详解八层PCB主板设计要点
今天的文章给同行朋友们重点介绍一款虚拟家用产品的pcb设计，该产品涵盖了目前业界一些常用的主流的电路模块，包含了dcdc开关电源、千兆以太网、无线wifi射频模块、hdmi高清视频接口、usb3.0高速串行接口、ddr4高速存储器电路、模拟音频（mic、audio、speaker）等。为了让大家更好的理解并掌握这些模块的pcb设计，我将对每个模块的pcb设计要求一一列出并配图说明，希望学习本文 后能提高大家的pcb设计水平。
1.pcb总体设计要求：
（1）pcb外形为长方形，尺寸按照pcb文件中板框设计（130mmx110mm）；
（2）所有电路接口全部放在板左侧（位置已固定，不可移动）；
（3）2个喇叭插座放在板右侧（垂直位置不限）；
（4）板厚1.6mm，层数无要求，但是应尽可能减少层数以降低成本；
（5）ddr4（2400mt/s）以及usb-3.0，hdmi等高速电路设计应满足相应规范要求；
（6）音频电路模块以及无线网络电路模块需要加屏蔽罩保护；
（7）选手应充分考虑加工制造方面的工艺性要求，做好dfm可制造性设计。
该pcb如下图所示
2.层叠阻抗设计
因为该产品是一款消费类产品，在做层叠设计时遵循以下原则即可：
（1）满足各种类型高速信号的阻抗控制要求；
（2）满足ddr信号与高速串行信号的参考层要求；
（3）满足电源供应与地平面的设计要求；
（4）合理设计参考层叠结构以及控制层数和成本；
（5）注意假八层和六层板的成本与性能差异的均衡。
其层叠设计如下图所示
根据层叠结构计算出来的各阻抗线宽线距如下图所示
3.以太网接口设计
常见以太网口集成网络变压器和非集成网络变压器两种：
a.集成在以太网口内部，外面有屏蔽铁壳，对外界抗干扰和自身电磁辐射干扰其他元件的影响减小，也可以节省pcb上的空间:
b.非集成以太网口，如果不同系统需要的网络变压器不同，因为以太网接口却是标准的，只需替换网络变压器，就能满足不同的设计要求，且分离的网络变压器结构更简单，成本更低。
在该项目中网口为非集成以太网接口，其模块电路主要由以太网接口rj45，网络变压器，phy芯片三部分组成，如下图所示。
其layout要求如下：
布局要求：
（1）以太网口的位置根据结构要求放置，网络变压器靠近以太网口，phy芯片靠近变压器，如果以太网口集成了网络变压器，则phy芯片靠近以太网口放置；
（2）部分网口有esd要求，布局时考虑布线要先经过esd器件；
（3）对于网络变压器的中心抽头电容放置在pin的背面；
（4）机壳地通常采用电阻或磁珠与板内地单点接地处理，要使机壳地的走线尽量短，磁珠的位置应该放置再靠近机壳地的位置。
其接口电路布局如下图所示
布线要求：
（1）以太网口属于外接网口，网络输入到该接口速率较高，会产生较大的干扰，特别是铜皮会产生感应电流。集成网络变压器的以太网口需要将除差分管脚外的信号所有挖空，非集成网络变压器的以太网口需要挖空整个以太网口和网络变压器（除次级端外）
（2）非集成网络变压器以太网口，初级端的差分线可以忽略阻抗要求，线宽根据实际情况加宽，并保持走线最短：次级差分按100欧姆的差分线要求处理
（3）挖空区避免走线，如果实在没有办法需要走线，变压器部分避免打孔以减少干扰
（4）机壳地走线加粗，一般采用1mm，机壳地与板内板的边缘间距需要≥1mm
（5）电源地网络加粗，变压器中心抽头线需要加粗
（6）等长要求，tx与tx做等长，rx与rx做等长，以时钟为基准控制25mil
（7）以太网芯片，tx和rx最好分不同层走，如果同层，间距拉开4w
（8）以太网芯片发热量较大，需要增加散热孔或背面开窗。
其接口电路布线如下图所示
4.usb3.0接口电路pcb设计
usb，是英文universal serial bus（通用串行总线）的缩写，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯，应用在pc领域的接口技术。usb接口支持设备的即插即用和热插拔功能。usb接口电路比较简单，主要由usb3.0接口，esd器件和共模器件，usb供电模块，如下图所示。
usb3.0接口电路pcb layout设计要求如下：
