優(yōu)化數字電路的 PCB設計規則

2021-10-13

優(yōu)化數字電路的 PCB設計規則

在電路板上緊密放置的組件

任何布置過(guò)印刷電路板的人無(wú)疑都熟悉 PCB設計規則和約束。早期在 PCB設計 CAD 工具的開(kāi)發(fā)中引入的規則和約束最初使設計人員無(wú)法將不同的網(wǎng)絡(luò )短接在一起，但僅此而已。雖然這在當時(shí)是一個(gè)巨大的幫助，但 PCB設計人員繼續要求在他們的設計規則中提供更多功能，以涵蓋他們正在使用的不同類(lèi)型的電路配置。

在當今的 CAD 系統中，設計規則和約束已得到增強，可為設計人員提供他們所需的控制類(lèi)型。這是一種令人欣慰的解脫，因為設計人員經(jīng)常發(fā)現自己在處理將電源、模擬、RF 和數字電路都集成在同一塊板上的復雜設計。在本文中，我們將探討與數字電路的 PCB設計規則相關(guān)的一些要求，以及如何為您的下一個(gè)布局最好地優(yōu)化這些規則。

數字電路的電氣和制造要求

為了使電路板能夠以電氣方式運行并無(wú)錯誤地制造，它必須根據一組特定的規則進(jìn)行設計。這些規則不僅控制電路板上不同元件的大小和形狀，而且還強制要求元件之間的間距。受這些設計規則約束的元素可以包括組件、連接組件之間網(wǎng)絡(luò )的走線(xiàn)，以及連接電路板不同層之間走線(xiàn)的過(guò)孔。

元件放置

電路板上的部件需要有策略地放置，以提供它們之間的最佳連接長(cháng)度。在處理高速設計時(shí)尤其如此，其中多個(gè)組件可能是整個(gè)高速信號路徑的一部分。其他組件（例如旁路電容器）需要靠近分配給它們的設備上的電源引腳放置，并且電源組件需要彼此盡可能靠近。

盡管這些放置要求彼此接近，但仍需要對零件進(jìn)行定位，以最好地促進(jìn) PCB制造。電路板元件之間需要有足夠的間隙，以進(jìn)行自動(dòng)化組裝、焊接工藝和手動(dòng)返工。連接器和其他人機界面需要可訪(fǎng)問(wèn)性，并且部件的放置也必須牢記熱冷卻。

跟蹤路由

印刷電路板上的差分對布線(xiàn)

盡管可以使用默認值處理很大一部分電路板的走線(xiàn)布線(xiàn)，但許多網(wǎng)絡(luò )將需要唯一的走線(xiàn)寬度和間距值，包括以下值：

差分對路由： 差分信令需要兩個(gè)相同的信號，一個(gè)被反轉，才能傳輸一個(gè)完整的數據信號。信號的信息是從反相和非反相信號之間的差異中破譯出來(lái)的。這會(huì )降低噪聲和 EMI，但要求兩條信號走線(xiàn)長(cháng)度相等，寬度和間距一致（如上圖所示）。

時(shí)鐘和數據線(xiàn)：時(shí)鐘信號協(xié)調電路的活動(dòng)，它們的脈沖將觸發(fā)數據的輸入和輸出。這需要這些敏感線(xiàn)和其他信號之間有足夠的間距以及特定的走線(xiàn)長(cháng)度，以確保時(shí)鐘線(xiàn)和數據線(xiàn)相互匹配。

阻抗控制路由：高頻走線(xiàn)中的電容和電感會(huì )阻礙信號的電流流動(dòng)，并會(huì )降低信號質(zhì)量?？刂七@一點(diǎn)需要電路板疊層中的特定層厚和介電材料、精確的走線(xiàn)寬度和厚度，以及靠近相鄰參考平面層上的信號返回路徑。

過(guò)孔

使用不同尺寸和形狀的過(guò)孔取決于它們所使用的網(wǎng)絡(luò )。例如，電源和接地網(wǎng)絡(luò )通常需要比常規信號網(wǎng)絡(luò )更大的過(guò)孔。過(guò)孔的類(lèi)型也各不相同，高速布線(xiàn)使用較小的盲埋孔或微孔來(lái)實(shí)現物理空間和電氣性能。

這些不同的電氣和制造要求可以通過(guò)在 PCB布局工具中設置的設計規則來(lái)控制（如下圖所示）。但是，設計中還有更多的要求需要考慮。

如何在數字電路的 PCB設計規則中設置差分對布線(xiàn)的示例

電源、接地和參考平面

根據電路的要求，電源和接地走線(xiàn)最終可能有幾種不同的走線(xiàn)寬度和間距值。例如，數字電路板上電源內的布線(xiàn)可能需要異常寬的走線(xiàn)來(lái)處理增加的電流和溫度。寬走線(xiàn)還將通過(guò)降低電感和控制串擾噪聲來(lái)幫助電路板的電源完整性。

雖然會(huì )有必須控制寬度和間距的短連接跡線(xiàn)，但多層電路板上的大部分功率將通過(guò)覆銅和金屬平面層傳導。還必須對這些進(jìn)行控制，以確保您的供電網(wǎng)絡(luò )(PDN) 為所有必要組件提供清潔電力。幸運的是，這些電源布線(xiàn)寬度和平面連接都可以通過(guò)設計規則進(jìn)行控制（如下所示）。

