广告

PCB设计之路已走到尽头了吗?

2022-05-10 15:01:40 Bill Schweber 阅读:
对PCB设计提出多项要求——直流电气、信号完整性、EMC、散热、隔离、爬电距离/电气间隙——将会产生一个空集,或者需要对功率水平、电路密度、热密度、EMC性能、尺寸等很多方面做非常大的妥协。

每个系统和电路设计都是在尺寸、重量、功率、可靠性、性能和许多其他参数之间进行权衡取舍。毕竟,工程设计的主要内容就是如此。N6kednc

在某些情况下,如果当时有一个或几个目标具有最关键的权重,那么其他目标就可能会在某种程度上被牺牲,以便达成那些最重要的目标。而在其他情况下,权衡折衷和选择之间的权重与平衡,则是一种更具反映性和反复性的过程:“如果能将传感器的精准度提高15%的话,我们是否应该放弃5%的运行时间?”这就是一种软性判断的问题,这种问题通常很难量化,而回答起来更困难。当然了,有许多设计目标只是一些必须实现的理想目标,而另一些则是设计努力实现,但并不是绝对“必须拥有”的目标。N6kednc

其中,必须具备的是各种监管和标准组织机构(包括政府和行业)所制定的许多电磁兼容性(EMC)、效率和安全指令。与一些彼此妥协让步的性能目标不同之处在于,其中的许多指令是绝对的:除非完全符合这些指令的要求,否则设计就无法取得批准和认证。在此情况下,除了选择符合其中一些指令的特殊方法和策略以外,几乎就没有什么“弹性空间”或权衡范围了。N6kednc

当我完成“Evaluation of EMC Emissions and Ground Techniques on 1- and 2-layer PCBs with Power Converters”十部分系列文章(由In Compliance出版)的最后一部分时,我想到了这个问题(这最后一部分内容也提供了所有前面九部分内容的链接)。在该系列文章中,详细介绍了与EMC可接受设计有关的许多性能和指令等相关问题,以及有点相关的地设计考虑(1)。N6kednc

 N6kednc

N6kednc

1必须同时从散热、配电、EMC域以及其方面查看和评估电路板。(图片来源:Electronic Concepts and Engineering, Inc.; Open Airbus Cockpit; ResearchGate)N6kednc

阅读这一系列文章既令人兴奋,有时也让人沮丧。之所以令人兴奋,主要是因为它展现了三位作者在理论、实践、测量等方面的理解和解释程度。善加利用此一洞见,设计人员应该更能为电源、地和DC/DC开关稳压器设计更好的布局,以满足系统性能的需求并通过认证。至今看来,一切也都很顺利。N6kednc

然而,这篇文章也令人担心:它让我更加意识到对设计的许多期望,并进而延伸到对设计团队的期望。如今有许多最佳实践和经常互相矛盾的指导原则需要遵守,而且有时候做好事也会产生负面效应,因此必须先进行更多权衡取舍。其中一些指令是由物理定律和麦克斯韦方程组所定义的,而其他指令则是由善意的监管合规标准所定义。在许多情况下,我们需要一位合规专家来指导自己了解、遵守并超越各种令人眼花缭乱的标准。N6kednc

以上引用的文章涉及相对简单的单面板和双面板PCB,但现在有许多设计都构建在具有四层、八层或更多层的PCB上。从某些方面来看,提供更多的层可以更容易满足EMC和地的要求,因为这会使地层和其他有利的部分有更高的自由度。但在其他方面,拥有更多的PCB层数会使得设计复杂化,因为这会使信号发射和电流流动的路径、发射源和对发射敏感的拾取点大幅增多。N6kednc

当然了,如今需要更多的电路设计和PCB设计。我们通常使用尺寸适中的PCB来处理数千安培的电流,如此必然会带来电压降和连接阻抗的问题。此外,几乎所有的电源电流都会转化为热量,因此在将所有热量耗散到那个所谓“远离”的神奇、神秘之处方面也会存在散热问题。N6kednc

有些时候,我担心会用尽可执行空间。对PCB设计提出多项要求——直流电气、信号完整性、EMC、散热、隔离、爬电距离/电气间隙——将会产生一个空集,或者需要对功率水平、电路密度、热密度、EMC性能、尺寸等很多方面做非常大的妥协。N6kednc

当然,认为我们已经达到所提供的极限而无法更进一步的想法,这在工程方面并不是什么新鲜事。其实,我们总是能够找到方法,以新的材料、技术、元器件和其他创新来克服此种情况。毕竟,这就是关于摩尔在每个主要节点上的“定律”的故事(其实它只是一个聪明且有先见之明的假设,而并不是定律)。也许工程的必要性有点像爱尔兰作家Samuel Beckett在其于1953年的小说“The Unnamable”中的结尾中所写的那样:“…你必须继续。我无法继续。我会继续。”或者可能是美国工程师兼作家Samuel C. Florman在他名为“The Existential Pleasures of Engineering”的著作中所指的内容。N6kednc

