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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。153ednc

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。153ednc

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。153ednc

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)。153ednc

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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)153ednc

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。153ednc

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。153ednc

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。153ednc

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。153ednc

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。153ednc

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。153ednc

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。153ednc

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?153ednc

(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。)153ednc

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153ednc

责编:Demi
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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。
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