前言

PCB設(shè)計(jì)是每個(gè)工程師必備的設(shè)計(jì)技能之一，是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，一個(gè)產(chǎn)品的原理設(shè)計(jì)再完美，如果沒(méi)有好的PCB設(shè)計(jì)，其功能和可靠性會(huì)大打折扣，甚至不能正常工作。唐曉泉博士是某上市公司CAO ，多年來(lái)，他養(yǎng)成了獨(dú)立畫(huà)PCB板的習(xí)慣，以確保產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)，在近30年的設(shè)計(jì)中，他總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)，從“術(shù)”的角度而不是“道”的角度看待PCB設(shè)計(jì)，這是真正的“授人以漁”，希望大家可以用心體會(huì)唐博士的十條總結(jié)，我們以第一人稱方式分享內(nèi)容。

有時(shí)想想人生還真容易，從礦石，電子管開(kāi)始，到今天的微信小程序，歲月如煙似云，人生就這么玩過(guò)來(lái)了。盡管我的職業(yè)身份不斷變化，但玩心不變，layout,coding成了我的終身愛(ài)好，今天借電子創(chuàng)新網(wǎng)PCB交流群聊聊PCB的那些事。

1輪回已到，風(fēng)口正當(dāng)時(shí)。

MPU i4004的出現(xiàn)，就注定了擺弄元件的電子硬件逐漸走向小眾化，以及軟件行業(yè)的興起，那還是在上個(gè)世紀(jì)70年代初。隨著PC和手機(jī)的平臺(tái)化，特別是在2010年以后智能手機(jī)平臺(tái)終歸IOS和Android二大陣營(yíng)，全世界就那么幾十，最多不超過(guò)千人的核心硬件工程師支撐起了全球的PC和手機(jī)的硬件設(shè)計(jì)，而原本與軟件不分伯仲的硬件工程師輪陷到鄙視鏈的最低端，甚至硬件工程師都不好意思說(shuō)自己是從事IT的。

當(dāng)資本與技術(shù)綁定吞噬掉以PC和手機(jī)為代表的人機(jī)交互市場(chǎng)后，集中巨額資本開(kāi)始向以物與物交互為代表的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)進(jìn)攻，這場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)也有差不多打了10來(lái)年了,總的來(lái)說(shuō)敗多勝少。究其原因,“碎片化的應(yīng)用場(chǎng)景”就是最好的答案，而應(yīng)對(duì)“碎片化場(chǎng)景”的最好方法是組識(shí)集硬件與軟件開(kāi)發(fā)一體的全棧小團(tuán)隊(duì)。目前那種軟硬件全球分工,動(dòng)輒數(shù)千人，甚至上萬(wàn)的軟件工廠即使在技術(shù)上能完美解決“碎片化場(chǎng)景”，但在商業(yè)模式上是行不通的。歷史又將硬件工程師推向風(fēng)口。

2硬件決定產(chǎn)品的成敗,PCB設(shè)計(jì)是龍頭，是基石。
這個(gè)問(wèn)題很顯然，但是在軟件占主導(dǎo)地位的今天，卻被大多數(shù)人忽視了。因?yàn)楝F(xiàn)在軟件行業(yè)的硬件平臺(tái)都由INTEL,APPLE類似的全球頂尖公司設(shè)計(jì)，并由富士康類似全球頂尖的公司制造，因此無(wú)論是設(shè)計(jì)質(zhì)量還是制造質(zhì)量都是最好的，無(wú)需為硬件操心。而對(duì)于一個(gè)集軟硬件開(kāi)發(fā)一體的全棧團(tuán)隊(duì)，硬件將是決定團(tuán)隊(duì)的成敗、產(chǎn)品推出速度、資金流以及利潤(rùn)的必要條件。多年來(lái)，我從Smartwork(應(yīng)該是國(guó)內(nèi)最早的用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)PCB的軟件)開(kāi)始一直到現(xiàn)在，幾乎每個(gè)月要完成一塊從schematic到PCB的layout（估計(jì)和許多項(xiàng)目負(fù)責(zé)人寫(xiě)的文檔數(shù)量差不多），其目的就用schematic和PCB來(lái)描述自己的思想，把自己從那沒(méi)完沒(méi)了的討論中解脫出來(lái)，從而有更多的時(shí)間享受生活。

3堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)是PCB工程師高效工作,快樂(lè)生活的源泉。
理論與實(shí)際相分離,甚至于用經(jīng)驗(yàn)代替理論,從專業(yè)角度講，過(guò)多的經(jīng)驗(yàn)這將導(dǎo)致專業(yè)的輪落；從人生角度講，過(guò)多的經(jīng)驗(yàn)會(huì)導(dǎo)致一個(gè)人的心胸越來(lái)越窄；從生活角度講, 過(guò)多的經(jīng)驗(yàn)會(huì)占用人生最寶貴的時(shí)間,對(duì)職業(yè)產(chǎn)生厭倦。

理論是事物本質(zhì)的抽象，掌握并能靈活應(yīng)用理論，就能以不變應(yīng)萬(wàn)變。畫(huà)了幾十年P(guān)CB，幾乎遍歷了中外有關(guān)PCB設(shè)計(jì)的書(shū)籍和資料，但令人遺憾的是這些書(shū)籍和資料都是以經(jīng)驗(yàn)規(guī)則為主。整那么多碎片化的，規(guī)律性很差的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則擺在那里，硬是活生生把一項(xiàng)集創(chuàng)造和藝術(shù)一體的設(shè)計(jì)工作搞成死氣沉沉的八股。滿桌子的元件，滿板子的線線，而且還動(dòng)動(dòng)就申明：“老子在調(diào)電路，莫惹老子哦”這幾乎是眾多硬件工程師的真實(shí)寫(xiě)照。

畫(huà)個(gè)PCB不就是解決電波的傳輸，無(wú)論是以路為代表的歐姆定律和以場(chǎng)為代表的有限元都是再成熟不過(guò)的理論了，為什么非要搞得如此，真是人生一大悲劇。

4layout的策略由路與場(chǎng)的決定的。
什么是路?什么是場(chǎng)？這個(gè)在高中大學(xué)的相關(guān)課程中講得很清楚了，在這里我就不再重復(fù)，但我要更正一下很多教科書(shū)的一個(gè)不好的說(shuō)法:路是用來(lái)分析低頻電路，場(chǎng)是用來(lái)分析高頻電路。這一說(shuō)法直接導(dǎo)致讀者用錯(cuò)路與場(chǎng)。我認(rèn)為更適當(dāng)?shù)恼f(shuō)法是：當(dāng)信號(hào)的傳輸距離和信號(hào)的波長(zhǎng)相比擬時(shí)就應(yīng)該考虙使用場(chǎng)，否則就用路。什么是相比擬？大約是在2000年吧，我做過(guò)這方面的研究，也就是說(shuō)當(dāng)信號(hào)的傳輸距離接近信號(hào)波長(zhǎng)的十分之一時(shí)，將開(kāi)始出現(xiàn)場(chǎng)的現(xiàn)象；傳輸距離接近信號(hào)波長(zhǎng)的四分之一時(shí)，必需用場(chǎng)來(lái)分析。

場(chǎng)在layout上如何應(yīng)用？就是要避開(kāi)波的折射、繞射和反射。折射和反射就是PCB的常見(jiàn)的SI問(wèn)題,而繞射就是PCB上的銅箔太窄，信號(hào)過(guò)不去，它通常發(fā)生在地和電源層中。把折射、繞射和反射的原理記住,再用這些原理去解釋一些PCB書(shū)籍和資料上規(guī)則，并畫(huà)幾次板子，再好悟悟，幸福的日子就在眼前。

5如果用參考平面的來(lái)稱地和電源，那么layout會(huì)更容易理解應(yīng)用。
信號(hào)的傳輸必需要有電位差,如果沒(méi)有參考點(diǎn)，就不存在電位差；沒(méi)有電位差,信號(hào)就沒(méi)有辦法傳輸。如果參考點(diǎn)不穩(wěn)，信號(hào)的流向就不確定，那么麻煩事就大了。什么叫參考平面?參考平面就是容量很大的一個(gè)等電位體，當(dāng)外界向其注入一定的能量時(shí)，參考平面上的各點(diǎn)的電位仍然能保持相同。

