Haben Sie sich beim PCB-Layout immer von Signalstörungen, schlechter Wärmeableitung und unordentlicher Verlegung entmutigen lassen? Solange Sie die Kerntechniken beherrschen, können Sie tatsächlich alle Arten von Layout-Herausforderungen problemlos meistern! Heute haben wir 9 superpraktische Hybrid-PCB-Layout-Methoden zusammengestellt, von der Komponentenplatzierung bis zur Abschirmung der unteren Schicht, alle mit praktischen Informationen und ohne unnötigen Schnickschnack, damit Anfänger schnell loslegen können!

I. Komponentenplatzierung: Befolgen Sie die „Regeln“, um Komponenten richtig zu platzieren und Umwege zu vermeiden

Eine falsche Platzierung der Komponenten führt dazu, dass alle nachfolgenden Routing-Vorgänge unbrauchbar werden! Bei der Anordnung der Komponenten sollten Sie nicht nur den Signalpfaden im Schaltplan folgen und genügend Platz für Leiterbahnen lassen, sondern Sie müssen auch diese 5 Grundsätze beachten:

• Netzteile sollten kompakt geclustert und mit Entkopplungsdesigns ausgestattet sein, um eine stabile Stromversorgung zu gewährleisten.
• Entkopplungskondensatoren sollten in der Nähe von Komponenten platziert werden, um Stromschleifen zu verkürzen und Rauschen zu reduzieren.
• Die Anschlüsse sollten direkt an der Platinenkante platziert werden, um den Anschluss externer Geräte zu erleichtern, ohne den Kernbereich zu beanspruchen.
• Hochfrequenzkomponenten sollten streng nach dem schematischen Ablauf platziert werden, um Signalverfälschungen zu vermeiden;
• Prozessoren, Taktgeneratoren, große Speichergeräte und andere „Kernkomponenten“ sollten in der Mitte der Platine platziert werden, um eine einfache Verbindung zu umgebenden Schaltkreisen zu ermöglichen.

II. Analoge + digitale Module: Separates Layout, keine Interferenzen
Analoge und digitale Signale stehen oft im Widerspruch; Durch die gemeinsame Nutzung von Bereichen kann es leicht zu gegenseitigen Beeinträchtigungen und damit zu einer schlechten Leitungsleistung kommen! Der richtige Ansatz besteht darin, beides vollständig zu trennen. Die wichtigsten Punkte finden Sie hier:

• Platzieren Sie Präzisionskomponenten (z. B. Verstärker und Referenzspannungsquellen) auf der analogen Ebene und reservieren Sie die digitale Ebene für Logiksteuerung, Zeitblöcke und andere „Komponenten mit hohem Rauschen“.
• ADCs (Analog-zu-Digital-Wandler) und DACs (Digital-zu-Analog-Wandler) verarbeiten gemischte Signale, daher ist es zuverlässiger, sie als analoge Komponenten zu behandeln;
• Hochstrom-ADC/DAC-Designs müssen über separate analoge und digitale Stromversorgungen verfügen (DVDD an den digitalen Abschnitt angeschlossen, AVCC an den analogen Abschnitt angeschlossen);
• Mikroprozessoren und Mikrocontroller erzeugen erhebliche Wärme. Wenn Sie sie daher in der Mitte der Leiterplatte und in der Nähe der angeschlossenen Schaltkreisblöcke platzieren, wird die Wärme effizienter abgeführt.

III. Routenplanung: Nehmen Sie den kürzesten und geradesten Weg und vermeiden Sie diese Fallstricke

Nachdem die Komponenten vorhanden sind, geht es beim Routing um den „Aufbau von Signalkanälen“. Beachten Sie diese 8 Prinzipien für eine reibungslosere Signalübertragung:

• Je kürzer und gerader der Signalweg, desto besser, wodurch Verzögerungen und Interferenzen reduziert werden.
• Eine Masseebene muss neben Hochgeschwindigkeitssignalschichten platziert werden, um eine normale Signalrückführung zu gewährleisten;
• Hochgeschwindigkeitsschaltungen müssen streng nach dem schematischen Signalpfad verlegt werden und können nicht beliebig verändert werden;
• Verwenden Sie kurze, gerade und breite Stromversorgungsleiterbahnen, um die Induktivität zu reduzieren.
• Vermeiden Sie es, Leiterbahnen und Durchkontaktierungen in „Antennenformen“ umzuwandeln, um zusätzliche Störungen zu vermeiden.
• Halten Sie digitale und analoge Leiterbahnen isoliert, ohne sich zu kreuzen oder zu überlappen;
• Achten Sie besonders auf Erdungsspuren, die digitale und analoge Zonen verbinden.
• Vermeiden Sie während des gesamten Prozesses unnötige Umwege und Durchkontaktierungen, wodurch der Pfad vereinfacht und gleichzeitig Signalverluste reduziert werden.

