前言

PCB設計是每個工程師必備的設計技能之一，是電子產品設計的重要環(huán)節(jié)，一個產品的原理設計再完美，如果沒有好的PCB設計，其功能和可靠性會大打折扣，甚至不能正常工作。唐曉泉博士是某上市公司CAO ，多年來，他養(yǎng)成了獨立畫PCB板的習慣，以確保產品可靠性設計，在近30年的設計中，他總結了一些經驗，從“術”的角度而不是“道”的角度看待PCB設計，這是真正的“授人以漁”，希望大家可以用心體會唐博士的十條總結，我們以第一人稱方式分享內容。

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

1輪回已到，風口正當時。

MPU i4004的出現，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，那還是在上個世紀70年代初。隨著PC和手機的平臺化，特別是在2010年以后智能手機平臺終歸IOS和Android二大陣營，全世界就那么幾十，最多不超過千人的核心硬件工程師支撐起了全球的PC和手機的硬件設計，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自己是從事IT的。

當資本與技術綁定吞噬掉以PC和手機為代表的人機交互市場后，集中巨額資本開始向以物與物交互為代表的物聯(lián)網市場進攻，這場戰(zhàn)爭也有差不多打了10來年了,總的來說敗多勝少。究其原因,“碎片化的應用場景”就是最好的答案，而應對“碎片化場景”的最好方法是組識集硬件與軟件開發(fā)一體的全棧小團隊。目前那種軟硬件全球分工,動輒數千人，甚至上萬的軟件工廠即使在技術上能完美解決“碎片化場景”，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口。

2硬件決定產品的成敗,PCB設計是龍頭，是基石。
這個問題很顯然，但是在軟件占主導地位的今天，卻被大多數人忽視了。因為現在軟件行業(yè)的硬件平臺都由INTEL,APPLE類似的全球頂尖公司設計，并由富士康類似全球頂尖的公司制造，因此無論是設計質量還是制造質量都是最好的，無需為硬件操心。而對于一個集軟硬件開發(fā)一體的全棧團隊，硬件將是決定團隊的成敗、產品推出速度、資金流以及利潤的必要條件。多年來，我從Smartwork(應該是國內最早的用計算機設計PCB的軟件)開始一直到現在，幾乎每個月要完成一塊從schematic到PCB的layout（估計和許多項目負責人寫的文檔數量差不多），其目的就用schematic和PCB來描述自己的思想，把自己從那沒完沒了的討論中解脫出來，從而有更多的時間享受生活。

3堅實的理論基礎是PCB工程師高效工作,快樂生活的源泉。
理論與實際相分離,甚至于用經驗代替理論,從專業(yè)角度講，過多的經驗這將導致專業(yè)的輪落；從人生角度講，過多的經驗會導致一個人的心胸越來越窄；從生活角度講, 過多的經驗會占用人生最寶貴的時間,對職業(yè)產生厭倦。

理論是事物本質的抽象，掌握并能靈活應用理論，就能以不變應萬變。畫了幾十年PCB，幾乎遍歷了中外有關PCB設計的書籍和資料，但令人遺憾的是這些書籍和資料都是以經驗規(guī)則為主。整那么多碎片化的，規(guī)律性很差的經驗規(guī)則擺在那里，硬是活生生把一項集創(chuàng)造和藝術一體的設計工作搞成死氣沉沉的八股。滿桌子的元件，滿板子的線線，而且還動動就申明：“老子在調電路，莫惹老子哦”這幾乎是眾多硬件工程師的真實寫照。

畫個PCB不就是解決電波的傳輸，無論是以路為代表的歐姆定律和以場為代表的有限元都是再成熟不過的理論了，為什么非要搞得如此，真是人生一大悲劇。

4layout的策略由路與場的決定的。
什么是路?什么是場？這個在高中大學的相關課程中講得很清楚了，在這里我就不再重復，但我要更正一下很多教科書的一個不好的說法:路是用來分析低頻電路，場是用來分析高頻電路。這一說法直接導致讀者用錯路與場。我認為更適當的說法是：當信號的傳輸距離和信號的波長相比擬時就應該考虙使用場，否則就用路。什么是相比擬？大約是在2000年吧，我做過這方面的研究，也就是說當信號的傳輸距離接近信號波長的十分之一時，將開始出現場的現象；傳輸距離接近信號波長的四分之一時，必需用場來分析。

