第12章-PCB布局设计进阶

第十二章：PCB布局设计进阶

12.1 多层板设计

12.1.1 层叠结构

四层板典型叠层：
Layer 1 - F.Cu    : 信号/元器件
Layer 2 - In1.Cu  : 地平面 (GND)
Layer 3 - In2.Cu  : 电源平面 (VCC)
Layer 4 - B.Cu    : 信号/元器件

六层板典型叠层：
Layer 1 - F.Cu    : 信号
Layer 2 - In1.Cu  : 地平面
Layer 3 - In2.Cu  : 信号
Layer 4 - In3.Cu  : 信号
Layer 5 - In4.Cu  : 电源平面
Layer 6 - B.Cu    : 信号

12.1.2 配置多层板

Board Setup → Board Stackup：

1. 设置铜层数量
2. 配置各层属性：
   - 层名称
   - 层类型（信号/电源/混合）
   - 铜厚度
3. 配置绝缘层：
   - 材料类型
   - 厚度
   - 介电常数

12.1.3 层分配策略

信号层分配原则：
- 高速信号相邻参考平面
- 敏感信号与干扰源分层
- 差分对使用同一层

电源层设计：
- 完整的地平面
- 分割电源区域
- 避免大面积开窗

12.2 电源完整性设计

12.2.1 电源分布网络

PDN设计要点：
1. 低阻抗路径
2. 充足的去耦电容
3. 合理的过孔密度
4. 避免形成天线

去耦电容放置：
- 靠近IC电源引脚
- 多容值组合
- 短而宽的连接

12.2.2 电源覆铜设计

覆铜策略：
1. 使用覆铜而非走线
2. 避免细长的铜带
3. 添加足够的过孔
4. 保持参考完整

过孔阵列：
- 电源过孔密集布置
- 减小回路电感
- 改善热传导

12.3 信号完整性设计

12.3.1 传输线设计

微带线（Microstrip）：
- 单层走线
- 参考下方地平面
- 计算阻抗

带状线（Stripline）：
- 内层走线
- 上下均有参考平面
- 更好的屏蔽效果

12.3.2 阻抗控制

阻抗计算参数：
- 走线宽度
- 铜厚度
- 介质厚度
- 介电常数

常见阻抗要求：
- USB: 90Ω差分
- HDMI: 100Ω差分
- DDR: 50Ω单端

12.3.3 等长布线

等长布线应用：
- DDR数据/地址总线
- 并行总线
- 差分对

KiCad等长工具：
1. 选择需要等长的网络
2. 使用蛇形布线
3. 调整至目标长度

12.4 差分对布线

12.4.1 差分对设计

差分对特点：
- 两根线承载互补信号
- 抗共模噪声
- 用于高速信号

设计要点：
- 保持线间距一致
- 等长布线
- 避免stub

12.4.2 差分对布线操作

布线步骤：
1. 定义差分对
   Board Setup → Design Rules → Differential Pairs
   
2. 设置参数
   - 间距
   - 线宽
   - 最大非耦合长度
   
3. 使用差分对布线工具
   Route → Route Differential Pair

12.5 散热设计

12.5.1 热设计考虑

热管理策略：
1. 热焊盘设计
2. 散热过孔阵列
3. 铜皮散热
4. 外部散热器

热焊盘设计：
- 连接到内层或底层铜皮
- 多个散热过孔
- 与地平面连接

12.5.2 散热过孔

散热过孔设计：
- 孔径: 0.3-0.5mm
- 密度: 1-2mm间距
- 填充: 可选树脂填充
- 阵列: 均匀分布

12.6 高级覆铜技术

12.6.1 覆铜优先级

多覆铜区域管理：
- 设置优先级数值
- 高优先级覆盖低优先级
- 用于电源岛设计

12.6.2 隔离区域

使用规则区域（Rule Area）：
- 禁止走线区域
- 禁止覆铜区域
- 禁止过孔区域

应用场景：
- 天线区域隔离
- 机械避让
- EMI敏感区域

12.7 机械集成

12.7.1 安装孔设计

安装孔类型：
- 电镀孔（接地）
- 非电镀孔（绝缘）

设计要点：
- 合适的孔径
- 适当的焊盘/禁区
- 考虑公差

12.7.2 外壳配合

外壳集成考虑：
1. 板子外形与外壳匹配
2. 连接器位置
3. 高度限制
4. 通风散热
5. 装配工艺

12.8 设计复审

12.8.1 复审清单

布局复审：
□ 元器件摆放合理
□ 信号流向清晰
□ 热管理考虑
□ 机械配合

布线复审：
□ 关键信号处理
□ 电源完整性
□ 等长/阻抗控制
□ 过孔使用合理

制造复审：
□ 符合制造规则
□ 丝印清晰
□ 测试点充足
□ 文件完整

12.9 本章小结

本章介绍了PCB布局设计的进阶内容：

1. 多层板设计：掌握了多层板叠层和配置。
2. 电源完整性：了解了PDN设计和去耦策略。
3. 信号完整性：学会了传输线和阻抗控制。
4. 差分对布线：掌握了差分对设计技术。
5. 散热设计：了解了热管理方法。
6. 高级覆铜：学会了复杂覆铜设计。
7. 机械集成：了解了与机械设计的配合。

通过本章学习，读者可以设计更复杂的多层PCB。

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