就像所有的新技术一样,工程师当初花了好一段时间才接受并推广印刷电路板(PCB)。在1960年代,美国老牌电子业者Zeneth总爱标榜他们使用点对点接线(point-to-point wiring),如图1;而现在,几乎所有电子产品都是以PCB打造。

但多年来,PCB似乎在电子工程领域被「降级」,成了只在幕后默默付出的无名英雄,经理们认为PCB布线是微不足道的制造问题,并非设计工程师需要关心的;但随着数字电路变得越来越快,以及RF电路也被放进PCB,电路板在很多设计中变成了限制因素,计算机辅助设计(CAD)工具虽然能帮助工程师设计电路板,但CAD的自动绕线功能通常会带来更多问题。

051ednc20171205 图1 1948年Motorola的VT-71「Golden View」7吋电视机就是采用点对点接线。(图片来源:Wikimedia/Westernelectric555)

我的师父,John Massa老大教过我PCB在设计工作中的中心性(centrality);Massa老大总是会寻找设计、打造电路板的新方法。当我们的同业还在讨论68020芯片的指令快取(instruction-caching)架构时,Massa已经在谈电路板布线程序以及只要一个晚上就能完成的原型制作。

Massa说过:「在我40年的电子设计经验里,电路板总是阻碍每个设计项目的限制因素;」你不应该只是为了应付工作而制作电路图,你有更高等级的责任看着那些电路图转化成能够被打造出来并且销售的某种产品。

现代的PCB不只是时间杀手,也是拥有精确设计要求的关键零组件;电子装置的运作频率以及讯号上升/下降时间变得越来越快,因此PCB已经变得越来越重要。看看以下几个真实发生过的小故事,你会获得一些启示。

一个关于PC主板的故事

在1985年,PC芯片组出现了33MHz的总线;Massa当时接到一家本地PC主板制造商的电话,说他们的新主板不会动了。IC供货商的参考设计是可以运作,但这家公司做了客制化的产品外形;而Massa注意到,他们在零组件之间的绕线,让PCB走线出现很多尖锐的角度。

他还发现有几个关键讯号被放在大型回路,电路板上还有很多通孔;那些小洞是让走线能从电路板正面转到背面。那家公司表示,他们的PCB是找美国科罗拉多州的某个人设计的,费用很便宜而且速度很快,只要一、两天就能完成。Massa很礼貌地告诉他们,其实那种布线是用自动化软件工具做的,因此永远无法让跑33MHz讯号的电路板成功运作。

自动绕线工具很容易出错,早期的PCB软件只能确保讯号到接脚的电流连接,不会考虑高速讯号需要较短走线,该先布置所需通孔,或是因为通孔、线宽变化导致的阻抗不匹配等等问题,最后导致整个PCB设计失败。

一个关于视讯芯片的故事

在1995年,我有个老兄弟是在一家视讯芯片公司工作,遇到了跟前面一样的状况──参考设计没问题,但他们有个台湾的大客户抱怨他们家的芯片无法在新PCB上运作;而该PCB设计也是有类似的布线错误。

那家视讯芯片公司面临两个选择,一个是坦白指出客户的设计有问题请他们重做,二是让他们自己的视讯芯片做个便宜的金属光罩修改,以弥补客户的不良PCB布线;后来他们选了第二种方法,客户当然很开心、觉得自己永远是对的,而且对于那家视讯芯片公司寄给他们能顺利运作之新芯片的客户服务十分满意。

我那位朋友说,这对一家半导体公司来说是明智的策略;IC业者应该是为自家的芯片导入IP,而不是花钱教自己的客户怎么设计。你可以在芯片内做些改变,反过来向客户收钱。

一个关于F-16战斗机的故事

笔者曾参与F-16战斗机的雷达干扰装置设计,了解到有些公司可能也遭遇过的系统性PCB问题;电路板布线被认为是机械工程任务,因此我们的电子工程师把电路图丢出来,让其他部门去做电路板布线工作。

