从 PCB 制作到实践的好帮手 – DigiKey 的在线换算器
引言
从产品构思、理论及线路设计、零件选择到制作实物等，每一个步骤都是环环相扣的，看似线路图设计完美及确定选料，最后在印刷电路板（PCB）制作时遇上不少限制和困难，到底是在哪步个骤出错呢？要重新选料还是重新设计呢？在 DigiKey 强大的工具库中，只要善用一些小工具，减少失误及烦恼，电子及工程学也变得得心应手。接下来，我们会介绍几个设计层面的小工具，可以帮您轻松制作产品。
印刷电路板（PCB）设计
经过无焊试验板的线路模拟测试后，下一步便是 PCB 的线路设计了。 PCB 由绝缘层和导电铜层组成的夹层板，其中包含信号走线以及电源和接地层，走线布局设计与电路的设计一样要求严格，需要考虑系统的整体性，同时要了解线路特性从而作出对应的线路设计。了解走线特性可协助工程师很快决定 PCB 的线路及板层要求。参考以下两个不同系统在 PCB 设计时的检查表。
以下是一个使用12-BIT 微控制器感测系统，其线路中包含模拟数字（A/D）转换、LCD 显示及5V 外接电源。虽然载流不高，但模拟数字电路的走线设计需要独立分隔，其检查表以作参考。
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检查装置与连接器的位置。确保高速装置和数字装置靠近连接器。
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最少要有一个接地层（Ground Plane）在电路板上。
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让电源走线比电路板上的其他走线更宽。
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检查电流返回路径并寻找接地连接上可能的杂讯。
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正确绕过所有装置。将电容器尽可能放置靠近装置的电源引脚。
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让所有走线尽可能短。
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追踪所有高阻抗走线，寻找走线之间可能存在的电容耦合问题。
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确保混合信号电路中的信号经过正确过滤。
（资料来源: Microchip）
以及制作一个使用 MOSFET 的高电流电源控制器在 PCB 线路设计的一些基本规则。由于不同的线路区域有不同的载流要求，亦可在考虑成本效益作为分别不同区域的线路设计。
- 为插槽设计供电时，零件应集中放置在一起。
- 向负载提供足够的电流。
- 负载和检测电路的抗噪性。
- 电流感应的考虑。
- 升温 考虑。
- 考虑走线阻抗，减少对高电流轨道组的降额影响。
（资料来源: Texas Instruments）
从以上两类完全不同类型的产品设计，可以看到对走线的宽度考虑，从温度变化、载流能力及阻抗值都是有一定的要求。接下来，我们会介绍以下一些关于 PCB 设计的小工具，分别协助您快速计算所需的走线宽度及走线阻抗。
图 1 ：「DigiKey 的在线换算器」界面
此工具使用 IPC-2221 标准提供的公式计算铜印刷电路板导体或承载给定电流所需「印制线」的宽度，同时保持印制线的温升低于规定的极限值。 此外，如果印制线长度已知，还会计算总电阻、电压降和印制线电阻引起的功率损耗。首先，利用公式（1）计算面积（Ａ）：
IPC-2221 标准中，内层时，k = 0.024、b = 0.44、c = 0.725Z；外层时，k = 0.048、b = 0.44、c = 0.725其中 k、b 和 c 是由对 IPC-2221 曲线进行曲线拟合得出的常数。然后，利用公式（2）计算宽度（W）。（注意：与电路板表面上的印制线相比，电路板内层上的印制线所需的宽度大很多。）
只要在计算器上方输入所需数值，很快就会得出内层走线及裸露的外层走线设计时，所需的印制线宽度（W）、电阻值和电压降的功率损耗，两种走线设计的结果数值会并列对比。以上面提到的电源控制器作为例子，假如设定载流要求（I）为0.8A、环境温度为25°C、铜层厚度（t）为 0.035mm （例如 MG Chemicals 的587型号原型板，1盎司双面包铜）、温升（TRise）为10°C，以及印制线长度则为10”（ 以在6”4” 的 PCB 上走线未靠近或位于散热器区域上方的预计长度）。
图 2 ：「 PCB 印制线宽度计算器」输入界面
计算结果如图 3 所示：
图 3 ：「 PCB 印制线宽度计算器」的计算结果显示
由此得出的结果只是估算值，实际结果可能会随着应用条件而发生变化。内层和外层两边同时显示，形成强烈对比，既方便工程师设计线路的同时，也可以为您提供经济效益的考虑，因为使用内层的电压降及功率损耗会较低，其宽度要求比较大，即成本会更高。您可以因应您的要求随时修改参数值，结果会即时更新，易于比较。
