PCB设计中的功能(néng)分(fēn)區(qū)

2021-02-27

同样的分(fēn)區(qū)原理(lǐ)也用(yòng)于印刷電(diàn)路板的设计中，在印刷電(diàn)路板中，有(yǒu)不同的電(diàn)路组执行不同的功能(néng)。就像箔纸托盘中的隔板可(kě)以让每个盘子单独烹饪一样，PCB中的隔板也可(kě)以通过防止不同電(diàn)路组之间的任何干扰来使其顺畅地运行。让我们仔细研究一下PCB设计中的功能(néng)分(fēn)區(qū)，以及您的CAD工具如何為(wèi)您提供帮助。

PCB设计中功能(néng)分(fēn)區(qū)的目的

電(diàn)路板由不同类型的電(diàn)路组成，所有(yǒu)電(diàn)路都在相对较小(xiǎo)的區(qū)域内组合在一起。通常，您会在板上找到所有(yǒu)正在使用(yòng)的模拟，数字和電(diàn)源電(diàn)路。即使主要是数字操作的電(diàn)路板通常也将具有(yǒu)一些需要管理(lǐ)的電(diàn)源，以及需要将模拟信号转换為(wèi)数字信号然后再返回的接口。

在電(diàn)路板上指定功能(néng)分(fēn)區(qū)的目的是使这些不同的區(qū)域彼此隔离。以下是混合信号板中的一些分(fēn)區(qū)可(kě)以帮助您避免的问题：

串扰：攻击性信号可(kě)能(néng)与其他(tā)信号耦合在一起，应尽可(kě)能(néng)与潜在的受害者信号隔离。

EMI：為(wèi)了防止電(diàn)磁干扰，您需要防止这些不同區(qū)域的返回信号混合在一起，并且它们不得穿过分(fēn)开的地面或電(diàn)源平面。

信号完整性差：敏感的信号（例如时钟）需要保持在与其相关的電(diàn)路附近，而不是在整个電(diàn)路板上运行。

電(diàn)源噪声：这些部件应靠近它们供電(diàn)并在同一层上运行且具有(yǒu)隔离的相邻参考平面的那些部件。

隔离这些區(qū)域将有(yǒu)助于防止一种类型的電(diàn)路产生的噪声影响另一种类型的電(diàn)路。但是，问题是您不能(néng)简单地在電(diàn)路板的中间画一条線(xiàn)以将数字信号与模拟信号分(fēn)开。这些组需要相互交互，并且还必须访问板子不同位置的连接器和其他(tā)接口设备。 

因此，要想出能(néng)够正确隔离这些區(qū)域的布局，就需要一个良好的功能(néng)分(fēn)區(qū)计划以及良好的组件放置做法。

功能(néng)分(fēn)區(qū)还有(yǒu)其他(tā)一些好处。通过提前对分(fēn)區(qū)进行平面布置，布局设计团队将在组件放置方面得到更好的组织。此外，设置分(fēn)區(qū)还可(kě)以帮助布局团队在放置用(yòng)于DFM，测试和返工的组件时做出更好的选择。 

使功能(néng)分(fēn)區(qū)的需求与其他(tā)组件放置的需求保持平衡可(kě)能(néng)听起来很(hěn)困难，但对于PCB布局专家而言，这是工作的全部。因此，让我们深入探讨如何在PCB设计中开发良好的功能(néng)分(fēn)區(qū)的细节。

在布局开始之前，PCB设计可(kě)以从完善的功能(néng)分(fēn)區(qū)计划中受益匪浅。

规划分(fēn)區(qū)以及组件放置

与任何PCB设计一样，在开始放置组件之前，必须先确定物(wù)理(lǐ)板的配置。首先，必须确定電(diàn)路板的大小(xiǎo)和形状以及任何固定组件（例如连接器，支架或开关）的位置。这对于划分(fēn)電(diàn)路板至关重要，因為(wèi)在布局过程中对電(diàn)路板轮廓进行更改可(kě)能(néng)会脱离计划的分(fēn)區(qū)。 

同时，必须确定板层堆叠。对于高速设计，必须在為(wèi)带状線(xiàn)路由设置的特定层对之间包含很(hěn)多(duō)路由。要计划分(fēn)區(qū)，有(yǒu)必要根据层堆叠配置评估路由密度。

确定了電(diàn)路板的物(wù)理(lǐ)配置后，您可(kě)以开始為(wèi)设计映射功能(néng)分(fēn)區(qū)。您做出的许多(duō)决策都将类似于放置组件时的决策，因此让我们回顾一下必须满足的要求：

将元件放置的模拟和数字區(qū)域分(fēn)开

分(fēn)离電(diàn)路是划分(fēn)设计的主要目的，然而，它们经常在元件放置期间被混合。在映射出分(fēn)區(qū)时，在过渡到布局之前根据原理(lǐ)图上的零件对零件进行分(fēn)组可(kě)能(néng)非常有(yǒu)帮助。

将電(diàn)源与敏感组件隔离

尽管電(diàn)源需要足够近才能(néng)為(wèi)指定的部件供電(diàn)，但是電(diàn)源電(diàn)路和要提供的数字部件之间必须有(yǒu)一定的空间。

规划将更大的CPU和内存组件集中在板上

这些部件不应靠近边缘，以帮助它们通过電(diàn)路板散热。但是，同时，出于信号完整性的目的，它们应放置在足够靠近其相关電(diàn)路的位置。

相关電(diàn)路应分(fēn)组在同一分(fēn)區(qū)中

使用(yòng)原理(lǐ)图中的逻辑流程来映射分(fēn)區(qū)。首先从连接器开始，然后根据原理(lǐ)图中電(diàn)路的布局，将组件从它们的内侧放进去。