IV. Stromversorgungsmodul: Proximity-Stromversorgung + Isolationsdesign – Stabilität ist der Schlüssel

Das Netzteil ist das „Herz“ der Schaltung; Eine falsche Anordnung kann leicht zu einem Gesamtausfall führen. Es gibt zwei wichtige Punkte:

• Das Netzteilmodul muss sich in der Nähe der Netzteilkomponenten befinden und gleichzeitig von anderen Schaltkreisen isoliert sein, um die Ausbreitung von Rauschen zu verhindern.
• Verwenden Sie bei komplexen Geräten mit mehreren Stromversorgungspins dedizierte Stromversorgungsmodule sowohl für den analogen als auch für den digitalen Bereich, um digitale Rauschinterferenzen mit analogen Signalen vollständig zu eliminieren;
• Stromleitungen sollten dem Prinzip „kurz, gerade, breit“ folgen, um Induktivität und Strombegrenzungen zu reduzieren, was zu einer stabileren Stromversorgung führt.

V. Entkopplungsdesign: Schaffung einer rauscharmen Umgebung zur Maximierung der Geräteleistung

Der Kern der Entkopplung ist das „Filtern von Netzteilrauschen“. Das Power Supply Rejection Ratio (PSRR) bestimmt direkt die Geräteleistung. Diese 5 praktischen Methoden sind unerlässlich:

• **Kombination von Kondensatoren: Keramikkondensatoren mit niedriger Induktivität filtern hochfrequentes Rauschen, Elektrolytkondensatoren fungieren als „Ladungsreservoirs“ zum Filtern von niederfrequentem Rauschen und Ferritperlen können zur Verbesserung der Isolierung ausgewählt werden;
• **Platzieren Sie Entkopplungskondensatoren in der Nähe der Stromversorgungsstifte des Geräts und verbinden Sie sie mithilfe kurzer Leiterbahnen oder Durchkontaktierungen mit einer Erdungsebene mit niedriger Impedanz, um die Serieninduktivität zu reduzieren.
• **Platzieren Sie kleine Kondensatoren (0,01 μF–0,1 μF) neben den Stromversorgungspins, um eine Geräteinstabilität zu verhindern, wenn mehrere Ausgänge gleichzeitig schalten.
• **Halten Sie Elektrolytkondensatoren (10 μF–100 μF) nicht weiter als 2,5 cm von den Stromversorgungsstiften entfernt. Ein zu großer Abstand beeinträchtigt die Filterleistung.
• **Entkopplungskondensatoren können T-förmig neben dem GND-Pin des Geräts mit der Masseebene verbunden werden, was den Vorgang ohne zusätzliche Verkabelung vereinfacht.

VI. PCB-Schichtung: Planen Sie Schichten im Voraus und optimieren Sie Rückwege

Bestimmen Sie vor dem Routing das Layering-Schema, da es sonst Auswirkungen auf den Signalrückweg hat. Unterschiedliche Schichtzahlen erfordern unterschiedliche Designüberlegungen:

• Hochleistungs-Datenerfassungssysteme sollten 4-lagige oder höhere Leiterplatten priorisieren; Doppelschichtplatinen eignen sich für einfache Schaltungen.
• Typisches 4-Lagen-Platinenlayout: Obere Lage (digitale/analoge Signale), zweite Lage (Erdungslage, reduziert den IR-Spannungsabfall und schützt Signale), dritte Lage (Stromversorgungslage), untere Lage (Hilfssignale);
• Leistungs- und Erdungsschichten müssen eng benachbart sein und die Zwischenschichtkapazität nutzen, um eine Hochfrequenzentkopplung zu erreichen;
• Mehrschichtplatinen können Blind Vias und Buried Vias verwenden, um Schichten zu verbinden, wodurch der Leiterbahnraum auf der Oberfläche reduziert und das Layout sauberer wird.