（1）特性阻抗：差分90欧姆，优先以地平面为参考；
（2）esd器件靠近接口，信号先经过esd器件，再接到芯片；
（3）差分线换层时，50mil范围内需要有回流地孔过；
（4）差分线对内长度误差小于5mil；
（5）原理图标注电流2a，线宽大于80mil。
其pcb设计如下图所示。
5.hdmi接口电路pcb设计
hdmi（high-definition multimedia interface）高清多媒体接口，可以提供高达5gbps的数据传输带宽，可以传送无压缩的音频和高分辨率的视频信号，同时无需在信号传送前进行数模或模数转换，可以保证高质量的影音信号传送hdmi在针脚上和dvi兼容，只是采用了不同的封装，与dvi相比，hdmi可以传输数字音频信号，并增加了对hdcp的支持，同时提供了更好的dc可选功能。
hdmi支持5gbps的数据传输，最远可以传输15米，足以应付一个1080p的视频和一个8声道的音频信号，而这些信号需求少于4gb/s，因此hdmi还有很大的余量。这允许它可以用一个电缆分别接dvd播放器。接收器和prr，此外hdmi还支持edid，ddc2b，因此hdmi的设备具有“即插即用”的特点，信号源和显示设备之间会自动进行“协商”，自动选择最合适的视频/音频格式。
hdmi接口电路比较简单，主要由hdmi接口，esd器件和共模器件，hdmi供电等。如下图所示。
hdmi接口电路pcb layout设计要求如下：
（1）特性阻抗控制100 ω；
（2）esd器件靠近hdmi输入接口，共模电感靠近esd器件，匹配电阻并排放置；
（3）差分对组内误差控制5mil；
（4）组与组间距要求20mil以上；
（5）有完整的参考地平面。
pcb设计如下图所示
6.音频模拟电路pcb设计
音频电路主要包含mic、耳机、喇叭等音频接口、音频ic模块，如下图所示。
layout设计要求如下：
（1）布局按照正确的信号流向和先后顺序，让每个器件都发挥其作用，esd器件最靠近接口放置；
（2）mic/耳机/喇叭是模拟信号，走线加粗至8～15mil；
（3）mic/耳机分开包地处理，喇叭+/-两个信号走类差分包地处理；
（4）远离敏感的数字信号和电源；
（5）音频集成模块需添加屏蔽罩；
（6）注意数模分区.
pcb设计如下图所示
7.无线wifi视频电路pcb设计
无线wifi射频电路主要包括射频收发电路和ad芯片模块，射频收发电路是需要我们需要重点关注的部分，ad芯片模块如下图所示。
8.射频收发模块如下图所示。
无线wifi射频电路layout设计要求如下：
（1）rf主通路要顺且直，在同一屏蔽腔内布局时可按信号由小到大一字布局，空间不足时可以采用l型布局，布局空间限制时，rf电路采用45度角放置；
（2）布局时需要给射频区域预留屏蔽罩或隔金的空间，一般屏蔽罩宽度要大于2mm，最小要大于1mm。屏蔽罩的形状需要采用规则的正方形或长方形，有利于加工，降低开模成本。有些屏蔽罩只加一面，但有些屏蔽罩是表底两面都加；
（3）对于rf电路pcb布线层面优先选择表底层布线，利用中间平面作为电源和地线层，这样可以起到一定的屏蔽作用，可以有效的降低寄生电感，减少信号间的交叉干扰；
（4）rf信号转弯时需要采用圆弧布线，这样可以减少高频信号的反射及信号能量的相互耦合；
（5）rf布线长度需要越短越好，且布线两边需要严格做包地处理，包地线上需要多打地孔，两边的过孔没必要打的太整齐，两边的过孔尽量交错的打孔，这样shield效果更好；
（6）包地线离rf太近会降低rf的阻抗，为了让其周围的包地平面不影响rf的阻抗，包地离rf信号至少在20mil以上，推荐30mil以上；
（7）线宽突变的地方需要采用渐进线设计，采用渐进线设计可以减少阻抗突变带来的反射和能量损耗。
layout设计如下图所示。
9.主电源模块dcdc pcb设计
该电源电路模块包含外置mos管，双通道输出1v和5v电源，相位互补，drc电流检测等特点，layout时需要重点关注大电流地，开关管和续流管的输入输出，电流检测的差分采样等。其电源原理如下图所示。
dcdc电路的布局要求如下：
（1）确定模块在板上的位置：是一个强烈的emi辐射源！应远离时钟、接口等敏感器件摆放；
