PCB設計中的功能分區

2021-02-27

同樣的分區原理也用于印刷電路板的設計中，在印刷電路板中，有不同的電路組執行不同的功能。就像箔紙托盤(pán)中的隔板可以讓每個(gè)盤(pán)子單獨烹飪一樣，PCB中的隔板也可以通過(guò)防止不同電路組之間的任何干擾來(lái)使其順暢地運行。讓我們仔細研究一下PCB設計中的功能分區，以及您的CAD工具如何為您提供幫助。

PCB設計中功能分區的目的

電路板由不同類(lèi)型的電路組成，所有電路都在相對較小的區域內組合在一起。通常，您會(huì )在板上找到所有正在使用的模擬，數字和電源電路。即使主要是數字操作的電路板通常也將具有一些需要管理的電源，以及需要將模擬信號轉換為數字信號然后再返回的接口。

在電路板上指定功能分區的目的是使這些不同的區域彼此隔離。以下是混合信號板中的一些分區可以幫助您避免的問(wèn)題：

串擾：攻擊性信號可能與其他信號耦合在一起，應盡可能與潛在的受害者信號隔離。

EMI：為了防止電磁干擾，您需要防止這些不同區域的返回信號混合在一起，并且它們不得穿過(guò)分開(kāi)的地面或電源平面。

信號完整性差：敏感的信號（例如時(shí)鐘）需要保持在與其相關(guān)的電路附近，而不是在整個(gè)電路板上運行。

電源噪聲：這些部件應靠近它們供電并在同一層上運行且具有隔離的相鄰參考平面的那些部件。

隔離這些區域將有助于防止一種類(lèi)型的電路產(chǎn)生的噪聲影響另一種類(lèi)型的電路。但是，問(wèn)題是您不能簡(jiǎn)單地在電路板的中間畫(huà)一條線(xiàn)以將數字信號與模擬信號分開(kāi)。這些組需要相互交互，并且還必須訪(fǎng)問(wèn)板子不同位置的連接器和其他接口設備。 

因此，要想出能夠正確隔離這些區域的布局，就需要一個(gè)良好的功能分區計劃以及良好的組件放置做法。

功能分區還有其他一些好處。通過(guò)提前對分區進(jìn)行平面布置，布局設計團隊將在組件放置方面得到更好的組織。此外，設置分區還可以幫助布局團隊在放置用于DFM，測試和返工的組件時(shí)做出更好的選擇。 

使功能分區的需求與其他組件放置的需求保持平衡可能聽(tīng)起來(lái)很困難，但對于PCB布局專(zhuān)家而言，這是工作的全部。因此，讓我們深入探討如何在PCB設計中開(kāi)發(fā)良好的功能分區的細節。

在布局開(kāi)始之前，PCB設計可以從完善的功能分區計劃中受益匪淺。

規劃分區以及組件放置

與任何PCB設計一樣，在開(kāi)始放置組件之前，必須先確定物理板的配置。首先，必須確定電路板的大小和形狀以及任何固定組件（例如連接器，支架或開(kāi)關(guān)）的位置。這對于劃分電路板至關(guān)重要，因為在布局過(guò)程中對電路板輪廓進(jìn)行更改可能會(huì )脫離計劃的分區。 

同時(shí)，必須確定板層堆疊。對于高速設計，必須在為帶狀線(xiàn)路由設置的特定層對之間包含很多路由。要計劃分區，有必要根據層堆疊配置評估路由密度。

確定了電路板的物理配置后，您可以開(kāi)始為設計映射功能分區。您做出的許多決策都將類(lèi)似于放置組件時(shí)的決策，因此讓我們回顧一下必須滿(mǎn)足的要求：

將元件放置的模擬和數字區域分開(kāi)

分離電路是劃分設計的主要目的，然而，它們經(jīng)常在元件放置期間被混合。在映射出分區時(shí)，在過(guò)渡到布局之前根據原理圖上的零件對零件進(jìn)行分組可能非常有幫助。

將電源與敏感組件隔離

盡管電源需要足夠近才能為指定的部件供電，但是電源電路和要提供的數字部件之間必須有一定的空間。

規劃將更大的CPU和內存組件集中在板上

這些部件不應靠近邊緣，以幫助它們通過(guò)電路板散熱。但是，同時(shí)，出于信號完整性的目的，它們應放置在足夠靠近其相關(guān)電路的位置。

相關(guān)電路應分組在同一分區中

使用原理圖中的邏輯流程來(lái)映射分區。首先從連接器開(kāi)始，然后根據原理圖中電路的布局，將組件從它們的內側放進(jìn)去。

您創(chuàng )建的大多數分區將基于組件及其之間的網(wǎng)絡(luò )連接。但是，在映射分區時(shí)，需要考慮一些路由問(wèn)題，我們將在下面討論。

