在布局过程中才发现层数不足以正确完成设计，是工程师面临的常见挑战。对于复杂电路板，应如何进行布局规划以避免返工？本文将探讨布线开始前必须解决的基础规划问题。
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正确完成布局需要多大的物理面积（通常与元器件和引脚数量相关）？
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如何利用原理图指导器件布局决策，并在布线前避免干扰？
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何种情况下需采用接地树而非接地平面？
有一些在线工具可帮助估算PCB面积和所需的信号层数。其中多数工具会需要以下信息：
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元器件和引脚总数是多少？
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过孔焊盘环宽和钻孔尺寸是多少？
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允许的最小走线宽度是多少？
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功能电压间距的要求是什么？
此类在线工具虽然有帮助，但不够全面。此类工具大多未考虑散热要求、特定网络的载流能力、因功能或安全间距要求而增加的电压间距，也未将避免高敏感电路串扰所需的额外设计技术和间距纳入考量。简而言之，此类工具对实际应用场景一无所知。本文将提供一套指导流程，协助设计更优质的PCB。
从原理图到布局
原理图设计始终处于首位，设计人员应透彻理解原理图内容及电路内部工作原理。这一点至关重要，怎么强调都不为过。
如前所述，电路板面积和尺寸通常取决于元器件和引脚数量，而叠层结构则由网络或传输线的数量及其功能决定。原理图（或设计方案）应明确上述约束条件，但实际情况并非总是如此，有时可用空间极为有限。在原理图中布置元器件时，应反映实际布局需求，或至少在原理图中添加相应注释以辅助布局。需要紧凑布置的节点应在原理图上标注为紧凑，需要靠近的电路应在原理图上就近放置。诸如此类的做法将有助于后续的器件布局工作。有些设计（如射频或高速数字电路）需关注物理距离（传播延迟）或其他模拟特性（例如精密模拟电路）；而在其他设计中，电路元器件可视为集总元件，物理距离不再重要。所有上述细节均应以适当方式标注在原理图上，以明确从原理图过渡到PCB设计时的关键要素。
器件布局与布线
在一定程度上，布局方案也会影响原理图设计，比如当需要克服低层数板带来的设计妥协，或进行多板设计（包括板对板连接器）时。差分信号的应用即为典型案例（图1）。此项技术常用于需长距离传输的模拟或数字信号，例如电缆传输场景。在这项技术中，正负信号同时通过电缆传输（除地线外）。各信号产生的位移电流在地线上相互抵消，从而形成几乎不受共模干扰或电磁干扰(EMI)影响的通信路径。同样的技术也可用于PCB上的短距离传输，以保持接地完整性，适用于精密或敏感模拟 信号，或在PCB走线距离过长时使用。
图1. 在PCB上实现差分信号的两种不同方式
图1a中，两条等长的互补信号线并行布设，共用同一接地平面。图1b中，信号线分布于不同层，由接地平面分隔。由于各信号的物理位置几乎相同，耦合的干扰信号也应一致。因此，差分信号可有效抑制耦合噪声。
有时无法完全消除地线中的电流，此时需将接地平面分割为多个区域，或改用接地树结构。是否有必要采用上述方法取决于布局的几何形状。为便于实施，可修改原理图以分离地线：保持同一网络，但使用不同的地线符号（如gnd1、gnd2、gnd3等），从而强制在布局中实现地线分离。
接地树与接地平面
自然界总是倾向于从源端获取最少能量（无论是存储还是耗散）。对于接地平面上方走线中的交流信号，信号地回流电流始终沿信号走线正下方的地平面流动。原本仅依据法拉第定律即可完成电磁场限制的目的，但信号走线周围仍设有完整的接地平面（带状线设计则有两个接地平面）。实心接地平面可提供更优的高频去耦性能（即在更高频率下提供更低阻抗的电源），且大面积铜箔能更有效地限制直流和交流电磁场。
既然如此，为何还要使用接地树结构而非接地平面？图2和图3展示了这两种方法，并附有描述有损传输线阻抗的公式。
先来看这个公式，在直流条件下(ω = 0)，线路的阻抗是√((R/G))（即损耗部分）。对于电流回流路径，1/G同样代表电阻，因此电流沿最小电阻路径回流，充分利用所有可用铜箔。此现象本质上是自然界在最小化能量。在此低频情况下，I2R损耗消耗的能量远大于接地回路电感存储的能量。当ω = 0时，直流回流电流不再局限于信号走线正下方区域，铜箔中的电流流动会在接地平面上产生电压降。
图2. PCB接地树接地方法
构建接地树时，应从变压器开始，优先引导噪声最大的电流回流（图2）。随后，继续将其他接地回流电流汇入以测量地为终点的分支。此方法可将接地噪声和误差转换为易于抑制的共模信号。注：为适应元器件位置，某些分支可能较长。最后可在所有分支上铺设接地铜箔，在不影响此方法有效性的前提下降低电源阻抗。
图3. PCB接地平面方法
先将接地平面的两侧分别指定为相邻信号层的专用回流路径。若未采用接地树结构，低频下接地电流噪声源转化为共模误差还是差模误差，将完全取决于元器件布局。
而在高频下，电感限制了总电流幅值，因此减少储能成为降低源端能量提取的关键参数。
在低频下，上述电流引起的接地电压降可能导致测量误差，具体取决于元器件布局及关键测量的接地参考点位置。由此可见，接地点的电位并非处处为零。
接下来分析图3所示的接地平面布局。此方法通过控制回流电流路径，确保大电流不会产生可被检测到的电压降。
在原理图中，可对每个分支进行差异化标记，以强化PCB中的架构设计。实际上，采用接地树会显著增加布局工作量，因为仍需为所有传输线提供受控（且狭小）的场空间，以限制交流电磁场。图2中所示的所有接地铜箔填充均为解决此问题所必需。
结语
布线前的决策决定了后续设计的成败。通过调整原理图以满足布局需求，并尽早选择合适的接地架构，可为电路板按预期运行奠定坚实基础。无论设计中采用实心接地平面还是精密控制的接地树，目标始终一致：限制电磁场、控制回流电流、防止噪声耦合至敏感节点。
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