PCB設計之路已走到盡頭了嗎?

作者 : Bill Schweber,EE Times/EDN/Planet Analog資深技術編輯

在PCB設計的道路上有一處三叉口:一條路通向死胡同;中間的路徑朝向緩慢、穩定且漸進的發展;最後一條路則是某種革命性的途徑…

每個系統和電路設計在尺寸、重量、功率、可靠性、效能和許多其它因素的權衡折衷和選擇之間都是一種調和。畢竟,工程設計的性質大部份就是如此,逐步透過經驗和判斷所產生的確實數字和分析之組合,才能用 於評估、平衡並進行權衡。

在某些情況下,如果當時的一個或幾個目標具有最關鍵性的權重,那麼其它目標可能會在某種程度上被犧牲,以便達到那些最重要的目標。而在其它情況下,權衡折衷和選擇之間的權重與平衡是一種更具反映性和反覆性的過程:「如果能將感測器的精準度提高 15%的話,我們是否應該放棄5%的執行時間?」這就是一種軟性判斷的問題,這種問題通常很難量化,而回答起來更困難。當然了,有許多設計目標只是:一些必須實現的理想目標,而另一些則是設計努力實現,但並不是絕對「必須擁有」(must-haves)的目標。

其中,必須具備的是各種監管和標準組織機構(包括政府和產業)所制定的許多電磁相容性(EMC)、效率和安全指令。與一些彼此妥協讓步的效能目標不同之處在於,其中的許多指令是絕對的:除非完全符合這些指令的要求,否則設計就無法取得批准和認證。在此情況下,除了選擇符合其中一些指令的特殊方法和策略以外,幾乎就沒有什麼「彈性空間」或權衡範圍了。

當我完成《為搭配電源轉換器的1或2層PCB評估EMC放射和接地技術》(Evaluation of EMC Emissions and Ground Techniques on 1- and 2-layer PCBs with Power Converters)十部曲系列文章(由 In Compliance 出版)的最後一部份時,我想到了這個問題(最後一節中也連結到所有前面的九個章節)。在該系列文章中,詳細介紹了與EMC可接受設計有關的許多效能和指令等相關問題,以及與接地有點相關的設計考量(1)。

1必須同時從散熱、配電、EMC域以及其它方面檢視並和評估電路板。(圖片來源:Electronic Concepts and Engineering, Inc.; Open Airbus Cockpit; ResearchGate)

閱讀這一系列文章既令人興奮,有時也讓人沮喪。之所以令人興奮,主要是因為它展現了三位作者在理論、實務、測量等方面的理解和解釋程度。善加利用此一洞見,設計人員應該更能為電源、接地和直流/直流(DC/DC)開關穩壓器設計更好的佈局,以滿足系統性效能的需求並通過認證。至今看來,一切也都很順利。

然而,這篇文章也令人擔心:它讓我更加意識到對設計的許多期望,並進而延伸到對設計團隊的期望。如今有許多最佳實務和經常互相矛盾的指導原則需要遵守,而且有時候做好事也會產生負面效應,因此必須先進行更多權衡取捨。其中一些指令是由物理定律和馬克斯威爾方程式(Maxwell’s Equations)所定義的,而其它指令則是由立意良善的監管合規標準所定義。在許多情況下,您需要一位合規專家來指導您瞭解、依循並超越各種令人眼花撩亂的標準。

以上引用的文章涉及相對簡單的單面和雙面PCB,但現在有許多設計都建構在具有四層、八層或更多層的PCB上。從某些方面來看,提供更多層使其更易於符合EMC和接地的規定,因為接地層(ground plane)和其它有利的部份會有更高的自由度;但在其它方面,擁有更多層的PCB使得設計複雜化,因為設計時還必須因應訊號路由、電流、放射源和放射敏感拾取點(pickup point)而添加更多路徑。

當然了,如今需要更多的電路和PCB設計。我們通常使用尺寸適中的PCB來處理數十和數百安培(amp)的電流,如此必然會帶來電壓降(IR drop) 和連接阻抗的問題。此外,幾乎所有的供電電流都會轉化為熱量,因此將所有熱量耗散到那個所謂「遠離」的神奇、神祕之處時也會帶來熱問題。

有些時候,我擔心會用盡可執行的空間。對PCB設計提出的多項要求——DC電氣、訊號完整性、EMC、散熱、隔離、爬電距離(creepage)/間隙(clearance),將會產生零測集(null set),或者需要對功率級、電路密度、熱密度、EMC效能、尺寸等很多方面做非常大的妥協。

無疑地,認為我們已經達到提供的極限而無法更進一步的想法,這在工程方面並不是新鮮事。其實,我們總是能夠找到方法,以新的材料、技術、元件和其它創新來克服此種情況。畢竟,這就是高登·摩爾(Gordon Moore)在每個主要節點的「定律」(其實是一個聰明且有先見之明的假設,但很遺憾地,它並不是定律)。也許工程的必要性有點像愛爾蘭作家Samuel Beckett在其於1953年的小說《無以名狀》(The Unnamable)中最後結尾所寫的那樣:「…你必須繼續。我無法繼續。我會繼續。」或者可能是美國工程師兼作家Samuel C. Florman在他名為《工程學的存在主義之樂》(The Existential Pleasures of Engineering)的著作中所指的內容。

儘管如此,在某些時候還是需要激進的新方法。目前,我並沒有看到任何這樣的突破,也沒有看到設計師停止嘗試以更高頻率和耗散的方式,將更多元件和更多功能安裝到這些PCB之上。也許在PCB的這條道路上有一個三叉處:一條路通向死胡同,那我們就得停下來;中間的路徑朝向緩慢、穩定且漸進的發展;最後的一條路則是某種革命性的途徑,例如轉而使用低功耗且沒有EMC問題的全積體光學(integrated optics)。

您對當前或未來的PCB設計有何看法?我們是否正逐漸接近可利用科技實現的極限?未來的道路有沒有可能是由一連串小步驟達到穩定的進展?或者,我們還沒真正看清楚的一些突破技術可望在未來改變整個情況,並實現重大進步,就像從手工放置的元件和手工佈線的電路系統,逐漸轉變到取放(pick and place)以及PCB所實現的情況一樣?

(參考原文:End of the road for PC board design?,by Bill Schweber)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年5月號雜誌

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