VII. PCB-Kupferwiderstände: Auswahl der richtigen Kupferdicke zur Reduzierung von Fehlern
Kupferleiterbahnen sind der Kern von Schaltkreisverbindungen und Masseebenen. Zu hoher Widerstand kann zu Signalfehlern führen. Denken Sie an diese Punkte:

• Standard-Leiterplatten verwenden 1 Unze Kupfer; Hochleistungsabschnitte verwenden 2oz oder 3oz Kupfer (Kupferwiderstand beträgt 1,724 × 10⁻⁶ Ω/cm bei 25℃);
• 1 Unze Kupferfolie ist etwa 0,036 mm dick und hat einen Widerstand von 0,48 mΩ/Quadrat. Beispielsweise hat eine 0,25 mm breite Leiterbahn einen Widerstand von etwa 19 mΩ/cm;
• Achten Sie bei Präzisionsschaltungen mit niedriger Impedanz (z. B. 16-Bit-ADCs) auf den Kupferleiterbahnwiderstand, um die Entstehung zusätzlicher Fehler zu vermeiden. Bei Bedarf die Leiterbahnen verbreitern oder die Kupferdicke erhöhen.

VIII. Erdungsdesign: Zwei Optionen, je nach Bedarf auswählen

Die Erdung ist entscheidend für die Unterdrückung von Störungen. Die Auswahl der richtigen Option ist für verschiedene Systeme wichtig. Zwei gängige Methoden werden im Detail erläutert:

1. Einzelne Erdungsschicht (empfohlen für ADC/DAC-Systeme mit niedrigem digitalen Strom)

• Durch die Verwendung einer einzigen festen Erdungsschicht kann der Rückstrom dem Weg des geringsten Widerstands folgen, wodurch Mischsignalstörungen vermieden werden.
• Niederfrequenter Rückstrom fließt entlang der Erdungsreferenzleitung des Geräts, während hochfrequenter Rückstrom entlang des Signalpfads zurückfließt, wodurch Schleifenstörungen reduziert werden.

2. Unabhängige analoge Masse + digitale Masse (empfohlen für komplexe Hochstromsysteme)

• Unterteilung der Erdungsschicht in analoge Erdung und digitale Erdung, verbunden über eine „Sternerdung“ (der Schnittpunkt ist eine Sternerdung), um konsistente Referenzpegel für beide sicherzustellen.
• Der AGND-Pin von Mixed-Signal-Geräten ist mit der analogen Masse verbunden, und der DGND-Pin ist mit der digitalen Masse verbunden, wodurch rauschstarker digitaler Strom isoliert wird.
• Mehrschichtige Leiterplatten müssen eine vollständige Isolierung zwischen den AGND- und DGND-Ebenen gewährleisten und Überlappungen sind nicht zulässig.

Ⅸ. Abschirmung elektromagnetischer Interferenzen: Erstellen Sie einen Faradayschen Käfig, um externe Interferenzen zu eliminieren

Nach der Beseitigung interner Störungen ist es von entscheidender Bedeutung, sich vor externen elektromagnetischen Störungen (EMI) zu schützen. Andernfalls kann es zu Kommunikationsunterbrechungen, Beschädigung der Sensordaten und Komponentenausfällen kommen. Hier sind einige Abschirmtechniken:

• Verwenden Sie eine ausreichende Metallabschirmung, um einen „Faradayschen Käfig“ zu schaffen, der den Stromkreis von allen sechs Seiten vollständig abdeckt, und verbinden Sie ihn für eine optimale Abschirmung mit der Erdungsebene.
• Das Abschirmungsdesign muss die Wärmeableitungsanforderungen berücksichtigen und Signaleingangs-/-ausgangskanäle reservieren. Die Abschirmung sollte den normalen Schaltkreisbetrieb nicht beeinträchtigen.
• In Umgebungen mit hoher Frequenz und hoher Interferenz muss die Abschirmschicht eine nahtlose Verbindung gewährleisten, um „Abschirmungslücken“ zu vermeiden.

Beherrschen Sie diese 9 Hybrid-PCB-Layouttechniken. Egal, ob Sie ein Anfänger oder ein erfahrener PCB-Optimierer sind, Sie können verschiedene Layout-Herausforderungen problemlos bewältigen und so die Stabilität und Leistung der Schaltung direkt verdoppeln!