“有些同學(xué)反饋，胡老師介紹的是很多PCB設(shè)計(jì)知識(shí)。是的，這些不僅僅是PCB設(shè)計(jì)師需要掌握的知識(shí)，也是硬件設(shè)計(jì)者必須要了解和掌握的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。

硬件工程師設(shè)計(jì)作品的具體展現(xiàn)方式之一就是PCB。不論P(yáng)CB板子具體由誰(shuí)設(shè)計(jì)，是要交付到用戶手中的實(shí)物。在這上面如果暴露有任何問(wèn)題或缺陷，硬件設(shè)計(jì)者都是直接相關(guān)人，而且通常是第一責(zé)任人?！?/p>

一個(gè)硬件設(shè)計(jì)工程師，只有熟知這些基本經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和PCB設(shè)計(jì)規(guī)則，運(yùn)用到設(shè)計(jì)過(guò)程中，才能夠成為真正的硬件設(shè)計(jì)大咖。同時(shí)，真正的PCB設(shè)計(jì)大咖也要是硬件設(shè)計(jì)高手。

了解基本的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，成為“設(shè)計(jì)達(dá)人”。

1、電氣間隙和爬電距離–安全規(guī)范中的兩個(gè)基本概念和規(guī)則

正規(guī)的電子產(chǎn)品需要滿足各種不同的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求，有些需要通過(guò)特別機(jī)構(gòu)認(rèn)證才允許銷(xiāo)售。最常見(jiàn)的有EMC/EMI規(guī)范和安全規(guī)范。

沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)要求、沒(méi)有規(guī)范特性、沒(méi)有質(zhì)量保證的產(chǎn)品是比較容易做出來(lái)的，因?yàn)榭赡苓B基本設(shè)計(jì)都沒(méi)有，就是模仿copy他人的產(chǎn)品。這樣的產(chǎn)品說(shuō)實(shí)話是沒(méi)有客戶的。

電子設(shè)備的安全距離包括電氣間隙（空間距離）、爬電距離（沿面距離）和絕緣穿透距離。

電氣間隙Cl（Clearance）：

在兩個(gè)導(dǎo)電零部件之間或?qū)щ娏悴考c設(shè)備防護(hù)界面之間測(cè)得的最短空間距離。即在保證電氣性能穩(wěn)定和安全的情況下，通過(guò)空氣能實(shí)現(xiàn)絕緣的最短距離。這個(gè)電氣間隙之間承受有較高電壓，與老化現(xiàn)象無(wú)關(guān)。

爬電距離Cr（Creepage Distance）：

沿絕緣表面測(cè)得的兩個(gè)導(dǎo)電零部件之間或?qū)щ娏悴考c設(shè)備防護(hù)界面之間的最短路徑。如果是圓形帶電區(qū)，其半徑即為爬電距離。電子設(shè)備總會(huì)處于有灰塵，甚至潮濕等工作環(huán)境中。這個(gè)爬電距離要求，有時(shí)候也被稱(chēng)作防污要求。

爬電距離：爬的意思，可以看做一個(gè)螞蟻從一個(gè)帶電體沿著絕緣體表面爬行到另一個(gè)帶電體必須經(jīng)過(guò)的最短路程。電氣間隙可以看成是一個(gè)帶翅膀的螞蟻飛過(guò)去的最短距離。

電氣間隙的大小決定了電氣間隙能承受的過(guò)電壓。當(dāng)過(guò)電壓值超過(guò)某一臨界值后，此電壓很快就引起電擊穿。因此，確認(rèn)電氣間隙大小必須以設(shè)備可能會(huì)出現(xiàn)的最大的內(nèi)部和外部過(guò)電壓（脈沖耐受電壓為依據(jù)）。

在不同場(chǎng)合使用同一電氣設(shè)備或運(yùn)用過(guò)電壓保護(hù)器時(shí)所出現(xiàn)的過(guò)電壓大小各不相同。需要查閱標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范來(lái)確定設(shè)計(jì)規(guī)則，以保證產(chǎn)品滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

實(shí)際設(shè)計(jì)中要考慮最糟情況來(lái)決定確定設(shè)計(jì)規(guī)則。因?yàn)闇y(cè)試的時(shí)候會(huì)對(duì)內(nèi)部零件施加10N力，外殼也施加30N力，以減少其距離，模擬最糟的情況，來(lái)驗(yàn)證空間距離是否符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

設(shè)計(jì)時(shí)要同時(shí)考慮電氣空間距離和表面距離，必須滿足電氣間隙和爬電距離這兩者的要求。

一般來(lái)說(shuō)，爬電距離要求數(shù)值比電氣間隙的數(shù)值要大。爬電距離和絕緣形式（基本絕緣、輔助絕緣、加強(qiáng)絕緣、雙重絕緣、或各絕緣組合）、電壓的大小、污染等級(jí)、材料CTI特性以及表面形狀有關(guān)。根據(jù)這些條件來(lái)查表確定出設(shè)計(jì)規(guī)則。通常可以采用開(kāi)槽的方式（槽寬要大于1mm）來(lái)增加爬電距離。