尽管如此,在某些时候还是需要激进的新方法。目前,我没有看到任何这样的突破,也没有看到设计人员停止尝试以更高频率和耗散的方式,将更多元器件和更多功能安装到这些PCB之上。也许在PCB这条道路上有一个三岔路口:一条路通向死胡同,那我们就得停下来;中间的路是朝缓慢、稳定且渐进的方向发展;最后一条路则是某种革命性的途径,例如转而使用低功耗且没有EMC问题的全集成光学器件。N6kednc

您对PCB设计情况有何看法?我们是否正逐渐接近可利用技术实现的极限?未来的道路有没有可能是由一连串小步骤达到稳定的进展?或者,我们还没真正看清楚的一些突破性技术是否可望在未来改变整个情况并实现重大进步,就像从手工放置元器件和手工布线电路逐渐转变到拾放元器件和PCB所实现的一样?N6kednc

(原文刊登于EDN姊妹网站EE Times欧洲版,参考链接:End of the road for PC board design?,由Franklin Zhao编译。)N6kednc

本文为《电子技术设计》2022年5月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里N6kednc

责编:Franklin
本文为电子技术设计原创文章,未经授权禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 你的面包板是什么样子的呢? “面包板”是工程师们随意折腾的标准术语之一,既是名词又可以是动词,过去的电路面包板就是一个木制的砧板,而今天更多的是无焊面包板。
  • 高密度 PCB 的散热问题研究和射频注意事项 PCB版日益精密,而且尺寸也在不断的缩小,所以关于PCB板的走线和过孔都是非常重要的,文提及到能实现这方面的内容学习的书籍,里面涉及到PCB板的走线,电磁学,电感的基础等等..
  • 巧用0Ω电阻设计PCB板 许多硬件初学者看到PCB板上用到0Ω电阻时,往往就会一脸懵圈,他们经常会问:既然这玩意儿里面啥也没有,干嘛还要用它?其实,0Ω电阻的用处可大了,如果用好它,可以极大地方便PCB板的设计和调试。
  • 模拟版图设计——不只是晶体管 原理图不是详细的设计图,而更像是电路的架构草图。版图设计人员的职责是利用他们的培训和经验来解释原理图,进而创建出成功的版图。我们来看看这些额外的结构及其作用。
  • Digi-Key Electronics推出新的Scheme-it功能 新功能包括Ultra Librarian符号集成、定制符号编辑器和数学标记
  • 在电路系统中如何准确测量PCB温度与环境温度? 除了在电路设计中充分考虑温度可靠性还需要兼顾电路系统的温度监测,实时确保温度范围在允许范围内,在出现极端温度情况时有预警机制,环境温度测量和PCB温度测量就是其中两个重要的步骤,如何准确地实现环境温度和PCB板上温度的测量呢?
  • 大四学生自制1200+晶体管阵列芯片,类似英特尔4004 CPU 日前,国外大四学生@Sam Zeloof 制作了他的第二个自制硅集成电路Z2,单个芯片上有 1200 个晶体管,使用的技术与英特尔在 1970 年代制作第一批 CPU 时使用的技术相同。换而言之,他一个人在家完成了在 1970 年代需要整个公司才能完成的工作……
  • 这颗可编程逻辑芯片为何一半时间不能正常工作? 几分钟后,我们就知道只有最新版的 GAL出现了问题。但这似乎又是不可能发生的——这是精心编程的 GAL,在编程器中使用专门准备的测试向量进行了测试,竟然有一半的时间在电路中不能工作?
  • 什么样的PCB才能承受住100 A的电流? 通常的PCB设计电流都不会超过10 A,甚至5 A。尤其是在家用、消费级电子中,通常PCB上持续的工作电流不会超过2 A。但是最近要给公司的产品设计动力走线,持续电流能达到80 A左右,考虑瞬时电流以及为整个系统留下余量,动力走线的持续电流应该能够承受100 A以上。那么问题就来了,怎么样的PCB才能承受住100 A的电流?
  • 瑞萨电子推出用于RZ/G2L、RZ/V2L的完整电源解决方案  新产品可提升系统可靠性,降低整体成本,支持四层PCB板
  • 为什么我的3.3V电源只有1.5V?剩下的1.8V去哪儿了? 上周末,我将电源和电子器件迁移到了机柜中,然而,当我用手轻按电源开关……没有动静!我拿出心爱的万用表,开始四处探测。很快我就发现,在Simblee扩充板的电源和地引脚上探测,Simblee分线板的3.3V电源引脚上只有1.5V电压。这究竟是怎么发生的?剩下的1.8V去哪里了?
  • 接收机出现奇怪的高频,我巧妙找到PCB“故障点” 当我站在那儿看着频谱分析仪显示屏上的异常频率时,工人关掉了屏蔽室的灯——异常频率突然从显示屏上消失了!我重新打开灯,异常频率又出现了......
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了