另一个小工具就是 IPC-2141 走线阻抗计算器，这个计算器将有助于简化初始设计，只需输入基本参数并根据 IPC-2141 标准计算出阻抗，为您减少复杂的计算。而且，这个计算器还有一个卖点，就是包含了「微带线」、「嵌入式微带线」、「边缘耦合微带线」、「带状线」、「非对称带状线」、「宽边耦合带状线」及「边缘耦合带状线」7种普遍的走线类型选项。各走线类型对应的计算方式和走线平面图会显示在计算器界面内。各走线类型的定义于表一列出。
| 走線類型 | 圖例 | 描述 |
|---|---|---|
| 微带线 |  |
是指一个简单双面 PCB 设计，一面为接地层，中间是介质层，而另一面则是信号走线，用于控制阻抗。这种几何形状被称为表面微带，或更简单地称为微带。 |
| 嵌入式微带线 |  |
结构与微带线类似，只是将信号走线置于介质层中间。嵌入式有较高保护，低阻抗，但较难解耦，及阻抗值偏低，影响匹配。 |
| 边缘耦合微带线 |  |
普遍用于差分电路，例如低压差分信号。此走线设计具有降低电磁干扰的一些优势。相反的低压差分信号电流产生的电磁干扰场往往会相互抵消。 |
| 带状线 |  |
现时的 PCB 设计多数都是多层 PCB。带状线这种布置是将信号走线嵌入电源层和接地层之间。低阻抗交流接地层和嵌入的信号走线形成对称带状线传输线。 |
| 非对称带状线 |  |
非对称带状线与带状线类似，只是将介质层中的信号走线靠近其中一面导电层，与接地层和电源层形成不对称的距离，一般会将信号走线靠近接地层。 |
| 宽边耦合带状线 |  |
普遍用于拥挤 BGA 区域，由两条平行的走线组合而成，具有相等的宽度、走线之间的距离和与导电层的距离。对于在相邻信号层上布线的差分对走线，如果存在任何走线重叠，则宽边耦合会更强。 |
| 边缘耦合带状线 |  |
由两条信号走线组成，两条信号走线都是对称带状线，走线之间存在一些耦合，指在同一信号层上布线的两个差分对。 |
表一 走线类型对应表
实例示范
在计算器上选定走线类型后，只需要输入所需参数，便可得出目标阻抗。当决定使用裸露外层走线时，如何求解「阻抗」。已知的参数如下：
- 走线宽度（w）= 8.693 mil、走线厚度（t） = 0.035 mm、板高度（h） = 0.79 mm
- 介电常数（εr）= 4.2（ 参考规格书，Dielectric Constant @1 GHz）
最后得出目标阻抗（Zo） 为 = 114.0170 Ω
图 4 ：「 IPC 2141 走线阻抗计算器」的计算结果显示
此工具还有另一好处，就是可以反向求解「走线宽度」。例如需要找出较易匹配的50 Ω的走线宽度，再配合使用 PCB 印制线宽度计算器，便能有效找出最合适的走线类型及印刷电路板 PCB 的要求。
SMD / 贴片代码计算器
当印刷电路板 PCB 设计完成，BOM 物料亦选好后，购买零件是其中一个重要环节，但亦有不少工程师会沿用旧或原有零件以节省成本。但是，识别零件是一件相当麻烦及费时的工序，一般会利用表面标记／丝印作为辨别零件的方法。之前已为大家介绍了我们的《电阻器色码计算器》，这是专为轴向引线式／通孔色环电阻器设计的。相信这个工具已为不少工程师解决烦恼。这次我们会为大家介绍另外两款代码计算器，《SMD /贴片电阻代码计算器》和《SMD /贴片电容器代码计算器》。
这两款计算器都提供了3个代码格式（3位 EIA 、4位 EIA 和 EIA-96 或 EIA-198 ）。您只需选择代码格式，然后选择电阻或电容器上的表面标记／丝印数字或字母，或者在下方直接输入电阻值或电容值， 反向搜索实际标记／丝印。谨记，在输入值后面选择正确的单位（例如电阻：Ω、kΩ 或MΩ和电容：mF、µF、 nF或pF）。
图 5：「贴片电阻代码计算器」及「 SMD 电容器代码计算器」的单位选项介面
有关3位 EIA 、4位 EIA 及 EIA-96 的应用与示例，技术论坛中「 SMD 电阻代码；表面安装电阻产品丝印」及「解读SMD电阻代码」已有详细描述，欢迎访问及重温。
EIA-198
由于势之所趋，零件的尺寸愈来愈小，甚至表面空间只能够容纳两个代码。所以，EIA-198 零件标记／丝印系统谨使用两个字符代码（一个字母和一个数字），字母代表数值，数字代表乘数。但是，有几项注意事项：
- 该代码系统会区分大小写。您会注意到，系统通过使用一些小写字母，减少混淆情况，例如 I 和 O，它们很容易与1 和 0混淆。
- 电容代码不像其他代码格式一样等同电容值。每个字母代码有相对应的数值，详情可参考下表。
- 请注意 ，虽然该代码系统仍然以「pF」为单位，但该乘数代码与其他两种格式中所使用的代码有所不同，例如代码 「9 」= 「0.1」。
例如：标记／丝印是 「G4」，代码 「G」= 1.8 和 「4」= 104，其电容值就是 「1.8」x 104 = 18000 pF 或 18 nF。
图 6： 贴片电 容 代码计算器」输入「 G4」结果显示
想了解代码数字和乘数字母的详细解释，可参考 Knowles 的 EIA-198 标准丝印与数值对照表。
总结
以上所介绍的小工具只是 DigiKey 工具库中的一小部分，稍后仍然会为大家介绍不同种类的换算器或计算器。虽然这次所介绍的计算器，其表达出十分广泛的数据参考，但是并未有考虑真实的应用问题，例如散热器的电感或热影响、模拟/数位化的接地管理或信号衰减，以及损坏或陈旧的电阻电容识别等。但是在一般情况下，如果善用这些小工具，将会是一个好帮手。工具在手，烦恼没有！得捷电子永远都是您的好伙伴！
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