初學者應避免的 5 個常見 PCB 設計錯誤
1 分鐘
- 1. 規劃不良與元件擺放不當
- 2. 忽略電源分配與去耦
- 3. 訊號完整性差:阻抗、回流路徑與串擾
- 4. 熱與功耗散逸疏忽
- 5. 未考量可製造性設計
- 結論:
然而,在科技與科學領域中,有許多藝術的空間;我們在設計時實際上是在創作藝術,這是真的!一種需要大量數學與物理現象的藝術。今天,我們將討論一種類似的藝術,也就是 PCB 設計。每位電子工程師最終都希望將電路實現在 PCB 上來解決特定問題。因為它在電子領域非常普遍,JLCPCB 團隊開始了這些教育部落格。今天,在本指南中,我們將探討一些在PCB 設計中新手常見且應避免的設計錯誤,並深入了解背後的科學原理。
1. 規劃不良與元件擺放不當
如今,由於裝置的高度整合,我們使用包含數位與類比部分的混合訊號系統。類比部分速度較慢但易受雜訊影響;另一方面,數位部分以高頻運作,成為雜訊的主要來源。因此,在設計此類混合訊號電路時,我們應遵循設計規則。將數位與類比部分至少分開 20H,其中 H 為兩層 L1 與 L2 之間的距離。分開擺放可降低雜訊,並避免其他層的走線交叉。不良的擺放會增加走線長度(更高的損耗與 EMI)並惡化散熱,也使電源佈線變複雜,並經常在佈線時被迫使用許多過孔與跨接。
如何避免:
- 將功能區塊(電源、類比、數位、RF)分組並朝向,使相關接腳之間的連線最短。
- 對混合訊號使用 20H 法則。
- 預留測試點、燒錄接頭與極性標記空間。
2. 忽略電源分配與去耦
電源完整性是多層 PCB 中最重要的因素。如果電源供應出現錯誤或雜訊,產品的品質與性能可能受損。電源供應失敗的兩個主要原因可能是去耦電容的擺放與分配。電源分配問題通常是由於走線寬度不當;細的 VIN/VOUT 走線會發熱並在負載下產生電壓降。通常,在電源供應中使用不同值的去耦電容來消除高頻與低頻雜訊。以下是改善 PCB 電源完整性的建議步驟。
如何避免:
- 對大電流網路使用寬走線或專用電源層。在四層板中,可將內層一層專用於接地,另一層用於電源。
- 在每個電源接腳旁放置至少一顆 0.1 μF 陶瓷去耦電容。在調節器附近增加 1 μF–10 μF 的 bulk 電容。盡可能縮短走線(毫米級,而非公分級)。
- 使用鐵氧體磁珠或 LC 濾波器隔離雜訊區域(例如從切換式調節器到類比電路)。
3. 訊號完整性差:阻抗、回流路徑與串擾
初學者將高速訊號像其他走線一樣在任意層隨意佈線,突然的層切換與長殘段。他們也會分割平面而不處理回流路徑。我們逐一說明。如果兩條線的阻抗不匹配,訊號會在不連續端反射,產生阻抗不匹配。這通常發生於過孔、走線中斷與訊號路徑中的元件擺放。串擾是由訊號磁場與其他走線磁場重疊所致。回流路徑則是將訊號接地並完成從產生到匯流排的路徑所需。這些都是決定 PCB 訊號完整性的因素。
以下為避免準則:
- 預先規劃疊構。一般設計可使用四層疊構(頂層訊號 / GND / PWR / 底層訊號),使每條高速走線都有靠近的參考平面。
- 對高速走線使用受控阻抗(單端 50 Ω,差分約 100 Ω),並將差分對以固定間距一起佈線。
- 避免在訊號下方分割接地平面;訊號的回流應連續且直接在走線下方。若必須分割平面,則佈線時應避免迫使回流電流越過間隙。
- 對 RF/高速走線使用 45° 彎角與柔和曲線,而非 90° 轉角。
4. 熱與功耗散逸疏忽
初學者依賴銅箔或小型銅墊,而沒有熱過孔或適當散熱片。因此 IC 運作更熱,可能降額或失效。
如何避免:
- 找出熱源(功率 MOSFET、線性調節器、處理器)。在電源 IC 或 BGA 下方提供足夠的銅面積與熱過孔,將熱量傳導至內層平面。
- 在需要處使用熱釋放,但避免將散熱墊完全與平面隔離。對 BGA,在焊墊下方放置熱過孔陣列,並確保若製程需要則將其塞孔或覆蓋。
- 若散熱超出銅平面可處理範圍,則增加散熱墊與散熱片安裝。快速估算熱量(功率 × 熱阻)以檢查溫度。
5. 未考量可製造性設計
乾淨的電路圖與完成的 GERBER 並不保證 PCB 可製造。常見問題可能是錯誤的封裝與絲印覆蓋焊盤。有時我們還需檢查缺少基準點與波峰/手焊間隙不足。PCB 工廠可能拒收檔案,重工耗時費錢,組裝失敗,除錯痛苦。
如何避免:
- 使用來自供應商或函式庫的驗證過封裝,並始終檢查資料表是否與元件參數匹配。
- 增加基準點、錫膏開口,並保持元件間距與貼片機相容。
- BOM(物料清單)應與擺放檔案一同提供。
結論:
至此,初學者指南已結束,我們學到了很多該做與不該做的事。我樂於根據回應繼續分享。更多 PCB 與電路圖相關文章,請參見 JLCPCB 部落格。PCB 上的每一條走線都應經過計算,例如電源走線以提升電流承載能力,訊號走線以減少反射。本指南將幫助你更深入理解 PCB 電路設計的諸多因素。
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