Viktiga principer, överväganden och tekniker för kretskortslayout och routing

Kretskortslayout och routing är en central process inom hårdvarudesign, där komponenter placeras och ledande spår ritas på kretskortet, vilket direkt påverkar kretsens prestanda, tillförlitlighet och EMC. Följande är viktiga principer, överväganden och tekniker för kretskortsdesign, uppdelade i två delar: layout och routing:

I. Layoutprinciper och tekniker

1. Zonplanering

● Zonindelning efter funktionsmoduler: såsom strömförsörjning, analog, digital, RF, etc., för att undvika ömsesidig störning.

● Planering av signalflöde: Layout enligt flödet "input → processing → output" för att minska överhörning.

● Känslig kretsisolering: Håll högfrekventa signaler, klocksignaler, återställningssignaler och andra signaler borta från störkällor.

2. Prioritering av kritiska och funktionella grupper av komponenter

● Komponenter med fast position först: såsom kontakter, brytare, indikatorlampor etc.

● Centrering av kärnkomponenter: såsom mikrokontroller, FPGA:er etc., placering av relaterade kretsar runt dem.

● Värmegenererande komponenter: Tänk på värmeavledning: Reservera utrymme för värmeavledning genom att placera dem nära kanter eller kylflänsar.

3. Layout för strömförsörjning

● Kompakt layout: Placera DC-DC-omvandlare, LDO:er etc. så nära lasten som möjligt för att minska slingans area.

● Placering av filterkondensatorer: Placera stora kondensatorer (t.ex. elektrolytkondensatorer) långt borta och små kondensatorer (t.ex. keramiska kondensatorer) nära chipets strömförsörjningsstift.

4. Layout för avkopplingskondensator 

● Placera dem så nära chipets strömförsörjningsstift som möjligt (på samma lager) och anslut vias direkt till ström-/jordplanet.

● Använd flera små kondensatorer parallellt (t.ex. 0,1 μF + 0,01 μF) för att täcka ett bredare frekvensband.

5. Högfrekventa och klockkretsar

● Placera klockchipet nära målenheten och förkorta spåren.

● Placera kristallen/oscillatorn nära IC:n, förhindra spår under den och använd jordskärmning.

II. Principer och tekniker för routing

1. Spårbredd och ström

● Beräkning av strömledningsbredd: Beräkna bredden på lämpligt sätt baserat på strömmen (t.ex. 1 A/mm bredd) och lämna en marginal.

● Signalledningsbredd: Vanligtvis 4–8 mil; impedansstyrledningar beräknas baserat på uppbyggnaden.

2. Spårvinkel

● Undvik skarpa vinklar (<90°), prioritera 45° vinklar eller rundade spår för att minska abrupta impedansförändringar.

3. Differentiell parrouting

● Använd lika långa, lika långt ifrån varandra liggande, parallella spår, med längdskillnader som vanligtvis hålls inom 5 mil.

● Undvik att korsa delade referensplan för att bibehålla impedanskonsistens.

4. Signalintegritet

● Kritiska signaler (t.ex. klocka, höghastighetsdata) bör vara korta och raka, vilket minimerar vias.

● Spår i angränsande lager bör vara ortogonala för att minska överhörning.

● 3W-regel: Avstånd ≥ 3 gånger spårbredden för att minska kopplingen.

5. Jordplan och returväg

● Bibehåll ett komplett jordplan och undvik att signalledningar korsar delade jordplan.

● Tillhandahåll ett kontinuerligt markreferenslager under höghastighetssignaler för att säkerställa kortast möjliga returväg.

6. Via användning

● Använd flera strömförsörjningsvior parallellt för att minska impedansen.

● Minska antalet vias för höghastighetssignaler (vanligtvis ≤ 2).

● Undvik vias på plattorna (förutom BGA-kablar); via-in-plattor kräver fyllnadsbehandling.

7. Power Tree-routing

● Routning som trädtopologi för att undvika gemensam impedansstörning.

● Enpunktsanslutning för analog/digital jord (vanligtvis med ett 0Ω-motstånd eller en ferritpärla).

III. EMC/EMI-konstruktionsöverväganden

● Skärmning och filtrering: Använd skärmskydd eller jordvias för att isolera RF, klocka etc.

● Behandling av kortkanter: Håll känsliga signaler borta från kortkanterna för att förhindra strålning.

● Jordningsstrategi: Använd ett komplett jordplan för flerskiktskort och segmentera blandade signaljordar korrekt.

IV. Checklista (efter utläggning och fräsning)

● DRC-kontroll: Spårbredd, avstånd, viadiameter etc. uppfyller processkraven.

● Anslutningskontroll: Inga oanslutna nätverk.

● Kraftintegritet: Lågombande kraftbanor, spänningsfall uppfyller kraven.

● Signalintegritet: Kontinuerlig impedans för höghastighetssignaler, inga signifikanta reflektioner eller överhörning.

● Termisk design: Obehindrade värmeavledningsvägar för värmealstrande komponenter.

● DFM: Komponentavståndet uppfyller lödkraven, markeringspunkter, processkanter etc. är kompletta.

V. Avancerade tekniker

● Använd jordvias: Placera jordvias nära signallagerövergångar för att skapa en returväg.

● Blind/Buried Vias och HDI-teknik: Högdensitetskort kan minska antalet lager och förbättra prestandan.

● Simuleringshjälp: Utför SI/PI-simuleringar på kritiska signaler för att optimera routingparametrar.

Sammanfattning: 

Kretskortslayout och routing kräver en balans mellan elektrisk prestanda, tillverkningskostnader och designkomplexitet. I praktiken bör ordningen "layout först, sedan routing; kritiska signaler först, sedan allmänna signaler" följas, och justeringar bör göras flexibelt baserat på de specifika kretsegenskaperna. För höghastighets-, högfrekventa eller högprecisionskretsar rekommenderas det att hänvisa till kretstillverkarens designriktlinjer och utföra simuleringsverifiering.

Om du behöver kretskort och kretskortsbaserade komponenter, är du välkommen att kontakta Benlida! Benlida är en professionell tillverkare av kretskort och kretskortsbaserade komponenter som har tillhandahållit EMS (elektroniktillverkningstjänst) i 14 år. Med avancerad utrustning och ett erfaret ingenjörsteam har Benlida åtagit sig att ge utmärkt service till globala kunder!

Om författaren:

Sonic Yang

Som huvudämne inom elektronik och mekanisk automation har Sonic arbetat med kretskortsdesign, forskning och utveckling samt tillverkning av elektronik i cirka 22 år. Han var teknisk chef och koordinerade med leveranskedjan (komponenter och CNC-delar) och tillhandahöll professionellt stöd och konsultationer till globala kunder.