引言
從產品構思、理論及電路設計、零件選擇到製作實體等，每個步驟都是環環相扣的，看似電路圖設計完美及選料已確定，最後在製造印刷電路板（PCB）時，往往會遇上不少限制和困難，到底是在哪一個步驟出錯呢？ 是要重新選料還是重新設計呢？ 在 DigiKey 強大的工具庫中，只要善用一些小工具，減少失誤及煩惱，電子及工程學也會變得得心應手喔。 接下來，我們會介紹幾個設計階段的小工具，可以幫助您輕鬆製造產品。
印刷電路板（PCB）設計
透過免焊式試驗電路板進行電路模擬測試後，下一步就是 PCB 的電路設計啦。 PCB 由絕緣層和銅箔層組成的夾層板，其中包含導通層、訊號層、電源層或接地層，設計佈線和電路同樣要求嚴格，需要考量系統的整體性，同時要了解電路特性從而作出相對應的電路設計。 了解佈線特性可協助工程師很快決定 PCB 的電路和板層的需求。 您可以參考以下兩個不同系統在 PCB 設計時的檢查表喔。
首先，以下是一個使用 12-BIT 微控制器感測系統，其線路包含類比數位（A/D）轉換、LCD 顯示器及5V 外接電源。 雖然載流不高，但類比數位電路的佈線設計需要獨立分隔，檢查表如下。
-
檢查裝置與連接器的位置。 確保高速裝置和數位裝置靠近連接器。
-
最少要有一個接地層（Ground Plane）在電路板上。
-
讓電源佈線比電路板上的其他佈線更寬。
-
檢查電流返迴路徑並尋找接地連接上可能的雜訊。
-
正確繞過所有裝置。 將電容器盡可能放置靠近裝置的電源接口。
-
讓所有佈線盡可能短。
-
追蹤所有高阻抗佈線，尋找佈線之間可能存在的電容耦合問題。
-
確保正確過濾混合式訊號電路中的訊號。
（資料來源: Microchip）
還有製造一個使用 MOSFET 的高電流電源控制器，在 PCB 電路設計的一些基本規則。 由於不同的線路區域有不同的載流要求，也可在考量成本效益，作為區別不同區域的電路設計。
• 為插槽設計供電時，零件應集中放置在一起。
• 向負載提供足夠的電流。
• 確保負載和偵測電路的抗噪性。
• 電流感應的考量。
• 升溫考量。
• 考量佈線阻抗，減少對高電流軌道組的降額影響。
（來源: Texas Instruments）
從以上兩種不同類型的產品設計，可以看到對佈線的寬度考量、溫度變化、載流能力和阻抗值等，都是有一定的要求喔。 接下來，我們會介紹以下一些關於 PCB 設計的小工具，可以協助您快速計算所需的佈線寬度和阻抗。
圖1 ：「DigiKey 的線上換算器」介面
此工具所使用的公式參考 IPC-2221 規範，計算印刷電路板銅導線或「走線」所需的寬度，以承載指定電流，同時讓走線的溫升持續低於指定限制值。 若有提供走線長度，亦可計算出走線電阻的總電阻值、壓降、功率損耗。 首先，利用公式（1）計算面積（Ａ）：
IPC-2221 規範中，內層時，k = 0.024、b = 0.44、c = 0.725Z；外層時，k = 0.048、b = 0.44、c = 0.725，其中k、b、c 為曲線至擬合 IPC-2221 曲線所得的常數。 然後，利用公式（2）計算寬度（W）。 （注意：電路板內層走線比板外平面走線所需的寬度大很多。）
只要在計算機上方輸入所需數值，很快就會得出內層走線及接觸空氣的外層走線，所需的走線寬度(W)、電阻值、壓降和功率損耗，兩種走線設計的計算結果會並列比較。 以上述的電源控制器為例，假如設定載流要求（I）為0.8A、環境溫度為25°C、銅層厚度（t）為0.035mm （例如 MG Chemicals 的 587 型號原型開發板 ， 1oz 雙側包銅）、溫升（TRise）為10°C，以及印刷線長度則為10”（ 以在6”4” 的PCB 上走線未靠近或位於散熱器區域上方的預計長度）。
圖2 ：「PCB 走線寬度計算器」輸入界面
計算結果如圖3所示：
圖3 ：「PCB 走線寬度計算器」的計算結果顯示
由此得出的結果只是估計值，實際結果可能隨應用情況而有所不同。 內層和外層兩邊同時顯示，形成強烈對比，既方便工程師設計佈線的同時，也可以為您提供經濟效益的考量，因為使用內層走線的壓降及功率損耗會較低，其寬度要求比較 大，成本會比較高。 您也可以因應您的要求隨時修改參數值，結果會立刻更新，易於比較。
另一個小工具是 IPC-2141 走線阻抗計算器，這個計算器將有助於更輕鬆地製作初期設計，只需輸入基本參數並根據 IPC-2141 標準計算阻抗，為您減少複雜的計算。 而且，這個計算器還有一個賣點，就是包含了「微帶線」、「嵌入式微帶線」、「邊緣耦合微帶線」、「帶狀線」、「非對稱帶狀線」、「寬 邊耦合帶狀線」及「邊緣耦合帶狀線」7種普遍的走線類型選項。 各走線類型對應的計算公式和走線平面圖會顯示在計算器介面內。 各走線類型的定義於表一列出。
| 走線類型 | 圖例 | 描述 |
|---|---|---|
| 微帶線 |  |
是指一個簡單雙面 PCB 設計，一面為接地層，中間是介質層，而另一面則是訊號走線，用於控制阻抗。 這種幾何形狀被稱為表面微帶，或更簡單地稱為微帶。 |
