使用正確的設計工具避免PCB布局錯誤

2021-04-27

使用正確的設計工具避免PCB布局錯誤

印刷電路板的布局是一項艱巨而艱巨的任務(wù)，請不要讓其他人告訴你。該電路必須根據嚴格的規則進(jìn)行結構設計，以在最高性能下運行，同時(shí)，還必須遵守另一組設計規則以實(shí)現可制造性。即使是小的且“簡(jiǎn)單”的布局也可能帶來(lái)獨特的設計挑戰，PCB布局工程師必須配備最新的工具才能完成工作。

印刷電路板設計CAD工具是軟件工程的奇跡。它們具有許多不同的特性和功能，使版圖設計者可以完成工作。這些范圍從實(shí)用程序到最初設置布局的設計，再到高級跟蹤路由引擎，以完成原理圖的所有網(wǎng)絡(luò )連接。為了最好地利用這些工具，設計人員必須了解PCB布局的所有細微差別，尤其是如果處理不當會(huì )引起問(wèn)題的細微差別。這是設計人員應注意的一些常見(jiàn)PCB布局錯誤。

準備設計：您準備好進(jìn)行PCB布局了嗎？

當新設計準備好進(jìn)行布局時(shí)，很自然地想跳進(jìn)去并開(kāi)始放置組件和布線(xiàn)軌跡。這樣做的問(wèn)題是，通常在布局開(kāi)始之前需要做很多準備工作。許多設計師陷入了“我待會(huì )兒再處理”的思想陷阱，卻發(fā)現他們現在有更大的問(wèn)題要糾正，而如果準備得更好，這些問(wèn)題本可以避免的。以下是一些常見(jiàn)問(wèn)題，如果預先解決，可以在以后避免很多麻煩。

組件過(guò)時(shí)或不正確：原理圖的組件出現問(wèn)題并不罕見(jiàn)。如果他們從較早的設計中復制了電路，或者庫不是最新的，或者使用了實(shí)際上過(guò)時(shí)的收藏部件，則最終結果將是相同的。這些組件可能無(wú)法用于制造，因此需要進(jìn)行重新設計以更新零件。清理BOM表中的此類(lèi)錯誤或使用庫服務(wù)中的零件可以解決此問(wèn)題。

錯誤的設計同步：即使原理圖數據庫未與布局完全同步，有時(shí)也會(huì )開(kāi)始設計工作。這樣做有許多令人信服的原因，其中節省時(shí)間位居榜首，但往往效果不佳。以后必須糾正同步問(wèn)題可能會(huì )導致完整電路的某些部分被撕裂。在這里的課程是花一些時(shí)間使它正確，然后再花太多時(shí)間在布局上。

電路板層堆疊配置：眾所周知，設計人員會(huì )在層堆疊最終確定之前開(kāi)始對電路板進(jìn)行布局。再一次，這通常是為了節省時(shí)間，但是這些良好的意圖可能會(huì )適得其反。布局開(kāi)始后，在CAD系統中四處移動(dòng)圖層可能會(huì )花費一些時(shí)間，并可能導致設計錯誤。但是，更大的問(wèn)題是，將完成的布線(xiàn)從一層移到另一層是否會(huì )影響電路板的整體信號完整性。您可能會(huì )發(fā)現自己不得不重新設計電路的一些主要部分以糾正這些問(wèn)題。

設計參數：在布局開(kāi)始之前未完全設置PCB設計CAD系統不一定會(huì )引入設計錯誤，但可能會(huì )減慢您的速度。顏色，網(wǎng)格和許多其他參數旨在創(chuàng )建有助于提高生產(chǎn)力的工作環(huán)境，并且如果您在開(kāi)始之前未配置這些參數，則只會(huì )傷害自己。這些設置中的許多設置都可以在模板或自述文件中傳輸，這在開(kāi)始新設計時(shí)非常有幫助。

在PCB設計CAD系統中設置顏色參數的菜單

此時(shí)，電路板已準備好開(kāi)始布局。接下來(lái)，我們將研究在組件放置期間可能發(fā)生的一些常見(jiàn)錯誤。

放置元件時(shí)的PCB布局錯誤

面對現實(shí)吧，雖然可能很復雜，但PCB布局也很有趣。在屏幕上操縱組件，并用它們之間的網(wǎng)狀連接橡皮筋捆扎，這是您可以解決的最好和最具挑戰性的難題之一。但是，就像在放置板子之前進(jìn)行設置一樣，如果您不謹慎地進(jìn)行預防，那么這里存在一些潛在的問(wèn)題，可能會(huì )導致您的設計遇到很多問(wèn)題。讓我們首先從涉及您將要放置在板上的物理腳印的潛在問(wèn)題開(kāi)始。

腳印不正確：我們已經(jīng)討論過(guò)在設計中使用正確的組件的重要性，但是如果這些組件使用的腳印不正確，您仍然會(huì )遇到問(wèn)題。盡管從技術(shù)上講應該在設計同步期間發(fā)現這一點(diǎn)，但設計人員仍應確保他們使用的是正確的封裝。無(wú)論是使用PQFP代替BGA，還是使用電容器的極性接反，如果不立即發(fā)現此類(lèi)誤差，就需要重新設計。