PCB設計的簡(jiǎn)單功能分區。

跟蹤路由和功能分區的其他注意事項

在規劃設計分區時(shí)，請記住，除了分區將包含的組件之外，分區還必須考慮布線(xiàn)。大型數據和內存總線(xiàn)將占用大量空間，尤其是如果它們在外部層上進(jìn)行路由時(shí)。某些組件將需要用于逃生路由的空間，因此請不要將所有零件都擠壓在一起以縮小分區。您還需要為不能通過(guò)某些電路區域路由的敏感網(wǎng)絡(luò )留出空間，例如通過(guò)模擬電路區域運行數字網(wǎng)絡(luò )。

繪制電路板分區最重要的方面之一就是配電網(wǎng)絡(luò )（PDN）的設計。這里有一些重要的PDN準則需要牢記：

盡量避免飛機分裂。如果必須拆分平面，請記住您不能允許走線(xiàn)布線(xiàn)穿過(guò)拆分。電路板中最常見(jiàn)的EMI來(lái)源之一是跨越分叉點(diǎn)的走線(xiàn)，其信號返回沒(méi)有清晰的返回路徑。

對于數字和模擬區域，應將電源和地分開(kāi)。在將接地層劃分為模擬和數字接地的情況下，僅允許在兩者之間使用單點(diǎn)連接，以免產(chǎn)生任何意外的回路或天線(xiàn)。

保持電源平面隔離。您不希望來(lái)自電源的噪聲最終出現在您的數字或模擬電路中。

確保您在分區中留出足夠的空間來(lái)使用設計良好的PDN。大型耗電部件（例如CPU）需要進(jìn)行大量的電源濾波以控制其噪聲尖峰。

PCB設計中的功能分區還需要記住一些其他注意事項。允許對板進(jìn)行適當的冷卻。根據放置的位置，較高的組件（例如連接器）可能會(huì )無(wú)意間阻塞熱運行組件（例如處理器芯片）所需的氣流。請記住，一個(gè)分區中的高溫組件可能會(huì )為下一個(gè)分區帶來(lái)問(wèn)題，因此請進(jìn)行相應的計劃。

此時(shí)，您可能已經(jīng)準備好為下一個(gè)PCB設計繪制分區，所以讓我們看一下設計工具如何提供幫助。

在Cadence的約束管理器中設置組件放置要求。

如何最好地使用工具來(lái)計劃分區

諸如Cadence Allegro之類(lèi)的PCB設計工具內部具有許多功能，可以在繪制功能分區時(shí)使用這些功能。以下是可以使用這些功能提供幫助的一些方法：

原理圖：捕獲原理圖時(shí)，將需要放置在同一分區中的組件放在一起。這不僅會(huì )幫助您組織原理圖，而且還可以使用這些原理圖分組來(lái)幫助選擇和組織布局中的零件。

房間：在繪制分區時(shí)，在設計上繪制它們會(huì )很有幫助。盡管可以使用一些簡(jiǎn)單的圖形完成此操作，但是Allegro提供了稱(chēng)為“房間”的功能，可以提供幫助。在原理圖中，您將使用唯一的房間名稱(chēng)將房間屬性附加到一個(gè)分區的各個(gè)部分。在布局中，您將使用圖形房間屬性創(chuàng )建分區，并為其命名。然后可以將這些房間配置為僅允許將具有相應房間名稱(chēng)的那些部件放入其中，從而使您能夠將組件分配給已設置為房間的所有分區。

約束管理器：此實(shí)用程序有助于將類(lèi)分配給組件和網(wǎng)絡(luò )，以及設置層路由約束和高速設計規則。這為布局設計師提供了組織設計數據的另一個(gè)有用工具。

設計分區：Allegro中的此選項允許設計人員在布局中指定團隊設計的分區。不同的設計師可以在電路板上的不同分區上工作，然后將其工作更新為主設計。

在開(kāi)始放置組件之前，在PCB設計中設置功能分區將為您提供成功布局所需的組織基礎。PCB設計還有很多其他方面可以幫助您，例如路由走線(xiàn)的基本原理以及創(chuàng )建電源和接地層。