详解PCB设计中，3W原则、20H原则和五五原则

‌3W原则‌是指在PCB设计中，为了减少线间串扰，应保证线间距足够大，即两根线之间的中心距离不少于3倍线宽。这个原则特别适用于高速信号线，如时钟线、差分线、视频、音频信号线、复位信号线等。满足3W原则能使信号间的串扰减少70%，而满足10W原则则能使信号间的串扰减少近98%。需要注意的是，3W原则的成立与电路板的物理因素有关，如叠层高度和导线线宽。对于不同的PCB层叠结构和线宽，3W原则的适用性可能会有所不同‌。

‌20H原则‌关注的是电源层与地层之间的边缘辐射效应。在PCB设计中，将电源层内缩相当于两个平面间层距的20倍，可以有效抑制边缘辐射效应，提高EMC性能。若内缩20H，则可以将70%的电场限制在接地边沿内;内缩100H，则可以将98%的电场限制在内。这个规则在特定条件下效果明显，包括电源总线中电流波动的上升/下降时间要小于1ns，电源平面处在PCB的内部层面上，并且与它相邻的上下两个层面都为0V平面‌12。

‌五五原则‌指的是当时钟频率达到5MHz或脉冲上升时间小于5ns时，PCB板应采用多层板设计。这一原则的核心在于，随着信号频率的提高和信号上升时间的缩短，单层或双层板可能无法提供足够的信号完整性，因此需要通过增加层数来改善信号传输性能和降低干扰。多层板设计可以更好地控制电磁干扰，提高EMC性能‌。

PCB设计是必备技能之一，在PCB设计中，我们经常会遇见很多重要原则，来确保电路运行的稳定性和可靠性，其中最常见的莫过于3W原则、20H原则和五五原则，那么你知道它们的区别及优缺点吗?

1、3W原则

简单来说是PCB设计中最小线宽(Width)的原则，规定了导线之间的最小距离，以此确保电路板在工作时不会产生EMI问题，需要注意的是，在高速电路中3W原则非常重要。

尤其是以下场合应特别注意：

①导线间距小于0.3mm;②传输信号频率大于100MHz;③元件引脚间距小于1.5mm。

2、20H原则

20H原则是PCB阻抗控制的重要原则之一，规定了导线和板材之间的阻抗匹配，以此确保信号传输的质量和完整性，导线的宽度和板材的介电常数都会影响阻抗匹配。

在以下场合应需要特别注意：

①传输信号的频率大于1GHz;②对信号完整性要求较高的电路板;③需要进行阻抗控制的电路板。

3. 五五规则

电路布局和信号完整性优化：

描述：五五规则建议使用最小的线宽和线间距，通常为5mil，以优化PCB布局密度和信号传输性能。

应用场景：广泛适用于模拟电路、数字电路和混合信号电路的设计中，特别是需要高密度布局和高频率信号传输的应用。

操作方法：

线宽和线间距设置：根据电路的复杂性和布局要求，选择合适的线宽和线间距。通常采用最小的线宽和线间距，以增加布局的灵活性和元件的密集度。

信号完整性分析：利用仿真工具或实测方法，分析和优化信号线的布局，减少串扰和信号损失，提高信号传输的精确性和稳定性。

制造成本控制：通过优化PCB的布局设计，减少层次和材料成本，以降低整体制造成本。

示例：在设计一款高性能数字信号处理器的PCB时，工程师采用五五规则来优化数字信号的布局，确保信号线之间的良好隔离和最小的信号传输损失，同时保持高密度布局和高性能要求。

通过以上扩展，我们更详细地理解了3W原则、20H原则和五五规则在不同电路类型中的具体应用场景和操作方法，帮助工程师在实际设计中更有效地优化电路性能、提高可靠性和降低制造成本。

五五原则的重要性

信号完整性

在高速信号传输中，信号完整性是一个关键因素。五五原则通过推荐使用多层板，有助于减少信号传输中的反射和串扰，从而维护信号的完整性。

电磁兼容性(EMC)

多层板设计可以更好地控制电磁干扰，提高电路的电磁兼容性。在高速或高频应用中，遵循五五原则有助于减少电磁辐射和敏感度问题。

带宽与上升时间的关系

根据五五原则的上升时间5ns，我们可以使用经验公式BW = 0.35/Tr 来计算带宽BW。

将Tr = 5ns代入公式中，计算得到：

BW=0.35/Tr=0.35/5=0.07 GHz

将GHz转换为MHz(因为1GHz = 1000MHz)，我们得到：

BW=0.07×1000 MHz=70 MHz

所以，上升时间为5ns的信号的带宽BW大约是70MHz。

另，上升时间(Tr)通常定义为信号从最大稳态值的10%变化到90%所需的时间。

如何使用

3W原则、20H原则和五五规则适用于不同类型的电路。例如：

在功率电子电路中，3W原则尤为重要，因为它关系到电路的散热性能和稳定性。

而在高速数字电路中，20H原则的应用则更加关键，以确保信号传输的准确性和可靠性。

五五规则则广泛适用于各种电路类型，帮助工程师优化元件布局和走线设计，提高电路的整体性能。