場在layout上如何應用？就是要避開波的折射、繞射和反射。折射和反射就是PCB的常見的SI問題,而繞射就是PCB上的銅箔太窄，信號過不去，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書籍和資料上規(guī)則，并畫幾次板子，再好悟悟，幸福的日子就在眼前。

5如果用參考平面的來稱地和電源，那么layout會更容易理解應用。
信號的傳輸必需要有電位差,如果沒有參考點，就不存在電位差；沒有電位差,信號就沒有辦法傳輸。如果參考點不穩(wěn)，信號的流向就不確定，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等電位體，當外界向其注入一定的能量時，參考平面上的各點的電位仍然能保持相同。

如果一塊PCB上參考平面質量很好，也就是說電源和地的質量很好，那么困擾layout的信號回流，模擬地與數字地,還有接地點就可以淡化?，F在低功耗技術的意味著對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就簡單多了。所以現在有些工程師問我,在layout時,不分模擬地和數字地了,也不考慮信號回流了，就幾層地,效果有時比認真考慮模擬地和數字地,考慮信號回流還好，就是這個道理。

群中有位同行說,他在layout時，電源，信號都安排完了,最后考慮地,我可以負責地說：這是有問題的。

6拿了一塊5.8Ｇ的板子，問如何layout天線。
5.8Ｇ的1/10波長大約在4mm,4mm比一棵0805電阻還要長點，從圖中看IC的天線輸出到匹配網絡之間的距離不到一棵0603電阻的長度,同時匹配網絡到天線IPEX之間的距離也不到一棵0603電阻的長度，我認為盡管信號頻率高達5.8Ｇ，可以不考慮阻抗匹配問題。該同行也說了這塊板子好幾個人同時layout，盡管每個人layout都不一樣，但測試結果相差甚微。因為IC位置,IPEX的位置是定了的,這樣IC到IPEX之間的距離變化不大，當然效果不會相差太大。

同時我認為如果天線與IC的阻抗相匹配，完全不需匹配網絡。因為解決問題的最好的方法就是降維，少一個元件就少一個維度,當然作為匹配網絡的二端元件也就是通過橋接的方式降維。

7如何降低板子的二次諧波？
首先二次諧波超標可能是相關有源電路出現了非線性，比如放大器的工作點不對、幅度過大等。如果有源電路出了問題，靠簡單的濾波器會很麻煩，因為濾波器的帶寬越窄，其階數就越高。濾波器階數高，零極點分布復雜，系統(tǒng)容易不穩(wěn)定。

8關于多層板的問題。
我經常遇到一些很牛的PCB工程師，他們張口六層板，閉口八層板，好像layout的水平與PCB的層數成正比。我首先肯定PCB的層數越多,越容易構造構穩(wěn)定的參考平面，因此電路的性能越好。但是同時也意味著在達到相同的性能下，PCB的層數越多，成本越高，交付期越長，資金流轉越慢。所以我個人認為，在完成相同的任務下，PCB工程師的競爭力與PCB的層數成反比。

9PCB設計工具的選擇和體會。
目前比較通用的工具主要有Cadence、ALLEGRO和Altium。我認為每種工具能在存在下來，肯定有它特定用戶群，因此工具本身不應該分優(yōu)劣，主要是看您的應用場景。如果您所在的團隊不涉及到IC和SIP之類的，還是選擇Altium；如果您的團隊涉及到IC和SIP之類的，或者與IC團隊耦合緊密，那選什么工具您得聽IC團隊的。

10在全棧團隊中，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，因此一個格的PCB工程師它必需能勝任硬件、軟件和制造等工作的協(xié)調工作。