在现代电子设计中，保持PCB信号完整性是一项越来越具有挑战性的任务。物联网和人工智能的发展推动了对小型化和高性能这二个看似矛盾的需求。芯片越来越小，而其活动却越来越多——这正是产生干扰的完美诱因。
虽然解决这个障碍可能很困难，但并非不可能。您仍然可以通过遵循一些最佳实践来确保PCB的功能。
确保PCB信号完整性从材料选择开始。从元件到基板，所有组件都必须使用能够最大限度减少信号损失的材料，同时还要能够承受潜在的恶劣工作环境。
一般来说，PCB材料应具有较低的介电常数，以防止高频干扰。在最终使用环境中考虑此类材料的特性也很重要，因为某些条件可能会影响其性能。例如，高湿度可能会导致某些聚合物吸收水分，从而增加其相对介电常数。
最近的研究为该领域的重大突破铺平了道路。现在，一些尖端聚合物可以实现10GHz下低至0.001的耗散因数。不过请注意，这些材料中性能最高的材料可能不太容易获得，会导致设备成本上升。
防止信号丢失的另一种策略是使走线保持较小。路径越宽，基板上留下的空间就越小，从而更容易产生干扰。同样，长走线会增加导电面积，从而增加串扰的风险。
将相互连接的元件靠近放置，有助于最大限度地减少线路长度。纵向思考而不是水平横向思考也能产生类似的效果，因为向上的路径可能比横向路径短。此外，可以尝试3D打印电路而不是依赖传统制造，因为3D打印机可以直接在基板上打印而无需开槽，从而实现更小的宽度。
切记要考虑回路的大小，而不仅仅是单个走线。保持返回路径和信号走线靠近，并尽可能避免分支。
随着PCB变得越来越复杂，正确接地的重要性也随之上升。虽然单点接地可能适用于低频应用，但当今的设备通常需要更大的多点接地平面。
使用专用接地层可提供一种简单的信号分离方法，从而防止电磁干扰(EMI)。它还能通过在整个电路板上提供均匀的电流分布来实现内置热管理。使用此策略时，您可能需要将直流和交流或模拟和数字信号的接地分开，但要避免分路接地，因为分路接地会影响信号完整性。
同样，去耦电容也要合理使用。为了获得最佳效果，请将它们放置在靠近信号源的位置，并放置在信号连接到接地平面之前的位置。在高频应用中，您可能还需要将去耦电容器与电阻器配对使用。
热管理是维持PCB信号完整性的另一项关键策略。在当今的市场上，由于设备外形尺寸小，不可能使用笨重的散热片，因此这也是一项挑战。
使用导热系数低的材料会有所帮助，尤其是当您的PCB在狭小空间内使用大功率元件时。您不一定非得使用散热器，您也可以创建热通孔以将高温从敏感区域散发出去。这样做的同时将大功率元件之间的间距拉大，会产生更好的效果。
即使设备太小而无法安装风扇，也要留出空间让PCB上气流均匀。将高热元件放置在电路板末端，使其更靠近通风口，可最大程度发挥此类设计的优势。散热绝缘体和导热垫也可能是一种选择。
高频PCB也需要EMI屏蔽。去耦和接地将减少电路周围的EMI，但仅靠它们不足以在敏感应用中保持信号完整性。在其他通信技术环境中运行的设备需要更强大的抗EMI保护。
EMI屏蔽中最重要的考虑因素之一是屏障的材料。高导电性金属网笼在行业内经常使用，且价格实惠，但可能不适合较小的设备。在这种情况下，弹性体或泡沫绝缘材料可能是更好的选择。
在某些情况下，您可能需要对EMI进行滤波，而不是完全屏蔽它。单相滤波器通常适用于消费电子产品，但高功率设备(许多在极端环境下使用的电子设备)可能需要三相滤波。
不管你如何处理这些其他因素，你都必须在最终确定设计之前对其进行测试。这包括仿真和实际物理试验。
如今，许多数字设计平台都包含EMI、热管理和阻抗仿真器。对这三个方面进行分析，可以最全面地了解PCB设计的性能。请记住留出容错空间，因为设备的最终用途可能会引入仿真环境中无法看到的影响信号的条件。
某些市场还要求进行全面的物理测试。例如，军用级设备的MIL-STD-810标准要求将设备暴露在直射阳光、极端温度、物理冲击和其他压力下，以验证其完整性。您可能需要与第三方测试机构合作进行此类评估，但它们可以更好地了解您的设计在现实世界中的性能。
考虑到所有这些因素可能具有挑战性。但是，您可以利用新技术让自己更轻松。人工智能设计工具正变得越来越普遍，它可以突出显示效率低下或潜在的改进位置，而手动方案可能会忽略这些地方。
借助人工智能，一些公司在短短10天内就将芯片性能提升了14%，同时降低了功耗。如果采用传统方式，实现这样的提升需要花费更多的时间和昂贵的测试费用。
请记住，AI并不完美。它需要经过彻底的训练才能产生可靠的结果，并且仍然会犯错。因此，在使用AI助手完善设计后，您仍应验证PCB信号完整性。但是，它们可以节省您的时间，并让您更轻松地找到完善布局的方法。
随着最终用户寻求在更广泛的操作环境中使用功能更强大的设备，PCB信号完整性将变得更加重要，但维护起来却更具挑战性。在这种趋势下，适应性至关重要。记住这七个最佳实践，并紧跟材料和资源创新的步伐，使您的PCB设计尽可能可靠。
(原文刊登于EDN姊妹网站Embedded，参考链接：Designing PCBs to Protect Signal Integrity in Challenging Environments，由Ricardo Xie编译。)
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