不要忽略平面圖：為了確保良好的信號和電源完整性，必須仔細劃分PCB設計電路，以實(shí)現最佳性能。對于每毫米空間都很重要的高密度設計，尤其如此。未能做到這一點(diǎn)的設計人員可能需要進(jìn)行昂貴的重新設計，以提高電路板的性能。使用原理圖放置邏輯組的組件或在板上指定放置室對于防止分區錯誤非常有幫助。

DFM是必不可少的：確保電路板的可制造性與設計中的信號和電源完整性一樣重要。PCB設計人員必須遵循布局中的可制造性（DFM）規則進(jìn)行設計，這一點(diǎn)至關(guān)重要。其中包括用于自動(dòng)組裝設備和測試設備的組件之間的最小間距，以及技術(shù)人員調試和返工電路板的空間。使用CAD工具中的設計規則和約束是消除DFM錯誤的絕對必要條件。

記住要設計PDN：盡管布局電路板對于確保良好的信號完整性至關(guān)重要，但同樣重要的是還要專(zhuān)注于功率傳輸網(wǎng)絡(luò )（PDN）。在布局電源組件時(shí)，設計人員可以輕松地放松努力，從而在設計中引入噪聲和其他干擾。確保遵循良好的PDN設計準則，并使用CAD系統的電源完整性工具檢查錯誤。

終于，電路板終于可以布線(xiàn)了，但是請不要放松警惕。如果您不小心的話(huà)，錯誤仍然有可能蔓延到設計中。

一些常見(jiàn)的跟蹤路由錯誤

使用設計約束（如下所示）可以使您為路由設置正確的規則

在印刷電路板布局上布線(xiàn)走線(xiàn)是一項非常有意義的任務(wù)。每條路由走線(xiàn)完成后，都將消除其相應的網(wǎng)絡(luò )連接指南，從而使您更進(jìn)一步地完成工作。設計錯誤也很容易蔓延，因為這會(huì )破壞您要完成的工作，因此設計師必須保持警惕。以下是一些需要注意的示例。

逃逸布線(xiàn)：表面貼裝器件需要將走線(xiàn)從其焊盤(pán)布線(xiàn)到通孔中，以便在板的其他層上互連。這稱(chēng)為逃生路由或通過(guò)扇出路由，對于大多數SMT設備而言，這非常簡(jiǎn)單。但是，具有小間距的高引腳數器件帶來(lái)了更大的挑戰，設計人員必須注意不要通過(guò)逸出通孔阻塞內部層上的布線(xiàn)通道。通常，芯片制造商會(huì )在其產(chǎn)品數據表中發(fā)布推薦的布線(xiàn)解決方案，這可以幫助您避免布線(xiàn)擁塞。

約束管理：鑒于當今電路板設計的所有不同要求，布局設計師必須充分利用他們的設計約束管理系統。這些實(shí)用程序允許為網(wǎng)絡(luò )或一組網(wǎng)絡(luò )配置必要的走線(xiàn)寬度和間距，以及為組件分配間隙規則。它們甚至可以通過(guò)設置高速設計拓撲，通孔類(lèi)型和電氣時(shí)序參數等而走得更遠。在上圖中，您可以看到設計約束管理系統中可用的一些設置，以防止違反路由規則。

沒(méi)有足夠的布線(xiàn)空間：在對布線(xiàn)圖案密集的電路板進(jìn)行布線(xiàn)時(shí)，預先計劃需要布線(xiàn)的位置非常重要。這將確保有足夠的空間容納雙倍數據速率（DDR）路由常見(jiàn)的高密度圖案。如果沒(méi)有這樣的計劃，您可能會(huì )發(fā)現自己需要更換和重新布線(xiàn)電路板的大部分。許多CAD工具（例如Cadence的Allegro PCB編輯器）提供的布線(xiàn)模式可幫助完成此類(lèi)平面規劃任務(wù)。

缺乏參考平面：隨著(zhù)信號速度在電路板設計中的提高，至關(guān)重要的是，PCB的布局必須具有足夠的參考平面。沒(méi)有這些平面，高速傳輸線(xiàn)和其他敏感網(wǎng)絡(luò )可能沒(méi)有清晰的信號返回路徑。相反，返回的信號將在電路板上徘徊，干擾其他信號，并產(chǎn)生噪聲和EMI，從而破壞設計的信號完整性。這些錯誤可能是災難性的，因為電路板將需要重新設計以使其噪聲得到控制。

就像我們一開(kāi)始所說(shuō)的那樣，PCB布局可能是一項復雜的任務(wù)，尤其是在所有這些潛在的錯誤都隱藏在陰影中的情況下。值得慶幸的是，通過(guò)使用PCB設計CAD工具的強大功能，可以減輕許多此類(lèi)問(wèn)題。

解決方案在工具中

Cadence的Allegro PCB編輯器中有許多不同的布線(xiàn)選項可供PCB設計人員使用

我們一直在強調PCB設計工具的各個(gè)方面，這些方面可以一路解決許多此類(lèi)問(wèn)題，但在這里，我們將重點(diǎn)關(guān)注其中的兩個(gè)：

約束管理：如前所述，PCB設計中設置的設計規則和約束可以使設計人員避免產(chǎn)生意想不到的錯誤。約束管理系統將使您能夠控制從組件間隙到通孔絲印的所有過(guò)程。例如，您可以創(chuàng )建更改跡線(xiàn)寬度的特定區域。當路由出高密度組件（如細間距BGA）時(shí)，這將非常有益。