老司机整理的PCB设计走线常用规则

周五, 2 七月 2021 - 14:32

作者：广元兄，文章来源：信号完整性学习之路

一直以来，想写点关于PCB走线相关的基础知识。信号完整性的工作，很大一部分基于PCB走线规则的设定以及走线优化。仿真工作或者说后仿的工作都是基于PCB设计已经定型的情况下进行的，也就是说链路的相关风险已经固定了。所以，设定规则来管控风险比出现风险解决来得更重要。预防管控的能力是未来信号完整性工程师的必备基础技能。

预防管控PCB走线的风险，最最基础的知识就是熟知常用走线规则。本文的思维导图：
<img alt="思维导图" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="9f486124-ad82-49b2-8cf7-3eb7ec5dc5a8" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1_84.png" />
1. 线长匹配 Length Matching

总长线长匹配&分层线长匹配

总长线长匹配的5 mils已经在很多产品设计中有应用，这也是很多设计准则里提到的。
<img alt="设计准则" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="d6135019-5fb8-4058-a9f0-c8e59f854afe" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2_103.png" />
 
分层线长匹配的概念好像没有那么普遍，差分线的走法，BGA区域打过孔到内层，内层走线打过孔到终端，内层阻抗相对容易管控和差分线走线对称性缘故，一般情况下，表层两段距离相对比较短，所以长度的匹配一般在内层进行，也就是间接实行了分层线长匹配。很多时候，这种分层线长匹配的概念在很多产品的设计中被忽略了。
<img alt="分层线长匹配" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="4e376633-a2a7-4618-8646-f5f71d1a1e34" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE3_89.png" />
 
就近补偿

当长度不匹配发生时，推荐就近补偿，防止不连续的传播。如何就近长度匹配，产品的分类不同，要求也不同，消费类产品没有给出相关建议，只是对BREAKOUT区域以及连接器的PIN区域，给出了相关建议的数值。
<img alt="数值" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="4a7b50e0-1f8b-4b74-b685-135850e30c99" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE4_64.png" />
 
就近补偿的一些走线方式：
<img alt="走线方式" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="470f6433-72ed-47d9-b6aa-e1b925ae553f" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE5_57.png" />
 
匹配样式

常见的匹配样式有蛇形线，PAD区域内走线等，蛇形线中3W2S原则是很多产品设计中常用的绕线方法，通过这样的操作，来达到线长匹配。

3W2S有些相互关系的，建议还是搞清楚点。相对于3W2S故意绕线来达到线长匹配，PAD区域走线匹配的方式对匹配所带来的影响更小。
<img alt="匹配样式" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="44132671-0498-4c43-9011-f89e8adf1d7a" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE6_51.png" />
 
需要注意的是：线长匹配最终目的是等时。

2. 双带线 Dual-Stripline

高速产品的轻薄化，PCB厚度限制了走线层数，就有了高速线走在相邻两层上，为了减少相互的串扰，走线的方法有间距管控（DDR部分实现难度比较大），垂直走线（这种方法实现难度比较大），30度角走线（这种方法比较推荐）。
<img alt="30度角走线" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="0669004e-ae9f-4b96-a5c2-3355315b13ba" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE7_41.png" />
 
双带线是未来产品设计的一大趋势，细节性的东西很多，比如双带线相互平行重复度及长度等。

3. 差分转换过孔 Differential Transitional Via

PCB走线，过孔是不可缺少的部分，这里不讲盲埋孔之类，只讲差分过孔处理方式。

不同产品有不同的设计细则，但大体是相通的：

1.如果差分过孔stub(残桩)较长，信号的速率比较高（比如PCIe4.0），要做Backdrill(背钻)；

2.差分过孔如果转换参考层，要打回流地孔，地孔到VIA的距离要大于本身的差分过孔距离，同时地孔要在100 mils以内。
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说到stub(残桩)，还有一种U-turn的走法，在终端THM连接器会用到。
<img alt="U-turn的走法" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="477f5765-4a15-4fd5-80b8-be5de769db6e" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE9_28.png" />
 
4. 器件封装平面挖空 Component Footprint Plane Voiding

这里说的器件不仅仅是USB中要用的Electrostatic Diode (ESD) 和Common-mode choke(CMC)，也包括高速链路中的匹配电阻，还有耦合电容，还有SMT连接器等。对其进行优化，是减少阻抗的突变。
<img alt="阻抗的突变" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="6dd29878-b5d4-471d-8a1e-ad11afbfc744" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE10_16.png" />
 
优化处理的方式就是相邻平面层进行挖空（Voiding）。
<img alt="优化处理" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="5bf5ac7c-e660-4576-b3aa-ac5f9922d0d0" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE11_13.png" />
 
总结

以上便是以一条简单的高速链路路径举例，列举PCB走线相关常用规则。当然针对不同产品会有不同细则，殊途同归，所有的规则都是为了减小串扰，反射，损耗等，来保证信号完整性。如果遇到一些规则相互矛盾，这个时候就需要信号完整性工程师做出取舍，给出合理方案。

注：有些专业名词翻译不一定精准，英文已经带上，各自理解。有些图片来源于资料，侵删。

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