利用具有緊密元件放置的創(chuàng )造性布線(xiàn)解決方案

2021-06-18

利用具有緊密元件放置的創(chuàng )造性布線(xiàn)解決方案

當在研究實(shí)驗室工作并為我們自制的光學(xué)系統設計 PCB 時(shí)，我的布局又臟又亂。我們不擔心封裝、有限的電路板空間或緊湊的布線(xiàn)等小事。只要我們能夠將所有必需的組件都出現在電路板上，并且最終電路板變成了印刷電路，我們就很高興。

一旦我們的顯微鏡系統變得更加復雜，將我們的高速定制圖像設備連接到我們的顯微鏡意味著(zhù)我們現在必須在狹窄的空間限制內工作，以免我們有巨大的 PCB 和一堆光學(xué)連接掛在一個(gè)更巨型顯微鏡。我們突然被迫想出創(chuàng )造性的組件布局和路由策略，只是為了讓我們所有的組件都適合狹窄的空間。

除非您使用 HDI 板，或者您的設備有一些嚴格的機械限制，否則您可能并不擔心板上的可用空間。隨著(zhù)組件密度的增加和需要更多的連接，您需要使用一些創(chuàng )造性的布線(xiàn)方法和層堆棧，以確保在您的設計規則內操作時(shí)可以放置所有需要的連接。Altium Designer ? 中強大的CAD 和布線(xiàn)工具可以幫助您放置和布線(xiàn)組件，同時(shí)節省可用的電路板空間。

初始原理圖捕獲和布局

在接地平面直接位于頂層信號層下方的多層板上工作可以大大改進(jìn)您的布線(xiàn)策略。如果成本或其他一些限制禁止使用四層或更多層的電路板，您仍然可以使用具有分離電源和接地層的兩層電路板，盡管您的布線(xiàn)可能不會(huì )在所有情況下都那么緊湊。使用多層板可讓您直接在信號下方放置接地層，從而降低 EMI 敏感性。您還可以使用直接連接到接地層的過(guò)孔來(lái)縮短或消除某些連接。

首先，我們要在 Altium 中定義我們的層堆疊。板層堆疊、預浸料、核心和表面材料可以在層堆疊管理器中定義。轉到“設計”下拉菜單，然后單擊“層堆棧管理器”。此對話(huà)框允許您設計自己的堆疊，或者您可以使用“預設”下拉菜單中的模板。下圖顯示了從預設模板創(chuàng )建的四層堆棧。

在 Altium 中定義四層板

此對話(huà)框可讓您更改電路板中的許多材料屬性。這為您提供了顯著(zhù)的可定制性，因為您的真實(shí)電路板可能會(huì )使用FR-4 的替代品作為電路板基材。您還可以在層之間定義鉆孔對，并且可以在當前疊層中添加或刪除層?，F在，我們將堅持使用四層板，以便我們可以根據需要輕松地將一些信號接地。

默認情況下，電路板將僅在“組件側”和“焊接側”層之間定義鉆孔對。在這里，我們要定義“Component Side”和“Ground Plane”層之間的鉆孔對，以及“Component Side”和“Power Plane”層之間的鉆孔對。

Altium 包括許多交互式布線(xiàn)功能，可以輕松開(kāi)始布線(xiàn)您的電路板，尤其是當您使用 FPGA 等高引腳密度組件時(shí)。根據您為電路板定義的層堆棧和鉆孔對，Altium 將決定如何最好地布線(xiàn)您的連接，同時(shí)仍然符合您的設計規則。

捕獲原理圖作為 PCB 布局

一旦定義了電路板堆疊，您就可以將原理圖導入初始布局并開(kāi)始排列組件。我們將使用的原理圖包括一個(gè)連接到 3 個(gè) 1 到 32 解碼器的緩沖器。為簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，我們已啟用每個(gè)解碼器中的所有 1-to-8 部分，但您可以使用第二個(gè)緩沖區或其他電路輕松控制啟用/禁用每個(gè) 1-to-8 部分。

Altium 中包含多個(gè) IC 的示意圖

接下來(lái)，您需要創(chuàng )建一個(gè)新的 PCB 并打開(kāi)它。轉到“設計”菜單并選擇“從...導入更改”。這將打開(kāi)一個(gè) ECO 對話(huà)框，允許您將原理圖中的所有更改導入到空白印刷電路板中。單擊“執行更改”按鈕后，Altium 將檢查錯誤，然后將組件放置在空白 PCB 中。您新創(chuàng )建的布局將如下所示：

