优化数字電(diàn)路的 PCB设计规则

2021-10-13

优化数字電(diàn)路的 PCB设计规则

在電(diàn)路板上紧密放置的组件

任何布置过印刷電(diàn)路板的人无疑都熟悉 PCB设计规则和约束。早期在 PCB设计 CAD 工具的开发中引入的规则和约束最初使设计人员无法将不同的网络短接在一起，但仅此而已。虽然这在当时是一个巨大的帮助，但 PCB设计人员继续要求在他(tā)们的设计规则中提供更多(duō)功能(néng)，以涵盖他(tā)们正在使用(yòng)的不同类型的電(diàn)路配置。

在当今的 CAD 系统中，设计规则和约束已得到增强，可(kě)為(wèi)设计人员提供他(tā)们所需的控制类型。这是一种令人欣慰的解脱，因為(wèi)设计人员经常发现自己在处理(lǐ)将電(diàn)源、模拟、RF 和数字電(diàn)路都集成在同一块板上的复杂设计。在本文(wén)中，我们将探讨与数字電(diàn)路的 PCB设计规则相关的一些要求，以及如何為(wèi)您的下一个布局最好地优化这些规则。

数字電(diàn)路的電(diàn)气和制造要求

為(wèi)了使電(diàn)路板能(néng)够以電(diàn)气方式运行并无错误地制造，它必须根据一组特定的规则进行设计。这些规则不仅控制電(diàn)路板上不同元件的大小(xiǎo)和形状，而且还强制要求元件之间的间距。受这些设计规则约束的元素可(kě)以包括组件、连接组件之间网络的走線(xiàn)，以及连接電(diàn)路板不同层之间走線(xiàn)的过孔。

元件放置

電(diàn)路板上的部件需要有(yǒu)策略地放置，以提供它们之间的最佳连接長(cháng)度。在处理(lǐ)高速设计时尤其如此，其中多(duō)个组件可(kě)能(néng)是整个高速信号路径的一部分(fēn)。其他(tā)组件（例如旁路電(diàn)容器）需要靠近分(fēn)配给它们的设备上的電(diàn)源引脚放置，并且電(diàn)源组件需要彼此尽可(kě)能(néng)靠近。

尽管这些放置要求彼此接近，但仍需要对零件进行定位，以最好地促进 PCB制造。電(diàn)路板元件之间需要有(yǒu)足够的间隙，以进行自动化组装、焊接工艺和手动返工。连接器和其他(tā)人机界面需要可(kě)访问性，并且部件的放置也必须牢记热冷却。

跟踪路由

印刷電(diàn)路板上的差分(fēn)对布線(xiàn)

尽管可(kě)以使用(yòng)默认值处理(lǐ)很(hěn)大一部分(fēn)電(diàn)路板的走線(xiàn)布線(xiàn)，但许多(duō)网络将需要唯一的走線(xiàn)宽度和间距值，包括以下值：

差分(fēn)对路由： 差分(fēn)信令需要两个相同的信号，一个被反转，才能(néng)传输一个完整的数据信号。信号的信息是从反相和非反相信号之间的差异中破译出来的。这会降低噪声和 EMI，但要求两条信号走線(xiàn)長(cháng)度相等，宽度和间距一致（如上图所示）。

时钟和数据線(xiàn)：时钟信号协调電(diàn)路的活动，它们的脉冲将触发数据的输入和输出。这需要这些敏感線(xiàn)和其他(tā)信号之间有(yǒu)足够的间距以及特定的走線(xiàn)長(cháng)度，以确保时钟線(xiàn)和数据線(xiàn)相互匹配。

阻抗控制路由：高频走線(xiàn)中的電(diàn)容和電(diàn)感会阻碍信号的電(diàn)流流动，并会降低信号质量。控制这一点需要電(diàn)路板叠层中的特定层厚和介電(diàn)材料、精确的走線(xiàn)宽度和厚度，以及靠近相邻参考平面层上的信号返回路径。

过孔

使用(yòng)不同尺寸和形状的过孔取决于它们所使用(yòng)的网络。例如，電(diàn)源和接地网络通常需要比常规信号网络更大的过孔。过孔的类型也各不相同，高速布線(xiàn)使用(yòng)较小(xiǎo)的盲埋孔或微孔来实现物(wù)理(lǐ)空间和電(diàn)气性能(néng)。

这些不同的電(diàn)气和制造要求可(kě)以通过在 PCB布局工具中设置的设计规则来控制（如下图所示）。但是，设计中还有(yǒu)更多(duō)的要求需要考虑。

如何在数字電(diàn)路的 PCB设计规则中设置差分(fēn)对布線(xiàn)的示例

電(diàn)源、接地和参考平面

根据電(diàn)路的要求，電(diàn)源和接地走線(xiàn)最终可(kě)能(néng)有(yǒu)几种不同的走線(xiàn)宽度和间距值。例如，数字電(diàn)路板上電(diàn)源内的布線(xiàn)可(kě)能(néng)需要异常宽的走線(xiàn)来处理(lǐ)增加的電(diàn)流和温度。宽走線(xiàn)还将通过降低電(diàn)感和控制串扰噪声来帮助電(diàn)路板的電(diàn)源完整性。

虽然会有(yǒu)必须控制宽度和间距的短连接迹線(xiàn)，但多(duō)层電(diàn)路板上的大部分(fēn)功率将通过覆铜和金属平面层传导。还必须对这些进行控制，以确保您的供電(diàn)网络(PDN) 為(wèi)所有(yǒu)必要组件提供清洁電(diàn)力。幸运的是，这些電(diàn)源布線(xiàn)宽度和平面连接都可(kě)以通过设计规则进行控制（如下所示）。

