB的软件)开始一直到现在,几乎每个月要完成一块从schematic到PCB的layout(估计和许多项目负责人写的文档数量差不多),其目的就用schematic和PCB来描述自己的思想,把自己从那没完没了的讨论中解脱出来,从而有更多的时间享受生活。

3、坚实的理论基础是PCB工程师高效工作,快乐生活的源泉。理论与实际相分离,甚至于用经验代替理论,从专业角度讲,过多的经验这将导致专业的轮落;从人生角度讲,过多的经验会导致一个人的心胸越来越窄;从生活角度讲, 过多的经验会占用人生最宝贵的时间,对职业产生厌倦。

理论是事物本质的抽象,掌握并能灵活应用理论,就能以不变应万变。画了几十年PCB,几乎遍历了中外有关PCB设计的书籍和资料,但令人遗憾的是这些书籍和资料都是以经验规则为主。整那么多碎片化的,规律性很差的经验规则摆在那里,硬是活生生把一项集创造和艺术一体的设计工作搞成死气沉沉的八股。满桌子的元件,满板子的线线,而且还动动就申明:“老子在调电路,莫惹老子哦”这几乎是众多硬件工程师的真实写照。

嗨,画个PCB不就是解决电波的传输,无论是以路为代表的欧姆定律和以场为代表的有限元都是再成熟不过的理论了,为什么非要搞得如此,真是人生一大悲剧。

4、layout的策略由路与场的决定的。什么是路?什么是场?这个在高中大学的相关课程中讲得很清楚了,在这里我就不再重复,但我要更正一下很多教科书的一个不好的说法:路是用来分析低频电路,场是用来分析高频电路。这一说法直接导致读者用错路与场。我认为更适当的说法是:当信号的传输距离和信号的波长相比拟时就应该考虙使用场,否则就用路。什么是相比拟?大约是在2000年吧,我做过这方面的研究,也就是说当信号的传输距离接近信号波长的十分之一时,将开始出现场的现象;传输距离接近信号波长的四分之一时,必需用场来分析。

场在layout上如何应用?就是要避开波的折射、绕射和反射。折射和反射就是PCB的常见的SI问题,而绕射就是PCB上的铜箔太窄,信号过不去,它通常发生在地和电源层中。把折射、绕射和反射的原理记住,再用这些原理去解释一些PCB书籍和资料上规则,并画几次板子,再好悟悟,幸福的日子就在眼前。

5、如果用参考平面的来称地和电源,那么layout会更容易理解应用。信号的传输必需要有电位差,如果没有参考点,就不存在电位差;没有电位差,信号就没有办法传输。如果参考点不稳,信号的流向就不确定,那么麻烦事就大了。什么叫参考平面?参考平面就是容量很大的一个等电位体,当外界向其注入一定的能量时,参考平面上的各点的电位仍然能保持相同。

如果一块PCB上参考平面质量很好,也就是说电源和地的质量很好,那么困扰layout的信号回流,模拟地与数字地,还有接地点就可以淡化。现在低功耗技术的意味着对PCB参考平面的冲击能量很小,而多层PCB能确保参考平面电位的稳定性,这样layout就简单多了。所以现在有些工程师问我,在layout时,不分模拟地和数字地了,也不考虑信号回流了,就几层地,效果有时比认真考虑模拟地和数字地,考虑信号回流还好,就是这个道理。

群中有位同行说,他在layout时,电源,信号都安排完了,最后考虑地,我可以负责地说:这是有问题的。

6、群中有位同行拿了一块5.8G的板子,问如何layout天线。5.8G的1/10波长大约在4mm,4mm比一棵0805电阻还要长点,从图中看IC的天线输出到匹配网络之间的距离不到一棵0603电阻的长度,同时匹配网络到天线IPEX之间的距离也不到一棵0603电阻的长度,我认为尽管信号频率高达5.8G,可以不考虑阻抗匹配问题。该同行也说了这块板子好几个人同时layout,尽管每个人layout都不一样,但测试结果相差甚微。因为IC位置,IPEX的位置是定了的,这样IC到IPEX之间的距离变化不大,当然效果不会相差太大。

同时我认为如果天线与IC的阻抗相匹配,完全不需匹配网络。因为解决问题的最好的方法就是降维,少一个元件就少一个维度,当然作为匹配网络的二端元件也就是通过桥接的方式降维。

7、如何降低板子的二次谐波?首先二次谐波超标可能是相关有源电路出现了非线性,比如放大器的工作点不对、幅度过大等。如果有源电路出了问题,靠简单的滤波器会很麻烦,因为滤波器的带宽越窄,其阶数就越高。滤波器阶数高,零极点分布复杂,系统容易不稳定。

8、关于多层板的问题。我经常遇到一些很牛的PCB工程师,他们张口六层板,闭口八层板,好像layout的水平与PCB的层数成正比。我首先肯定PCB的层数越多,越容易构造构稳定的参考平面,因此电路的性能越好。但是同时也意味着在达到相同的性能下,PCB的层数越多,成本越高,交付期越长,资金流转越慢。所以我个人认为,在完成相同的任务下,PCB工程师的竞争力与PCB的层数成反比。

9、PCB设计工具的选择和体会。目前比较通用的工具主要有Cadence、ALLEGRO和Altium。我认为每种工具能在存在下来,肯定有它特定用户群,因此工具本身不应该分优劣,主要是看您的应用场景。如果您所在的团队不涉及到IC和SIP之类的,还是选择Altium;如果您的团队涉及到IC和SIP之类的,或者与IC团队耦合紧密,那选什么工具您得听IC团队的。

10、在全栈团队中,PCB工程师的职业定位。由于PCB是硬件、软件和制造的联接点,因此一个格的PCB工程师它必需能胜任硬件、软件和制造等工作的协调工作。

作者唐晓泉历

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自1982年进入泸州化工学校化工仪表及其自动化专业学习,爱好就与职业重合了,然后分别在西安矿业学院,西安交通大学,清华大学,微软亚洲研究院完成了漫长的求学经历;期间在成都红旗橡胶厂作仪表维修,在四川工业学院从事教学工作。在学业彻底完成以后,最初在中国科学院作研究工作,然后是创业,团队被兼并,现任苏州万龙电气集团股份公司董事,CAO.

伙伴们看到这认为就完了?精彩的还在后头~

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