（2）确定原理框图中各个部分的核心器件：输入整流（可选）、输入滤波、开关管、控制电路、输出滤波；
（3）开关管：布局紧凑，布局考虑大电流通道，输入输出的地能够直接相连，且环路面积最小；
（4）输入滤波：紧凑开关管，确保能做到大电流先滤波再进入开关管；
（5）输出滤波：紧靠开关管，确保大电流吸纳滤波在进入单板平面；
（6）控制电路的采样电路：采样电阻放在输出滤波与比较电路的中间，布局时保证采样电路尽量靠近芯片管脚，靠近比较电路；
（7）控制电路的比较电路，靠近控制芯片摆放；
（8）控制电路本身的滤波网络：电容尽量靠近相应管脚。
布线要求如下：
（1）开关管部分尽量粗短，一般用铺铜实现；
（2）输入输出滤波：注意到电源平面的过孔数目和位置，在滤波电容之后；
（3）控制电路的采样：模拟信号，采样点在输出滤波之后，如果有电流采样和电压采样，布成差分线的紧耦合形式，采样线尽量短，减 小受干扰的空间；
（4）控制电路的调制输出：模拟信号，不要在开关管下走长线，远离大电流的电源和地的区域
（5）输入输出的地：用大铜皮连接到一起；
（6）控制电路的地：模拟地，与大电流地分开，远端单点接地；
（7）芯片的gate信号要走15以上，最好不打孔，允许有两个孔，远离干扰。
layout设计如下图所示
10.ddr4模块的设计
ddr4模块在往期的文章已有详细的介绍，相信很多小伙伴已经看过并掌握了，这里就不再介绍。
好了，整板电路模块的pcb设计已经都介绍完了，该产品最终完成的pcb如下图所示。
ios15息屏显示功能开启
mstp协议原理详解
作为Fab-Liter战略的一部份，安森美剥离晶圆制造厂
IR2117 单通道MOSFET或IGBT栅极驱动器集成电路
电力系统中变压器的中性点为什么要接地？
详解八层PCB主板设计要点
宽带无线电需要宽动态范围转换器
Systemverilog中的Driving Strength讲解
逆变器和转换器的差别，经久耐用而广泛应用
介绍物联网技术带来的最新应用
深度解析SMT贴片胶
北京苹果手机屏幕坏了怎么办苹果手机屏幕失灵怎么办
同样是2千左右的价格，华为、小米、魅族、锤子、一加、哪个好？
思爱普：AI成为工业4.0主干力量
压铸铝双金属散热器的详细介绍
D类音频放大器的原理及其应用
侧边指纹和屏幕指纹谁更实用呢？
4mA至20mA压力传感器变送器，集成电压或电流驱动
光耦合器如何提供电气安全及其安全相关特性
【世说设计】轻松掌握学会一个低成本仪表放大器设计方法
1.pcb总体设计要求：
（1）pcb外形为长方形，尺寸按照pcb文件中板框设计（130mmx110mm）；
（2）所有电路接口全部放在板左侧（位置已固定，不可移动）；
（3）2个喇叭插座放在板右侧（垂直位置不限）；
（4）板厚1.6mm，层数无要求，但是应尽可能减少层数以降低成本；
（5）ddr4（2400mt/s）以及usb-3.0，hdmi等高速电路设计应满足相应规范要求；
（6）音频电路模块以及无线网络电路模块需要加屏蔽罩保护；
（7）选手应充分考虑加工制造方面的工艺性要求，做好dfm可制造性设计。
该pcb如下图所示
2.层叠阻抗设计
因为该产品是一款消费类产品，在做层叠设计时遵循以下原则即可：
（1）满足各种类型高速信号的阻抗控制要求；
（2）满足ddr信号与高速串行信号的参考层要求；
（3）满足电源供应与地平面的设计要求；
（4）合理设计参考层叠结构以及控制层数和成本；
（5）注意假八层和六层板的成本与性能差异的均衡。
其层叠设计如下图所示
根据层叠结构计算出来的各阻抗线宽线距如下图所示
3.以太网接口设计
常见以太网口集成网络变压器和非集成网络变压器两种：
a.集成在以太网口内部，外面有屏蔽铁壳，对外界抗干扰和自身电磁辐射干扰其他元件的影响减小，也可以节省pcb上的空间:
b.非集成以太网口，如果不同系统需要的网络变压器不同，因为以太网接口却是标准的，只需替换网络变压器，就能满足不同的设计要求，且分离的网络变压器结构更简单，成本更低。
在该项目中网口为非集成以太网接口，其模块电路主要由以太网接口rj45，网络变压器，phy芯片三部分组成，如下图所示。
其layout要求如下：
布局要求：
