避免“法拉利问题”，简化PCB设计

科技 2024-02-07 13:00 上海

上次我与DirectPCB联合创始人Greg Papandrew交谈时，他提到，产品真正需要的是福特Pinto（紧凑实用车型），而许多PCB的设计却像法拉利。那些从事PCB设计教育的人，无论是在企业培训还是在研讨会现场，都倾向于教授新设计师如何构建法拉利。我们所欠缺的是教授新设计师如何鉴别Pinto是否能够让设计师安全到达目的地。

所以，如果需要把法拉利改装成更简单的版本，如何在不失去外形和功能的情况下实现这一目标？更重要的是，如何才能完全避免“法拉利问题”？

关键词“更简单”可能意味着很多要点，设计师在这方面的工作是确定在设计中创造最大价值的“要点”。可能是电气性能、机械可靠性、支持特定元器件类型（例如，细间距BGA）的要求，或者完全是其他方面。

1.确定成本驱动因素

任何可以被合理地称为“更高阶”的PCB都更复杂，因此往往成本更高。存在几个可以决定PCB是否更高阶的因素，下面按重要性的大致顺序列出了这些因素：

· 层压板材料类型（PTFE、高阶FR-4等）

· 蚀刻和钻孔特征尺寸及加工

· 层厚度和层数，尤其是HDI积成层数

· 高I/O数的BGA/QFN

· 高成本的表面涂层

· 特定要求，如厚铜

此时，关键是确定按照基本规范完成功能所需的绝对必需品。有些设计选择是出于习惯，必须根据现实的运行要求进行检查。切记以下几个简单问题：

· 设计中真的需要PTFE层压板吗？还是因为在某个地方读到所有RF都需要PTFE而使用它？

· 真的需要到处都有盲孔和埋孔吗？或者放置和布线是否可以应对更大的机械钻通孔？

· 对于受控阻抗需要低于5mil的走线宽度是否存在SI或密度原因？

· 是否每个桩都需要背钻？

并不是每块PCB都需要有盲、埋堆叠通孔用3mil线宽、线距的厚铜PTFE。专注于重要的点，节约精力和成本。简单的步骤，如更改堆叠、工艺限制和材料选择，可以在样品生产和批量生产中节省大量成本。

2. PCB只需具备轻微的复杂度

这点可能看起来与第一点相矛盾，但我不这么认为。复杂度是关于投入和回报：在一个方面增加了一点复杂度，但在另一个方面会使工作变得更轻松。想想细间距元器件上的盲孔和埋孔：即使传统观点要求使用堆叠微通孔进行精细走线布线，因为设计看起来可能是HDI，但可能用常规布线及6mil的机械钻孔就可很好地完成设计。

作为一名讲师，我注意到一些新设计师倾向于认为任何超过两层的PCB都是糟糕的设计，或者突然增加两层内部接地层会导致实际成本远远大于PCB制造预算成本。他们最终花了大量时间在完美的布局上，以最大限度地减少重影线交叉，然后投入更多的时间尝试以最小的耦合或重叠来布线。

事实上，4层板已经不再是高阶PCB了。有两层内部缝合接地层的板实际上是入门级的PCB，我当然不会称这些堆叠为“复杂”。它们还使顶部和底部表面的布线更加容易，因为不再需要担心层间耦合。同时，还具有EMI和SI益处，可以仅仅通过使用适当的堆叠来抑制或防止许多最基本的SI和EMI问题。因此，如果你是一名新设计师，可以允许添加几个接地面，后续将会收到好的EMC测试结果。

3.过度指定和过度约束

过度约束设计可能会让设计师陷入困境，以至于他们会在设计规则中过度指定每个网。考虑到必要性，需要设计些有价值的EMI 特征，这些特征必须要手工处理。

我看到的与第2点有关的是混合信号设计。我看到设计师为自己创建更多工作的重要案例之一是在这个领域，最常见的设计错误是创建分裂的接地或分裂的平面，然后试图用铁氧体、电容器或其他一些导致EMI的要素将它们连接在一起。即使适当施加了隔离，也会创建新的布线和放置约束条件，而在某些CAD系统中并不能总是明确定义这些约束条件。

此时，另一个常见实例是信号通孔附近的缝合通孔。的确，在更改层或参考时需要缝合通孔，但真的需要费力地将其手动添加到每个信导通孔中吗？找到真正需要它的主要单端信号，例如SPI总线。结构走线上的噪声裕度通常足够大，因此不需要在这些线上添加缝合通孔。思考规则的具体应用条件，不要盲目地遵循它。

保持简单，减少烦恼

提高设计技能的诀窍不是了解高阶设计方法，而是知道何时使用它们。我遇到过一些比我大几十岁的设计师，但他们仍然是这类错误的受害者。我们这些教育设计师的人必须为此承担责任。我们的工作是介绍这些规则的具体应用条件，这样同行就可以避免“法拉利问题”。

当你发现确实需要采用设计方法时，学会利用工具来解决这些工程问题。高端CAD程序具有创建更高阶设计约束条件所需的自动化工具。投入时间学习这些方法，就会为成功做好准备。

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