PCB 设计流程简介

2021-07-19

PCB 设计流程简介

PCB设计中所涉及的工具条款过程中，基本電(diàn)磁特性对输電(diàn)線(xiàn)路，信号完整性，電(diàn)源传输设计和许多(duō)其他(tā)PCB设计相关的主题。但是，最重要的基础之一是充分(fēn)了解被认為(wèi)具有(yǒu)最快设计流程的因素。此信息涵盖总線(xiàn)和信号类型，包括工作频率和终端类型；Vdd 電(diàn)压；每个 Vdd 轨的阻抗，DC 到 DC 转换器的选择，计算旁路電(diàn)容器的数量和值，并创建这些元件的原理(lǐ)图，这些元件成為(wèi)交付给電(diàn)路板制造商(shāng)的整个原理(lǐ)图集的一部分(fēn)。

这个过程的基础来自我们在设计数百个 PCB 方面的多(duō)年经验，从 PC 主板到太比特路由器的交换结构，以及介于两者之间的各种产品。本文(wén)介绍了构成流程的特定步骤，有(yǒu)助于确保最终产品构建与设计的電(diàn)路板相匹配。

步骤

正如需要有(yǒu)一个完整的计划和一套规范来正确建造房屋一样，PCB 产品的设计由许多(duō)具有(yǒu)特定细节的步骤组成。这个过程的具體(tǐ)步骤如下：

步骤 1 — 构建框图

框图包括所有(yǒu)总線(xiàn)和其他(tā)信号类型。要构建综合框图，必须显示以下元素：

每条总線(xiàn)中的信号数量。

每辆巴士的技术

其工作频率。

它的终止类型。

图 1 中作為(wèi)示例提供的完整框图成為(wèi)原理(lǐ)图集的第 1 页。 

图 1. 显示框图的典型原理(lǐ)图的第 1 页

步骤 2 — 列出所有(yǒu) Vdd 電(diàn)压

Vdd 電(diàn)压信息包括：

他(tā)们提供的 IC

计算每个電(diàn)压和允许纹波的峰值電(diàn)流。

允许纹波是通过查阅每个 IC 数据表来计算的。

对于那些具有(yǒu)单端 CMOS 输出驱动器的 IC，最大允许纹波将通过获取输入的噪声容限并将部分(fēn)噪声容限分(fēn)配给纹波、串扰、Vdd/地弹和反射来确定。

前面的数字来自本文(wén)末尾的参考文(wén)献 1 中详细介绍的设计规则创建过程的噪声容限分(fēn)析部分(fēn)。

正如之前的文(wén)章所述，许多(duō)应用(yòng)说明都指定了在各种電(diàn)路（如 SERDES 和锁相环 (PLL)）的電(diàn)源引線(xiàn)中使用(yòng)铁氧體(tǐ)磁珠。这些珠子通常被称為(wèi)“因為(wèi)我们一直是这样做的”。正如我在关于此主题的文(wén)章中所述，正确的方法是将所有(yǒu)相同電(diàn)压的電(diàn)源線(xiàn)连接到单个電(diàn)压轨，而不是添加会降低電(diàn)路板性能(néng)的铁氧體(tǐ)磁珠。

步骤 3 — 计算每个 Vdd 轨的阻抗

每个 Vdd 轨的阻抗是通过将最大纹波除以最大增量 I 获得的。这将是该電(diàn)压下整个 PDS 的目标阻抗。

注意：通常，无法从组件供应商(shāng)处获得最大增量 I 信息。在这种情况下，唯一安全的做法是假设最大增量 I 从零電(diàn)流摆动到峰值電(diàn)流。

步骤 4 — 选择 DC 到 DC 转换器

此步骤包含以下信息：

DC-DC 转换器提供最大 I 并具有(yǒu)满足上述步骤 3 中计算出的目标阻抗的输出阻抗。

对于任何電(diàn)源，DC-DC 转换器可(kě)以是开关模式或線(xiàn)性的。

开关模式電(diàn)源总是更高效。

当应用(yòng)筆(bǐ)记仅提及線(xiàn)性稳压器时，就像在 FPGA 上经常发生的那样，这是因為(wèi)作者不知道如何抑制在选择不正确電(diàn)容器时经常出现在此类稳压器输出端的开关瞬变。本文(wén)档中的方法解决了这一问题，因此不需要線(xiàn)性電(diàn)源。