我拿到的电路板上有非常高速的发射耦合逻辑(ECL)振荡器,但该8层电路板原型无法运作;因为有非常充足的电路板层面空间,我很疑惑他们到底是怎么把设计搞砸的。结果发现,机械工程师为了简化位于所有零件下方的铝制散热器设计,是按照形状来安排零组件位置的;那颗ECL芯片位于电路板左上方,电阻被放在中间,晶体振荡器则在右下角,距离ECL芯片整整8吋。

从那时候我们都会确保机械工程师在进行PCB上的零组件布置时,旁边有坐一个电子工程师,而且会在准备制造之前审查整个布局(图2)。

052ednc20171205 图2 F-16战斗机的雷达干扰装置PCB,在所有的零组件下方有一个铝制散热器;千万别让机械工程师为了散热器设计而自作主张布局PCB,以免牺牲电子功能。

一个关于电源供应器的故事

我在1998年为HP担任顾问时,曾在设计中用了一颗凌力尔特(Linear)的SEPIC转换器芯片LT1513IR;我看了产品规格表,还跟与我接洽的Linear应用工程师Jon Dutra说,他们公司规格表里面的布线图有错。好啦…别笑了,我那时候还年轻、有点蠢。

现在已经转到微软(Microsoft)工作的Dutra很有耐心地看了规格表里的应用实例部分,并解释为何他们建议用那样的方式来布署转换器。我有几个好朋友是从Linear退休的,他们都对我保证,很多客户都是该公司组件的忠实爱用者,因为他们的应用工程支持能帮客户把错的设计变成对的;而我用Linear建议的方式布署那颗SEPIC,第一次绕线就成功(如图3)。

053ednc20171205 图3 这是自动测试设备的PCB,因为事先了解过那颗SEPIC转换器(以红框标示),我的设计第一次就成功。

一个关于掌上电脑的故事

我在一家掌上电脑公司工作时,曾犯过一个错误,用SPECCTRA软件工具进行一片12层PCB的自动绕线(图4);我那时觉得SPECCTRA超有智慧(而且很贵),应该可以不需要人为监督或干预,让它自动绕线。

在PCI总线无法运作时,我们做了一个夹具来探测PCI总线上的每一个讯号;它们都在那里,时序也收敛了,但显然收敛得不够、无法与挂在总线上的芯片共同运作。而且那是一个没有连接器的总线,只有长度约4或5吋走线…我再也不信任没有人为监督的自动布线器了,永远都不会!

054ednc20171205 图4 这片掌上电脑的12层电路板原型看起来很厉害,但是因为自动布线器搞砸了PCI总线的时序,根本无法运作。

一个关于消费性DVD播放器的故事

我在某家半导体公司任职时,做的是驱动PC用DVD刻录机内雷射头的芯片;我看了一眼某客户设计的软性电路板原型,就知道他们缺乏高速或散热设计方面的经验,毕竟他们之前做的CD刻录机数据速率比较低,而且用的芯片不会产生太多热度。而我们花了大半年的时间教客户该怎么设计他们的PCB(图5)。

055ednc20171205 图5 DVD刻录机的雷射驱动器软性电路,需要具备PC主板或是其他高速、对温度敏感之设计的专业经验。

你可以寻求帮助!

不要轻忽你的PCB设计,要非常注意组件规格表的建议;半导体厂商的应用工程师能给你很多帮助。但要注意的是,半导体厂商的应用工程师是IC专家,不是系统工程师,因此他们今天可能会告诉你,把模拟与数字接地面分开,再以模拟数字转换器(ADC)芯片来链接;但他们不会告诉你如果板子上有5颗ADC该怎么办。

要进一步了解PCB设计诀窍,有很多训练课程、技术研讨会可以参加,专业的资深工程师会教你如何妥善利用零组件布置与绕线规则,让你的设计避免产生噪声或是对噪声敏感;你也可以透过学习确保你的设计有良好的讯号与电源完整性。

如果你不希望你的产品设计是七零八落或是问题重重,绝对需要去学习所有关于PCB设计与制造的知识,那是你的产品设计基础,就像是房子的地基一样,没有人希望它摇摇晃晃!

(原文发表于Aspencore旗下EDN姐妹媒体,参考链接:The PCB is the most important component of your design;Judith Cheng编译)

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