（1）以太网口的位置根据结构要求放置，网络变压器靠近以太网口，phy芯片靠近变压器，如果以太网口集成了网络变压器，则phy芯片靠近以太网口放置；
（2）部分网口有esd要求，布局时考虑布线要先经过esd器件；
（3）对于网络变压器的中心抽头电容放置在pin的背面；
（4）机壳地通常采用电阻或磁珠与板内地单点接地处理，要使机壳地的走线尽量短，磁珠的位置应该放置再靠近机壳地的位置。
其接口电路布局如下图所示
布线要求：
（1）以太网口属于外接网口，网络输入到该接口速率较高，会产生较大的干扰，特别是铜皮会产生感应电流。集成网络变压器的以太网口需要将除差分管脚外的信号所有挖空，非集成网络变压器的以太网口需要挖空整个以太网口和网络变压器（除次级端外）
（2）非集成网络变压器以太网口，初级端的差分线可以忽略阻抗要求，线宽根据实际情况加宽，并保持走线最短：次级差分按100欧姆的差分线要求处理
（3）挖空区避免走线，如果实在没有办法需要走线，变压器部分避免打孔以减少干扰
（4）机壳地走线加粗，一般采用1mm，机壳地与板内板的边缘间距需要≥1mm
（5）电源地网络加粗，变压器中心抽头线需要加粗
（6）等长要求，tx与tx做等长，rx与rx做等长，以时钟为基准控制25mil
（7）以太网芯片，tx和rx最好分不同层走，如果同层，间距拉开4w
（8）以太网芯片发热量较大，需要增加散热孔或背面开窗。
其接口电路布线如下图所示
4.usb3.0接口电路pcb设计
usb，是英文universal serial bus（通用串行总线）的缩写，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯，应用在pc领域的接口技术。usb接口支持设备的即插即用和热插拔功能。usb接口电路比较简单，主要由usb3.0接口，esd器件和共模器件，usb供电模块，如下图所示。
usb3.0接口电路pcb layout设计要求如下：
（1）特性阻抗：差分90欧姆，优先以地平面为参考；
（2）esd器件靠近接口，信号先经过esd器件，再接到芯片；
（3）差分线换层时，50mil范围内需要有回流地孔过；
（4）差分线对内长度误差小于5mil；
（5）原理图标注电流2a，线宽大于80mil。
其pcb设计如下图所示。
5.hdmi接口电路pcb设计
hdmi（high-definition multimedia interface）高清多媒体接口，可以提供高达5gbps的数据传输带宽，可以传送无压缩的音频和高分辨率的视频信号，同时无需在信号传送前进行数模或模数转换，可以保证高质量的影音信号传送hdmi在针脚上和dvi兼容，只是采用了不同的封装，与dvi相比，hdmi可以传输数字音频信号，并增加了对hdcp的支持，同时提供了更好的dc可选功能。
hdmi支持5gbps的数据传输，最远可以传输15米，足以应付一个1080p的视频和一个8声道的音频信号，而这些信号需求少于4gb/s，因此hdmi还有很大的余量。这允许它可以用一个电缆分别接dvd播放器。接收器和prr，此外hdmi还支持edid，ddc2b，因此hdmi的设备具有“即插即用”的特点，信号源和显示设备之间会自动进行“协商”，自动选择最合适的视频/音频格式。
hdmi接口电路比较简单，主要由hdmi接口，esd器件和共模器件，hdmi供电等。如下图所示。
hdmi接口电路pcb layout设计要求如下：
（1）特性阻抗控制100 ω；
（2）esd器件靠近hdmi输入接口，共模电感靠近esd器件，匹配电阻并排放置；
（3）差分对组内误差控制5mil；
（4）组与组间距要求20mil以上；
（5）有完整的参考地平面。
pcb设计如下图所示
6.音频模拟电路pcb设计
音频电路主要包含mic、耳机、喇叭等音频接口、音频ic模块，如下图所示。
layout设计要求如下：
（1）布局按照正确的信号流向和先后顺序，让每个器件都发挥其作用，esd器件最靠近接口放置；
（2）mic/耳机/喇叭是模拟信号，走线加粗至8～15mil；
（3）mic/耳机分开包地处理，喇叭+/-两个信号走类差分包地处理；
（4）远离敏感的数字信号和电源；
（5）音频集成模块需添加屏蔽罩；
（6）注意数模分区.