如果一塊PCB上參考平面質(zhì)量很好，也就是說(shuō)電源和地的質(zhì)量很好，那么困擾layout的信號(hào)回流，模擬地與數(shù)字地,還有接地點(diǎn)就可以淡化。現(xiàn)在低功耗技術(shù)的意味著對(duì)PCB參考平面的沖擊能量很小，而多層PCB能確保參考平面電位的穩(wěn)定性，這樣layout就簡(jiǎn)單多了。所以現(xiàn)在有些工程師問(wèn)我,在layout時(shí),不分模擬地和數(shù)字地了,也不考慮信號(hào)回流了，就幾層地,效果有時(shí)比認(rèn)真考慮模擬地和數(shù)字地,考慮信號(hào)回流還好，就是這個(gè)道理。

群中有位同行說(shuō),他在layout時(shí)，電源，信號(hào)都安排完了,最后考慮地,我可以負(fù)責(zé)地說(shuō)：這是有問(wèn)題的。

6拿了一塊5.8Ｇ的板子，問(wèn)如何layout天線。
5.8Ｇ的1/10波長(zhǎng)大約在4mm,4mm比一棵0805電阻還要長(zhǎng)點(diǎn)，從圖中看IC的天線輸出到匹配網(wǎng)絡(luò)之間的距離不到一棵0603電阻的長(zhǎng)度,同時(shí)匹配網(wǎng)絡(luò)到天線IPEX之間的距離也不到一棵0603電阻的長(zhǎng)度，我認(rèn)為盡管信號(hào)頻率高達(dá)5.8Ｇ，可以不考慮阻抗匹配問(wèn)題。該同行也說(shuō)了這塊板子好幾個(gè)人同時(shí)layout，盡管每個(gè)人layout都不一樣，但測(cè)試結(jié)果相差甚微。因?yàn)镮C位置,IPEX的位置是定了的,這樣IC到IPEX之間的距離變化不大，當(dāng)然效果不會(huì)相差太大。

同時(shí)我認(rèn)為如果天線與IC的阻抗相匹配，完全不需匹配網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)榻鉀Q問(wèn)題的最好的方法就是降維，少一個(gè)元件就少一個(gè)維度,當(dāng)然作為匹配網(wǎng)絡(luò)的二端元件也就是通過(guò)橋接的方式降維。

7如何降低板子的二次諧波？
首先二次諧波超標(biāo)可能是相關(guān)有源電路出現(xiàn)了非線性，比如放大器的工作點(diǎn)不對(duì)、幅度過(guò)大等。如果有源電路出了問(wèn)題，靠簡(jiǎn)單的濾波器會(huì)很麻煩，因?yàn)闉V波器的帶寬越窄，其階數(shù)就越高。濾波器階數(shù)高，零極點(diǎn)分布復(fù)雜，系統(tǒng)容易不穩(wěn)定。

8關(guān)于多層板的問(wèn)題。
我經(jīng)常遇到一些很牛的PCB工程師，他們張口六層板，閉口八層板，好像layout的水平與PCB的層數(shù)成正比。我首先肯定PCB的層數(shù)越多,越容易構(gòu)造構(gòu)穩(wěn)定的參考平面，因此電路的性能越好。但是同時(shí)也意味著在達(dá)到相同的性能下，PCB的層數(shù)越多，成本越高，交付期越長(zhǎng)，資金流轉(zhuǎn)越慢。所以我個(gè)人認(rèn)為，在完成相同的任務(wù)下，PCB工程師的競(jìng)爭(zhēng)力與PCB的層數(shù)成反比。

9PCB設(shè)計(jì)工具的選擇和體會(huì)。
目前比較通用的工具主要有Cadence、ALLEGRO和Altium。我認(rèn)為每種工具能在存在下來(lái)，肯定有它特定用戶群，因此工具本身不應(yīng)該分優(yōu)劣，主要是看您的應(yīng)用場(chǎng)景。如果您所在的團(tuán)隊(duì)不涉及到IC和SIP之類的，還是選擇Altium；如果您的團(tuán)隊(duì)涉及到IC和SIP之類的，或者與IC團(tuán)隊(duì)耦合緊密，那選什么工具您得聽(tīng)I(yíng)C團(tuán)隊(duì)的。

10在全棧團(tuán)隊(duì)中，PCB工程師的職業(yè)定位。
由于PCB是硬件、軟件和制造的聯(lián)接點(diǎn)，因此一個(gè)格的PCB工程師它必需能勝任硬件、軟件和制造等工作的協(xié)調(diào)工作。