為(wèi) PCB设计中的電(diàn)源和接地设置规则和约束

PDN 的另一个重要部分(fēn)是板层堆叠中的接地层。这些层对于電(diàn)路板的信号和電(diàn)源完整性至关重要，并提供以下好处：

清晰的返回路径：為(wèi)了消除漂移信号返回产生噪声的机会，接地参考平面為(wèi)高速信号提供了清晰和直接的返回路径。

EMI 屏蔽：接地层还提供屏蔽以保护敏感電(diàn)路免受外部電(diàn)磁干扰的威胁。

过滤开关噪声：当数字電(diàn)路在高低状态之间切换时，它们会在接地電(diàn)路中产生另一个噪声源。通过使用(yòng)大金属平面，与使用(yòng)迹線(xiàn)布線(xiàn)接地相比，平面的较低阻抗将降低噪声。

散热：接地层还可(kě)以用(yòng)作散热器，帮助散发热运行组件的热量。

電(diàn)源层和接地层的另一个重要部分(fēn)是控制与散热垫的连接。这些辐条形元件可(kě)防止大金属平面充当焊接工作的散热器，同时仍提供足够的连接以实现良好的電(diàn)源完整性。

所有(yǒu)这些组件、布線(xiàn)、过孔和平面考虑因素都必须通过使用(yòng) PCB设计规则来控制。接下来，我们将研究如何设置和优化这些规则，以最大限度地為(wèi)您的设计带来好处。

為(wèi)数字電(diàn)路设置 PCB设计规则

目前使用(yòng)的大多(duō)数 PCB设计 CAD 系统都能(néng)够在原理(lǐ)图和布局之间传输规则。这对设计团队来说是一个巨大的好处，因為(wèi)它允许原理(lǐ)图驱动设计规则，而不是等待在布局端输入所有(yǒu)约束。这种组织级别使電(diàn)气工程师能(néng)够设置对他(tā)们正在设计的電(diàn)路至关重要的特定网络和组件规则。布局团队也不需要依赖书面或转发的指令，因為(wèi)设计数据库中已经存在网络规则。

以下是数字電(diàn)路的 PCB设计规则领域，应重点关注以确保電(diàn)路板布局正确：

默认值：大多(duō)数设计工具都会从其设计规则中的一组默认值开始。这些可(kě)能(néng)是以前设计的“遗留物(wù)”或真正的系统默认值。布局设计人员有(yǒu)责任在开始之前确认这些值，以确保它们不会以不正确的走線(xiàn)宽度进行布線(xiàn)或将组件彼此放置得太近。

类：虽然可(kě)以為(wèi)单个网络或组件设置大多(duō)数设计规则，但如果您有(yǒu)数百个需要独特规则和约束的对象，那么处理(lǐ)起来会非常乏味。大多(duō)数设计工具提供了一个设置网络和组件类别的系统，以使规则和约束设置更容易。例如，您可(kě)以為(wèi) +5V、-5V、+15V、-15V 和 3.3V 网络设置独特的走線(xiàn)宽度和间距要求，或者您可(kě)以為(wèi)一个功率等级创建一组规则并将这些网络添加到其中. 时钟和数据网络的类以及不同类型的组件也是如此。

高速设计规则：设计规则也可(kě)用(yòng)于高速约束，布局团队应充分(fēn)利用(yòng)其设计规则的全部功能(néng)以获得最大收益。例如，可(kě)以设置特定的走線(xiàn)長(cháng)度以及与其他(tā)走線(xiàn)的長(cháng)度匹配，这在布線(xiàn)时钟和数据線(xiàn)时非常有(yǒu)用(yòng)。可(kě)以设置差分(fēn)对，将走線(xiàn)以设定的距离布線(xiàn)在一起，并且可(kě)以為(wèi)特定的网络特性指定独特的走線(xiàn)拓扑。还可(kě)以為(wèi)阻抗控制的布線(xiàn)自动设置走線(xiàn)宽度，并且可(kě)以将过孔类型和尺寸专门分(fēn)配给网络或网络类别。

在用(yòng)于数字電(diàn)路的现代 PCB设计 CAD 系统中有(yǒu)许多(duō)不同的设计规则特征；到目前為(wèi)止，我们只讨论了路由约束。接下来，我们将查看一些可(kě)以设置的其他(tā)规则和约束。

在 Cadence Allegro 约束管理(lǐ)器中设计装配规则

PCB设计规则和约束的其他(tā)用(yòng)途

除了数字電(diàn)路的标准 PCB设计规则（包括元件放置、走線(xiàn)布線(xiàn)以及電(diàn)源和接地）之外，还有(yǒu)许多(duō)可(kě)以专门為(wèi)制造设置的规则。其中包括控制阻焊带、焊膏覆盖、丝印重叠和测试点间距的规则。PCB设计 CAD 工具（例如 Cadence 的 Allegro PCB Editor）具有(yǒu)用(yòng)于電(diàn)路板制造和组装的特定规则集，其中还包含这些规则和许多(duō)其他(tā)规则。您可(kě)以在上图中看到这些装配约束的示例。

当从机械 CAD 系统导入数据以检查電(diàn)路板和系统外壳之间的对象到对象间隙时，也会使用(yòng)设计规则和约束。许多(duō)系统，例如 Cadence Allegro，都具有(yǒu)完整的 3D 画布功能(néng)，允许用(yòng)户查看和检查他(tā)们的设计与导入的机械数据甚至其他(tā) PCB设计。而且，一旦设计规则完全设置和完善，它们就可(kě)以导出并保存以供将来的设计使用(yòng)。