為 PCB設計中的電源和接地設置規則和約束

PDN 的另一個(gè)重要部分是板層堆疊中的接地層。這些層對于電路板的信號和電源完整性至關(guān)重要，并提供以下好處：

清晰的返回路徑：為了消除漂移信號返回產(chǎn)生噪聲的機會(huì )，接地參考平面為高速信號提供了清晰和直接的返回路徑。

EMI 屏蔽：接地層還提供屏蔽以保護敏感電路免受外部電磁干擾的威脅。

過(guò)濾開(kāi)關(guān)噪聲：當數字電路在高低狀態(tài)之間切換時(shí)，它們會(huì )在接地電路中產(chǎn)生另一個(gè)噪聲源。通過(guò)使用大金屬平面，與使用跡線(xiàn)布線(xiàn)接地相比，平面的較低阻抗將降低噪聲。

散熱：接地層還可以用作散熱器，幫助散發(fā)熱運行組件的熱量。

電源層和接地層的另一個(gè)重要部分是控制與散熱墊的連接。這些輻條形元件可防止大金屬平面充當焊接工作的散熱器，同時(shí)仍提供足夠的連接以實(shí)現良好的電源完整性。

所有這些組件、布線(xiàn)、過(guò)孔和平面考慮因素都必須通過(guò)使用 PCB設計規則來(lái)控制。接下來(lái)，我們將研究如何設置和優(yōu)化這些規則，以最大限度地為您的設計帶來(lái)好處。

為數字電路設置 PCB設計規則

目前使用的大多數 PCB設計 CAD 系統都能夠在原理圖和布局之間傳輸規則。這對設計團隊來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的好處，因為它允許原理圖驅動(dòng)設計規則，而不是等待在布局端輸入所有約束。這種組織級別使電氣工程師能夠設置對他們正在設計的電路至關(guān)重要的特定網(wǎng)絡(luò )和組件規則。布局團隊也不需要依賴(lài)書(shū)面或轉發(fā)的指令，因為設計數據庫中已經(jīng)存在網(wǎng)絡(luò )規則。

以下是數字電路的 PCB設計規則領(lǐng)域，應重點(diǎn)關(guān)注以確保電路板布局正確：

默認值：大多數設計工具都會(huì )從其設計規則中的一組默認值開(kāi)始。這些可能是以前設計的“遺留物”或真正的系統默認值。布局設計人員有責任在開(kāi)始之前確認這些值，以確保它們不會(huì )以不正確的走線(xiàn)寬度進(jìn)行布線(xiàn)或將組件彼此放置得太近。

類(lèi)：雖然可以為單個(gè)網(wǎng)絡(luò )或組件設置大多數設計規則，但如果您有數百個(gè)需要獨特規則和約束的對象，那么處理起來(lái)會(huì )非常乏味。大多數設計工具提供了一個(gè)設置網(wǎng)絡(luò )和組件類(lèi)別的系統，以使規則和約束設置更容易。例如，您可以為 +5V、-5V、+15V、-15V 和 3.3V 網(wǎng)絡(luò )設置獨特的走線(xiàn)寬度和間距要求，或者您可以為一個(gè)功率等級創(chuàng )建一組規則并將這些網(wǎng)絡(luò )添加到其中. 時(shí)鐘和數據網(wǎng)絡(luò )的類(lèi)以及不同類(lèi)型的組件也是如此。

高速設計規則：設計規則也可用于高速約束，布局團隊應充分利用其設計規則的全部功能以獲得最大收益。例如，可以設置特定的走線(xiàn)長(cháng)度以及與其他走線(xiàn)的長(cháng)度匹配，這在布線(xiàn)時(shí)鐘和數據線(xiàn)時(shí)非常有用?？梢栽O置差分對，將走線(xiàn)以設定的距離布線(xiàn)在一起，并且可以為特定的網(wǎng)絡(luò )特性指定獨特的走線(xiàn)拓撲。還可以為阻抗控制的布線(xiàn)自動(dòng)設置走線(xiàn)寬度，并且可以將過(guò)孔類(lèi)型和尺寸專(zhuān)門(mén)分配給網(wǎng)絡(luò )或網(wǎng)絡(luò )類(lèi)別。

在用于數字電路的現代 PCB設計 CAD 系統中有許多不同的設計規則特征；到目前為止，我們只討論了路由約束。接下來(lái)，我們將查看一些可以設置的其他規則和約束。

在 Cadence Allegro 約束管理器中設計裝配規則

PCB設計規則和約束的其他用途

除了數字電路的標準 PCB設計規則（包括元件放置、走線(xiàn)布線(xiàn)以及電源和接地）之外，還有許多可以專(zhuān)門(mén)為制造設置的規則。其中包括控制阻焊帶、焊膏覆蓋、絲印重疊和測試點(diǎn)間距的規則。PCB設計 CAD 工具（例如 Cadence 的 Allegro PCB Editor）具有用于電路板制造和組裝的特定規則集，其中還包含這些規則和許多其他規則。您可以在上圖中看到這些裝配約束的示例。

當從機械 CAD 系統導入數據以檢查電路板和系統外殼之間的對象到對象間隙時(shí)，也會(huì )使用設計規則和約束。許多系統，例如 Cadence Allegro，都具有完整的 3D 畫(huà)布功能，允許用戶(hù)查看和檢查他們的設計與導入的機械數據甚至其他 PCB設計。而且，一旦設計規則完全設置和完善，它們就可以導出并保存以供將來(lái)的設計使用。