步骤 5 — 构建 PDS 的框图

图 2所示的電(diàn)力传输系统框图成為(wèi)原理(lǐ)图集的第 2 页。

图 2. 显示電(diàn)力输送系统的典型原理(lǐ)图的第 2 页

步骤 6 — 计算旁路電(diàn)容器的数量和值

此步骤涉及计算满足上述步骤 3 中计算出的目标阻抗所需的旁路電(diàn)容器的数量和值。这涉及覆盖从 DC-DC 转换器停止调节到至少 100 MHz的频率范围。选择这个频率范围是知道处理(lǐ)器内核和网络处理(lǐ)器内核可(kě)能(néng)会在该范围内以任何速率从待机電(diàn)流变為(wèi)活动電(diàn)流，具體(tǐ)取决于流量。有(yǒu)多(duō)种工具可(kě)用(yòng)于此步骤，包括 Altera 网站上的 PDN_Tool_V10。注意：此工具现在称為(wèi)英特尔 PDN 工具 2.0。必须使用(yòng) X7R 或 X5R 等有(yǒu)损陶瓷電(diàn)容器以确保 PDS 中不会出现不需要的谐振。

步骤 7 — 创建電(diàn)容器页面

此步骤涉及為(wèi)步骤 6 中执行的计算得出的所有(yǒu)電(diàn)容器创建一个電(diàn)容器页面。该页面成為(wèi)原理(lǐ)图集的第 3 页。重要的是不要将旁路電(diàn)容器散布在元件旁边的原理(lǐ)图的各个表周围，因為(wèi)这种做法使得很(hěn)难确定 PDS 中的電(diàn)容器数量和类型。此外，整个原理(lǐ)图中的散射電(diàn)容器不会為(wèi)设计增加任何价值。虽然一些应用(yòng)筆(bǐ)记可(kě)能(néng)会使用(yòng)诸如“尽可(kě)能(néng)靠近”的说明指定将電(diàn)容器放置在组件旁边，并且还指定任意数量的電(diàn)容器，但这种建议已被证明是无效的。应忽略应用(yòng)筆(bǐ)记中的電(diàn)容器使用(yòng)说明，并且应遵循参考文(wén)献 1 中描述的 PDN 设计方法中阐明的程序。最终的電(diàn)容器页面显示在图3。

图 3. 原理(lǐ)图中的典型旁路電(diàn)容器阵列

步骤 8 — 确定平面電(diàn)容

这里，确定了来自步骤 2 的每个電(diàn)源電(diàn)压所需的平面電(diàn)容。该计算不像用(yòng)于确定分(fēn)立電(diàn)容器数量那样简单。需要最多(duō)平面電(diàn)容的電(diàn)压是那些提供宽单端数据总線(xiàn)的電(diàn)压。第 171 页的参考文(wén)献 1 中描述了一种计算所需平面電(diàn)容近似值的方法。该公式已被证明是保守但可(kě)靠的。

步骤 9 — 构建主 PCB 叠层

重要的是提供足够的平面对来创建在步骤 8 中计算的平面间電(diàn)容，并提供足够的信号层来包含预期的导線(xiàn)负载。典型的叠层图如图 4所示。

图 4. 典型的 PCB 堆叠

步骤 10 到 12 包括以下内容：

第 10 步：

针对串扰、反射、Vdd/接地弹跳和纹波要求，对框图中的每种逻辑类型执行噪声容限分(fēn)析。

第 11 步：

模拟框图中显示的每种网络类型的至少一个成员，以确定终止和排序要求。

第 12 步：

构建技术表，如图 5所示，其中列出了每一类网络的布線(xiàn)、频率、间距和端接要求。

图 5. 典型技术表

步骤 13 到 19 包括以下内容：

第 13 步： 

完成原理(lǐ)图。

第 14 步： 

向原理(lǐ)图添加可(kě)测试性功能(néng)，例如阻抗测试迹線(xiàn)和平面電(diàn)容访问测试点。

第 15 步： 

将元件放置在 PCB 表面，评估可(kě)布線(xiàn)性并进行热分(fēn)析。这包括根据需要调整布局和堆叠以满足两组需求。此外，沿 PCB 的一个边缘添加堆叠条纹，以允许检查成品 PCB 的最终堆叠。

第 16 步： 

确定焊盘堆叠尺寸和孔的最小(xiǎo)间距，以确保平面中的间隙孔之间有(yǒu)平面腹板，并满足绝缘要求、纵横比要求和孔环要求。

第 17 步： 

建造钻台和制造图。

第 18 步： 

使用(yòng)生成的检查表布線(xiàn) PCB，以确保设计过程中的所有(yǒu)步骤都以令人满意的方式完成。

第 19 步： 

将艺术品运送到制造商(shāng)。

概括

一套完整的工艺设计步骤有(yǒu)助于确保设计和制造電(diàn)路板设计所需的所有(yǒu)信息都已為(wèi) PCB 指定，该 PCB 将在第一次以及整个产品生命周期中正常工作。此信息包含所有(yǒu)電(diàn)路板特性，包括总線(xiàn)和信号、Vdd 電(diàn)压和 Vdd 轨阻抗、DC-DC 转换器和旁路電(diàn)容器。作為(wèi)此过程的结果创建的原理(lǐ)图成為(wèi)交付的原理(lǐ)图集的一部分(fēn)。遵循这些步骤将确保 PCB 设计过程是彻底和优化的，以尽可(kě)能(néng)快地满足调度和成本要求。