您创建的大多(duō)数分(fēn)區(qū)将基于组件及其之间的网络连接。但是，在映射分(fēn)區(qū)时，需要考虑一些路由问题，我们将在下面讨论。

PCB设计的简单功能(néng)分(fēn)區(qū)。

跟踪路由和功能(néng)分(fēn)區(qū)的其他(tā)注意事项

在规划设计分(fēn)區(qū)时，请记住，除了分(fēn)區(qū)将包含的组件之外，分(fēn)區(qū)还必须考虑布線(xiàn)。大型数据和内存总線(xiàn)将占用(yòng)大量空间，尤其是如果它们在外部层上进行路由时。某些组件将需要用(yòng)于逃生路由的空间，因此请不要将所有(yǒu)零件都挤压在一起以缩小(xiǎo)分(fēn)區(qū)。您还需要為(wèi)不能(néng)通过某些電(diàn)路區(qū)域路由的敏感网络留出空间，例如通过模拟電(diàn)路區(qū)域运行数字网络。

绘制電(diàn)路板分(fēn)區(qū)最重要的方面之一就是配電(diàn)网络（PDN）的设计。这里有(yǒu)一些重要的PDN准则需要牢记：

尽量避免飞机分(fēn)裂。如果必须拆分(fēn)平面，请记住您不能(néng)允许走線(xiàn)布線(xiàn)穿过拆分(fēn)。電(diàn)路板中最常见的EMI来源之一是跨越分(fēn)叉点的走線(xiàn)，其信号返回没有(yǒu)清晰的返回路径。

对于数字和模拟區(qū)域，应将電(diàn)源和地分(fēn)开。在将接地层划分(fēn)為(wèi)模拟和数字接地的情况下，仅允许在两者之间使用(yòng)单点连接，以免产生任何意外的回路或天線(xiàn)。

保持電(diàn)源平面隔离。您不希望来自電(diàn)源的噪声最终出现在您的数字或模拟電(diàn)路中。

确保您在分(fēn)區(qū)中留出足够的空间来使用(yòng)设计良好的PDN。大型耗電(diàn)部件（例如CPU）需要进行大量的電(diàn)源滤波以控制其噪声尖峰。

PCB设计中的功能(néng)分(fēn)區(qū)还需要记住一些其他(tā)注意事项。允许对板进行适当的冷却。根据放置的位置，较高的组件（例如连接器）可(kě)能(néng)会无意间阻塞热运行组件（例如处理(lǐ)器芯片）所需的气流。请记住，一个分(fēn)區(qū)中的高温组件可(kě)能(néng)会為(wèi)下一个分(fēn)區(qū)带来问题，因此请进行相应的计划。

此时，您可(kě)能(néng)已经准备好為(wèi)下一个PCB设计绘制分(fēn)區(qū)，所以让我们看一下设计工具如何提供帮助。

在Cadence的约束管理(lǐ)器中设置组件放置要求。

如何最好地使用(yòng)工具来计划分(fēn)區(qū)

诸如Cadence Allegro之类的PCB设计工具内部具有(yǒu)许多(duō)功能(néng)，可(kě)以在绘制功能(néng)分(fēn)區(qū)时使用(yòng)这些功能(néng)。以下是可(kě)以使用(yòng)这些功能(néng)提供帮助的一些方法：

原理(lǐ)图：捕获原理(lǐ)图时，将需要放置在同一分(fēn)區(qū)中的组件放在一起。这不仅会帮助您组织原理(lǐ)图，而且还可(kě)以使用(yòng)这些原理(lǐ)图分(fēn)组来帮助选择和组织布局中的零件。

房间：在绘制分(fēn)區(qū)时，在设计上绘制它们会很(hěn)有(yǒu)帮助。尽管可(kě)以使用(yòng)一些简单的图形完成此操作，但是Allegro提供了称為(wèi)“房间”的功能(néng)，可(kě)以提供帮助。在原理(lǐ)图中，您将使用(yòng)唯一的房间名称将房间属性附加到一个分(fēn)區(qū)的各个部分(fēn)。在布局中，您将使用(yòng)图形房间属性创建分(fēn)區(qū)，并為(wèi)其命名。然后可(kě)以将这些房间配置為(wèi)仅允许将具有(yǒu)相应房间名称的那些部件放入其中，从而使您能(néng)够将组件分(fēn)配给已设置為(wèi)房间的所有(yǒu)分(fēn)區(qū)。

约束管理(lǐ)器：此实用(yòng)程序有(yǒu)助于将类分(fēn)配给组件和网络，以及设置层路由约束和高速设计规则。这為(wèi)布局设计师提供了组织设计数据的另一个有(yǒu)用(yòng)工具。

设计分(fēn)區(qū)：Allegro中的此选项允许设计人员在布局中指定团队设计的分(fēn)區(qū)。不同的设计师可(kě)以在電(diàn)路板上的不同分(fēn)區(qū)上工作，然后将其工作更新(xīn)為(wèi)主设计。

在开始放置组件之前，在PCB设计中设置功能(néng)分(fēn)區(qū)将為(wèi)您提供成功布局所需的组织基础。PCB设计还有(yǒu)很(hěn)多(duō)其他(tā)方面可(kě)以帮助您，例如路由走線(xiàn)的基本原理(lǐ)以及创建電(diàn)源和接地层。