高速PCB設計指南(4)

印刷電路板的可靠性設計

在現代電子設備中，印刷電路板（PCB）依然是主要的裝配方式。即使電路圖設計完全正確，若PCB設計不佳，仍可能影響設備的穩定性與可靠性。例如，兩條相鄰的訊號線距離過近，會導致訊號傳輸時產生延遲或反射噪聲。因此，進行PCB設計時應採取適當的技術措施，以減少這類問題的影響。

1. 地線設計

接地是PCB設計中抑制干擾的重要手段。良好的接地設計能有效控制電磁干擾，增強設備穩定性。接地結構通常包括系統地、機殼地、數位地與類比地等。

• 單點接地與多點接地：在低頻電路（信號頻率小於1MHz）中，接地容易產生干擾，應採用單點接地。然而在高頻電路（信號頻率大於10MHz）中，由於地線阻抗增加，應採用多點接地以降低阻抗。當頻率介於1MHz至10MHz之間時，地線長度不應超過信號波長的1/20，可視情況選擇單點或多點接地。
• 數位與類比電路分離接地：在同一塊PCB上，若有高速邏輯電路與類比線性電路，應確保這兩類電路的接地系統分開，避免相互干擾。類比電路部分的接地面積應盡可能擴大，以減少噪聲的影響。
• 加粗地線：過細的地線會導致電位隨電流變動，從而降低抗噪能力。建議盡量加粗地線，寬度應大於3mm，以應對所需的電流負載。
• 閉迴路接地設計：對於純數位電路，採用閉環接地結構可顯著提高抗干擾能力，減少耗電器件附近的電位差，提升系統穩定性。

2. 電磁相容性設計

電磁相容性（EMC）是指電子設備在各種電磁環境中能正常運作，並不會受到外界干擾或對其他設備產生干擾。設計時應考慮抑制各種電磁干擾的措施。

• 導線寬度選擇：瞬態電流對導線的衝擊干擾主要來自於電感，導線越短且越寬，電感越小。一般分立元件電路導線寬度建議為1.5mm左右，積體電路的導線寬度建議控制在0.2至1.0mm之間。
• 合理的布線策略：採用井字形網格布線可降低電感效應，減少訊號線間的互感與電容效應。應盡量避免長距離平行走線，並增大相鄰線之間的間距；敏感訊號線之間可插入地線來抑制串擾。
• 避免不連續導線：PCB設計中，避免線寬急劇變化與90度直角轉彎，建議訊號線盡量靠近接地線迴路。資料匯流排的布線可每隔兩條訊號線插入一條地線，以減少干擾。

3. 抑制反射干擾

為減少訊號在導線末端的反射干擾，應盡量縮短導線長度。若導線長度超過10cm，則應採用終端匹配技術，即在傳輸線末端增加與地線或電源端匹配的電阻，以消除反射噪聲。

4. 去耦電容配置

在電源迴路中，負載變動往往會引起電源噪聲。去耦電容可有效抑制這些瞬態噪聲電壓。通常在電源輸入端建議加裝10至100μF的電解電容，若空間允許，可選用更大容量的電解電容。對於每個積體電路芯片，建議配置0.01μF的陶瓷電容，若空間有限，可改用1至10μF的鉭電解電容。去耦電容的引腳應盡量縮短，以減少高頻噪聲。

5. PCB尺寸與元件佈局

PCB的尺寸應合理控制。尺寸過大會導致導線過長，增加噪聲干擾與阻抗；過小則可能影響散熱並增加訊號干擾。元件佈局應盡量使相關元件靠近，提升抗干擾能力。且產生噪聲的元件應盡量遠離邏輯電路，必要時可將不同模塊分別設計在不同的PCB上。

6. 散熱設計

進行PCB設計時，應考慮到散熱問題。若採用自然對流散熱，元件應按縱向排列；若為強制風冷，則應按橫向排列。此外，根據元件的發熱量進行分區佈局。發熱量大的元件應靠近氣流的下風，而對溫度敏感的元件則應放置在氣流的上風區域。合理的散熱設計能有效降低設備的故障率。

7. 電磁屏蔽設計

電磁屏蔽是抑制內部與外部電磁干擾的有效手段。設計電磁屏蔽時，應選用適當的材料。對於電場干擾，屏蔽體應良好接地；對於磁場干擾，應選用高導磁材料並增加屏蔽厚度。為屏蔽電磁場，屏蔽體內部應盡可能吸收電磁波並反射表面輻射。材料的導電率與厚度對屏蔽效果影響重大。

Ｑ＆Ａ

1. 問：為什麼地線設計對於PCB設計如此重要？

答：地線設計在PCB設計中扮演抑制干擾的重要角色，能夠有效控制電磁干擾並增強設備的穩定性。良好的地線設計能降低電位變動，防止噪聲對電路造成影響，尤其是在高速電路中，地線設計的好壞直接關係到系統的可靠運作。

2. 問：如何在高速PCB設計中實現電磁相容性？

答：為了實現電磁相容性，應採取多種措施，像是選擇適當的導線寬度、合理的布線策略，以及避免線路的突變和不連續。此外，增加地線、縮短訊號線長度、並插入地線來抑制訊號串擾也是有效的做法，這樣能減少電磁干擾並增強信號完整性。

3. 問：為什麼需要在PCB中使用去耦電容？

答：去耦電容的主要目的是抑制電源線上的瞬態噪聲，這些噪聲來自於負載的變動。通過在電源輸入端及每個積體電路芯片附近配置適當的去耦電容，可以穩定電壓供應並降低高頻噪聲對電路運作的影響。

4. 問：PCB尺寸過大或過小會造成什麼影響？

答：如果PCB尺寸過大，導線的長度會增加，這可能會加大噪聲干擾與阻抗，影響訊號傳輸的穩定性；而如果尺寸過小，則可能導致散熱不佳，影響系統運作。合理控制PCB尺寸並且將相關元件靠近佈局，可以提升抗干擾能力並保持良好的散熱效果。

5. 問：如何針對不同的電磁干擾進行屏蔽設計？

答：電磁屏蔽的設計需要根據干擾的類型選擇適當的材料。對於電場干擾，應確保屏蔽材料具有良好的導電性並做好接地；對於磁場干擾，應選用高導磁材料並適當增加屏蔽厚度。良好的屏蔽設計能有效減少電磁干擾，提升系統的穩定性。