| 嵌入式微帶線 |  |
結構與微帶線類似，只是將訊號走線置於介質層中間。 嵌入式有較高保護，低阻抗，但較難解耦，及阻抗值偏低，影響匹配。 |
| 邊緣耦合微帶線 |  |
普遍用於差分電路，例如低壓差分訊號。 此走線設計具有降低電磁干擾的一些優點。 相反的低壓差分訊號電流產生的電磁干擾場往往會互相抵消。 |
| 帶狀線 |  |
現時的 PCB 設計大多數都是多層 PCB。 帶狀線這種佈置是將訊號走線嵌入電源層和接地層之間。 低阻抗交流接地層和嵌入的訊號走線形成對稱帶狀線傳輸線。 |
| 非對稱帶狀線 |  |
非對稱帶狀線與帶狀線類似，只是將介質層中的訊號走線靠近其中一面導電層，與接地層和電源層形成不對稱的距離，一般會將訊號走線靠近接地層。 |
| 板側耦合帶狀線 |  |
常用於擁擠的 BGA 區域，由兩條寬度、跡線間距和距導電層距離相等的平行走線組成。 對於在相鄰訊號層上佈線的差分對走線，如果存在任何走線重疊，寬邊耦合將會更強。 |
| 邊緣耦合帶狀線 |  |
由兩個訊號走線組成，兩個訊號走線都是對稱帶狀線，走線之間存在一些耦合，指在同一訊號層上佈線的兩個差分對。 |
表一 走線類型對應表
實例示範
在計算器上選定走線類型後，只要輸入所需參數，便可得出目標阻抗。 當決定使用接觸空氣的外層走線時，如何解算「阻抗值」呢？ 已知的參數如下：
• 走線寬度（w）= 8.693 mil、走線厚度（t） = 0.035 mm、板高度（h） = 0.79 mm
• 介電常數（εr）= 4.2（ 參考規格書，Dielectric Constant @1 GHz）
最後得出目標阻抗（Zo） 為 = 114.0170 Ω
圖4：「IPC 2141 走線阻抗計算器」的計算結果顯示
此工具還有另一個好處，就是可以反向求解「走線寬度」。 例如需要找出較易匹配的 50 Ω 走線寬度，再配合使用 PCB 走線寬度計算器，便能有效找出最合適的走線類型及印刷電路板PCB的要求。
SMD/表面黏著代碼計算器
當印刷電路板PCB設計完成，選好BOM物料後，購買零件是其中一個重要環節，但也有不少工程師會沿用舊的，或者是原有零件以節省成本。 但是，辨識零件是相當麻煩及費時的工序，一般會利用表面標記作為辨別零件的方法。這次我們會為大家介紹兩款代碼計算器，《SMD/表面黏著電阻代碼計算器》和《SMD/表面黏著電容器代碼計算器》。除此之外，另有一個《電阻色碼計算器》，這是專門為軸向引線式/通孔式色環電阻而設計的。 稍後時間會再為大家詳細介紹喔！
這兩款計算器都提供了3個代碼格式（3位 EIA、4位 EIA 和 EIA-96 或 EIA-198）。 您只需選擇代碼格式，然後選擇電阻或電容器上的表面標記數字或字母，或者在下方直接輸入電阻值或電容值， 反向搜尋實際零件標記。 請注意，在輸入值後面選擇正確的單位（例如電阻：Ω、kΩ 或 MΩ 和電容：mF、µF、 nF 或 pF）。
圖5：「SMD 電阻代碼計算器」及「SMD 電容代碼計算器」的單位選項介面
有關3位EIA、4位EIA及EIA-96的應用與範例，技術論壇中「識別Yageo AC0603FR-071K21L 表面黏著電阻上的標記」及「解讀SMD電阻代碼」已有詳細描述，歡迎造訪及重溫 。
EIA-198
由於勢之所趨，零件的尺寸愈來愈小，甚至表面空間只能夠容納兩個代碼。 所以，EIA-198 零件標記/絲網印刷系統謹使用兩個字符代碼（一個字母和一個數字），字母代表數值，數字代表乘數。 但是，有幾項注意事項：
• 此代碼系統會區分大小寫。 您會注意到，系統透過使用一些小寫字母，減少混淆情況，例如 I 和 O，它們很容易與1 和 0混淆。
• 電容代碼與其他代碼格式不一樣，並非等同電容值。 每個字母代碼有相對應的數值，詳情可參考下表。
• 請注意，雖然代碼系統仍以「pF」為單位，但該乘數代碼與其他兩種格式中所使用的代碼有所不同，例如代碼 「9」= 0.1。
例如：標記是 「G4」，代碼為 「G」= 1.8 和 「4」= 104，那麼電容值就是 1.8x 104 = 18000 pF 或 18 nF。
圖6：「SMD 電容代碼計算器」輸入「G4」結果顯示
想了解代碼數字和乘數字母的詳細解釋，可參考Knowles 的 EIA-198 標準標記與數值對照表。
總結
以上介紹的小工具只是 DigiKey 工具庫的一小部分，稍後仍會為大家介紹不同種類的換算器或計算器。 雖然這次介紹的計算器，其表達出十分廣泛的數據參考，但是並未有考慮真實的應用問題，例如散熱器的電感或熱影響、模擬/數字化的接地管理或信號衰減，以及損壞或陳舊 的電阻電容識別等。 但是在一般情況下，如果善用這些小工具，將會是個好幫手。 工具在手，煩惱沒有！ 得捷電子永遠都是您的好夥伴！
更多有關 PCB 設計及電阻器電容器確認的技術資訊, 請點擊以下超鏈結參考，也歡迎大家隨時發佈留言。