PCB設計的核心——解決問題、面對挑戰

PCB設計是指通過原理圖和電路布局的設計，以盡可能低的成本生產電路板。過去，這通常需要借助昂貴的專用工具來完成，但現在，隨著designSpark PCB等免費高性能軟件工具和設計模型的日益普及，電路板設計人員的設計速度大大加快。

盡管工程設計人員知道完美的設計方案是避免問題的最好方法，但這仍然是一種既浪費時間又浪費金錢、治標不治本的方法。例如，如果在電磁兼容（EMC）測試階段發現問題，就會造成大量的成本投入，甚至需要對原設計方案進行調整和重新生產，這需要幾個月的時間。

挑戰

布局是設計師首先要面對的問題。這個問題取決于圖中的一些內容，一些設備需要基于邏輯考慮設置在一起。但需要注意的是，溫度敏感元件（例如傳感器）應與發熱元件（包括功率轉換器）分開設置。對于具有多種電源設置的設計，可以將12V和15V電源轉換器設置在電路板的不同位置，因為它們產生的熱量和電子噪聲會影響其他元件和電路板的可靠性和性能。

上述元件也會影響電路設計的電磁性能，這不僅對電路板的性能和能耗很重要，而且對電路板的經濟性也有很大影響。因此，所有在歐洲銷售的電路板設備都必須獲得CE標志，以證明其不會干擾其他系統。不過，這通常只是從電源的角度來看。還有許多設備會發出噪聲，例如 DC-DC 轉換器和高速數據轉換器。由于電路板設計上的缺陷，這些噪聲可以被通道捕獲并作為小天線輻射出去，從而產生噪聲和異常頻率區域。

遠場電磁干擾（EMI）問題可以通過在噪聲點安裝濾波器或使用金屬外殼屏蔽信號來解決。不過，應適當關注電路板上能夠釋放電磁干擾（EMI）的設備，這使得電路板可以選擇更便宜的外殼，從而有效降低整個系統的成本。

在電路板設計過程中，電磁干擾（EMI）確實是一個必須關注的因素。電磁串擾可以與通道耦合，將信號擾亂成噪聲，影響電路板的整體性能。如果耦合噪聲太高，信號可能會被完全覆蓋。因此，必須安裝更昂貴的信號放大器才能恢復正常。但如果在電路板設計之初就能夠充分考慮信號電路布局，則可以避免上述問題。由于電路板的設計會根據不同的設備、不同的使用場所、不同的散熱要求、不同的電磁干擾（EMI）條件而有所不同，因此設計模板就會投入使用。

電容也是電路板設計中不可忽視的重要問題，因為電容會影響信號的傳播速度，增加電力的消耗。溝道會與相鄰的線路耦合或垂直穿過兩個電路層，從而無意中形成電容器。上述問題可以通過減少平行線的長度并在其中一根線上安裝扭結以切斷耦合來相對容易地解決。但也需要工程設計人員充分考慮生產設計原則，確保設計方案易于制造，避免線路彎曲角度過大而產生噪聲輻射。線路之間的距離也可能太近，這會造成線路之間的短路，尤其是線路彎曲處。 隨著時間的推移，金屬“晶須”就會出現。設計規則檢測通常可以識別環路風險高于正常水平的區域。

這個問題在地平面的設計中尤為突出。金屬電路層可以與其上方和下方的所有線形成耦合。金屬層雖然可以有效阻擋噪聲，但也會產生關聯電容，影響線路的運行速度，增加功耗。

就多層電路板的設計而言，不同層電路板之間的通孔設計可能是最具爭議性的問題，因為通孔設計會給電路板的生產制造帶來很多問題。電路板層間的過孔會影響信號的性能，降低電路板設計的可靠性，應予以充分重視。

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