Altium 設計規則中的布線(xiàn)寬度規則

現在我們可以開(kāi)始按照我們希望它們出現在板上的方式排列組件。您將有足夠的自由按照您認為合適的方式排列組件，但我們希望將它們排列得盡可能緊湊。這將防止在更高的信號切換速度下過(guò)渡到傳輸線(xiàn)行為，并消除對端接的需要。一種可能的布局如下所示：

我們在完成布線(xiàn)之前的初始 IC 布局。

此時(shí)，我們應該決定是要自動(dòng)還是手動(dòng)進(jìn)行路由。如果計算原理圖中已經(jīng)定義的連接數，您會(huì )看到有 103 個(gè)連接需要在布局中定義。手動(dòng)鋪設所有這些連接將花費大量時(shí)間。相反，我們可以指定一個(gè)路由策略并允許 Altium 在檢查我們的設計規則時(shí)實(shí)施它。

轉到“路線(xiàn)”菜單，然后選擇“自動(dòng)路線(xiàn)”和“全部...”。這將打開(kāi) Situs ? Routing Strategies 對話(huà)框，如下圖所示。您將能夠查看適用于許多不同布線(xiàn)策略的所有適用設計規則。您也可以定義自己的策略。在這里，我們將使用“默認多層板”策略。

Altium 中的路由策略對話(huà)框

單擊“全部路由”按鈕開(kāi)始路由。該工具將需要一些時(shí)間來(lái)執行，因為它需要根據項目的標準設計規則來(lái)評估每個(gè)跡線(xiàn)。工具完成后，組件之間的連接將出現在頂層，您現在可以定義電路板形狀。在實(shí)際應用中，電路板形狀需要更大以容納其他組件，但我們可以了解該電路板占用的空間量。如果您測量電路板，我們會(huì )看到該電路板占地約 5.6 平方英寸。

我們的布線(xiàn)電路板

請注意，將 1 到 32 解碼器中的每一個(gè)交錯排列，為自動(dòng)布線(xiàn)工具提供了足夠的空間在必要的地方放置過(guò)孔，并防止多條跡線(xiàn)重疊過(guò)多。

一種替代的、不太有效的策略

如果我們只對沒(méi)有電源或地平面的兩層板使用默認設置，我們也可以嘗試使用自動(dòng)布線(xiàn)工具對這塊板進(jìn)行布線(xiàn)。嘗試返回到上面顯示的層堆棧管理器，選擇默認的兩層配置，然后創(chuàng )建一個(gè)新的空白 PCB。您現在可以創(chuàng )建與以前相同的布局并使用自動(dòng)布線(xiàn)工具來(lái)放置連接。自動(dòng)布線(xiàn)工具將生成如下所示的布局：

在兩層板上完成布線(xiàn)

此布局占用的面積約為 7.2 平方英寸。使用四層堆疊可使您使用的空間比兩層板少約 24%。由于四層板在頂層正下方包括一個(gè)接地平面，因此與簡(jiǎn)單的兩層板相比，它更不容易受到 EMI 的影響。顯然，創(chuàng )造性的元件放置并不是影響電路板布局的唯一因素；層堆棧起著(zhù)關(guān)鍵作用。

如果您沒(méi)有注意到，使用這種兩層堆疊還需要我們將額外的走線(xiàn)路由到電源/接地總線(xiàn)或單獨的電源/接地點(diǎn)。這會(huì )進(jìn)一步增加所需的印刷電路空間，并且不會(huì )消除這種布局中固有的 EMI 敏感性。

Altium 用戶(hù)友好的工作流管理解決方案從原理圖捕獲到供應鏈的捕獲，可以確保您知道啟動(dòng)任何項目的路徑長(cháng)度。Altium 中高度規則驅動(dòng)的環(huán)境使您可以控制路由策略。將此與高級 CAD 工具和布線(xiàn)功能相結合，您將能夠設計具有任何布線(xiàn)要求的現代 PCB。Altium 中的 CAD 工具和布線(xiàn)功能為 PCB 設計樹(shù)立了新標準。