pcb设计如下图所示
7.无线wifi视频电路pcb设计
无线wifi射频电路主要包括射频收发电路和ad芯片模块，射频收发电路是需要我们需要重点关注的部分，ad芯片模块如下图所示。
8.射频收发模块如下图所示。
无线wifi射频电路layout设计要求如下：
（1）rf主通路要顺且直，在同一屏蔽腔内布局时可按信号由小到大一字布局，空间不足时可以采用l型布局，布局空间限制时，rf电路采用45度角放置；
（2）布局时需要给射频区域预留屏蔽罩或隔金的空间，一般屏蔽罩宽度要大于2mm，最小要大于1mm。屏蔽罩的形状需要采用规则的正方形或长方形，有利于加工，降低开模成本。有些屏蔽罩只加一面，但有些屏蔽罩是表底两面都加；
（3）对于rf电路pcb布线层面优先选择表底层布线，利用中间平面作为电源和地线层，这样可以起到一定的屏蔽作用，可以有效的降低寄生电感，减少信号间的交叉干扰；
（4）rf信号转弯时需要采用圆弧布线，这样可以减少高频信号的反射及信号能量的相互耦合；
（5）rf布线长度需要越短越好，且布线两边需要严格做包地处理，包地线上需要多打地孔，两边的过孔没必要打的太整齐，两边的过孔尽量交错的打孔，这样shield效果更好；
（6）包地线离rf太近会降低rf的阻抗，为了让其周围的包地平面不影响rf的阻抗，包地离rf信号至少在20mil以上，推荐30mil以上；
（7）线宽突变的地方需要采用渐进线设计，采用渐进线设计可以减少阻抗突变带来的反射和能量损耗。
layout设计如下图所示。
9.主电源模块dcdc pcb设计
该电源电路模块包含外置mos管，双通道输出1v和5v电源，相位互补，drc电流检测等特点，layout时需要重点关注大电流地，开关管和续流管的输入输出，电流检测的差分采样等。其电源原理如下图所示。
dcdc电路的布局要求如下：
（1）确定模块在板上的位置：是一个强烈的emi辐射源！应远离时钟、接口等敏感器件摆放；
（2）确定原理框图中各个部分的核心器件：输入整流（可选）、输入滤波、开关管、控制电路、输出滤波；
（3）开关管：布局紧凑，布局考虑大电流通道，输入输出的地能够直接相连，且环路面积最小；
（4）输入滤波：紧凑开关管，确保能做到大电流先滤波再进入开关管；
（5）输出滤波：紧靠开关管，确保大电流吸纳滤波在进入单板平面；
（6）控制电路的采样电路：采样电阻放在输出滤波与比较电路的中间，布局时保证采样电路尽量靠近芯片管脚，靠近比较电路；
（7）控制电路的比较电路，靠近控制芯片摆放；
（8）控制电路本身的滤波网络：电容尽量靠近相应管脚。
布线要求如下：
（1）开关管部分尽量粗短，一般用铺铜实现；
（2）输入输出滤波：注意到电源平面的过孔数目和位置，在滤波电容之后；
（3）控制电路的采样：模拟信号，采样点在输出滤波之后，如果有电流采样和电压采样，布成差分线的紧耦合形式，采样线尽量短，减 小受干扰的空间；
（4）控制电路的调制输出：模拟信号，不要在开关管下走长线，远离大电流的电源和地的区域
（5）输入输出的地：用大铜皮连接到一起；
（6）控制电路的地：模拟地，与大电流地分开，远端单点接地；
（7）芯片的gate信号要走15以上，最好不打孔，允许有两个孔，远离干扰。
layout设计如下图所示
10.ddr4模块的设计
ddr4模块在往期的文章已有详细的介绍，相信很多小伙伴已经看过并掌握了，这里就不再介绍。
好了，整板电路模块的pcb设计已经都介绍完了，该产品最终完成的pcb如下图所示。
ios15息屏显示功能开启
mstp协议原理详解
作为Fab-Liter战略的一部份，安森美剥离晶圆制造厂
IR2117 单通道MOSFET或IGBT栅极驱动器集成电路
电力系统中变压器的中性点为什么要接地？
详解八层PCB主板设计要点
宽带无线电需要宽动态范围转换器
Systemverilog中的Driving Strength讲解
逆变器和转换器的差别，经久耐用而广泛应用
介绍物联网技术带来的最新应用
深度解析SMT贴片胶
北京苹果手机屏幕坏了怎么办苹果手机屏幕失灵怎么办
同样是2千左右的价格，华为、小米、魅族、锤子、一加、哪个好？
思爱普：AI成为工业4.0主干力量
压铸铝双金属散热器的详细介绍
D类音频放大器的原理及其应用
侧边指纹和屏幕指纹谁更实用呢？
4mA至20mA压力传感器变送器，集成电压或电流驱动
光耦合器如何提供电气安全及其安全相关特性
【世说设计】轻松掌握学会一个低成本仪表放大器设计方法