左表是基本絕緣最小爬電距離，右表是功能絕緣的最小爬電距離，基于IEC60335-1:2001

PCB常見(jiàn)的FR-4材料漏電起痕指數(shù)CTI（Comparative Tracking Index）在175-225之間，屬于Ⅲa類(lèi)材料。消費(fèi)類(lèi)和通訊類(lèi)產(chǎn)品通常工作電壓小于50V，所以FR-4材料常常大量應(yīng)用在這些產(chǎn)品場(chǎng)合。超過(guò)50V電壓的電路部分，可用下面參考值來(lái)設(shè)計(jì)（詳見(jiàn)GB4706.1-1998 第29節(jié))。

工作電壓大于250V至440V的電控部分與不帶電的金屬部件之間的電氣間隙>3mm,爬電距離>4mm。

工作電壓大于130V至250V的電控部分與不帶電的金屬部件之間的電氣間隙>2.5mm,爬電距離>3mm。

工作電壓小于或等于130V的電控部分與不帶電的金屬部件之間的電氣間隙>1.5mm,爬電距離>2mm。

如不能夠確定材料組別，要假定材料為Ⅲb組。

一般地，PCB設(shè)計(jì)中外層需要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)。經(jīng)驗(yàn)參考：弱電距離應(yīng)大于15mil，強(qiáng)電應(yīng)大于100mil；在內(nèi)層15mil間距能滿足1500Vac隔離；如果距離不夠可以開(kāi)槽來(lái)增加爬電距離（開(kāi)槽要大于1mm）。

實(shí)際場(chǎng)合遠(yuǎn)比上面內(nèi)容還要復(fù)雜，一定要分析具體的應(yīng)用場(chǎng)合和電路要求。在具體設(shè)計(jì)時(shí)一定要去仔細(xì)分析，查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，或詢問(wèn)專(zhuān)家，確保設(shè)計(jì)規(guī)則正確，避免后期多次返工，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還不一定找到問(wèn)題癥結(jié)。

2、PCB布線trace的長(zhǎng)度Length、寬度Width和厚度Thickness

對(duì)印制電路板PCB而言，銅是大多數(shù)電路板的原料。PCB板的銅箔厚度1oz，意味著走線厚度為35um。

PCB上的走線要走多寬才合適呢？基于時(shí)下工藝制造條件，一般規(guī)則下低頻小電流PCB走線寬度選用10mil；特殊密集區(qū)選擇6mil線寬。有時(shí)會(huì)用4mil甚至更細(xì)的線寬來(lái)布線。

若要精細(xì)選擇布線線寬，首先要考慮阻抗匹配設(shè)計(jì)。注意要考慮工藝補(bǔ)償：圖形補(bǔ)償和表面處理補(bǔ)償。因?yàn)閷?dǎo)線橫截面不是一個(gè)理想的矩形，實(shí)際上是一個(gè)梯形。以TOP層為例，當(dāng)銅箔厚度為1oz時(shí)，梯形的上底邊比下底邊短1mil。比如線寬5mil，制造工藝上會(huì)引入系統(tǒng)誤差，其上底邊W2約4mil，下底邊W1為5mil。上下底邊的差異和銅厚有關(guān)。下表是不同情況下截面梯形上下底W2/W1之間的關(guān)系。

另外，經(jīng)過(guò)表面處理，如綠油涂敷后，設(shè)計(jì)的阻抗值會(huì)變小。

還要考慮到PCB線的過(guò)流能力。PCB線通過(guò)電流的能力與線寬和銅箔厚度、布線在內(nèi)層和外層以及容忍的溫升等參數(shù)緊密有關(guān)。參考美軍標(biāo)MIL-STD-275，線寬10mil走線在允許溫升10攝氏度的條件下，可通過(guò)0.5A電流（1/2oz銅厚）。

如果作高電壓或大電流的強(qiáng)電設(shè)計(jì)，還需要考慮一定的降額如30%-50%來(lái)應(yīng)用。

PCB上的走線trace要走多長(zhǎng)？(1 inch=1000mil=25.4mm)

首先了解一個(gè)概念“曼哈頓距離”。曼哈頓距離（Manhattan Distance）是標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系上兩個(gè)點(diǎn)的絕對(duì)軸距總和。如圖紅線代表曼哈頓距離Manhattan Distance=

PCB板上兩點(diǎn)之間走線trace的最短長(zhǎng)度是歐式距離

一般來(lái)說(shuō)，PCB布線的長(zhǎng)度參考曼哈頓距離。通常實(shí)際Route走線長(zhǎng)度在最短距離到1.1倍曼哈頓距離之間。如果Route的長(zhǎng)度超過(guò)1.3倍曼哈頓距離，表明在板上有很多設(shè)計(jì)冗余過(guò)長(zhǎng)的環(huán)路。有可能需要優(yōu)化布局，重新布線。

走線trace過(guò)長(zhǎng)會(huì)影響什么呢？ 計(jì)算一下走線電阻：走線厚度0.5oz，線寬6mil，線長(zhǎng)6inch。銅的體電阻率

所以，6000inch走線直流電阻=

很長(zhǎng)trace的走線電阻通?？梢院雎裕ㄈ?4in的走線電阻僅為2歐姆）。但是需要占據(jù)更多的PCB空間來(lái)布線。

PCB走線過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致最為關(guān)鍵的影響是信號(hào)傳播時(shí)延變長(zhǎng)，信號(hào)對(duì)器件的驅(qū)動(dòng)能力（帶負(fù)載能力）有要求，信號(hào)可能會(huì)發(fā)生畸變。這個(gè)內(nèi)容后面再詳細(xì)討論。