利用具有緊密元件放置的創造性布線解決方案

2021-06-18

利用具有緊密元件放置的創造性布線解決方案

當在研究實驗室工作并為我們自制的光學系統設計 PCB 時，我的布局又臟又亂。我們不擔心封裝、有限的電路板空間或緊湊的布線等小事。只要我們能夠將所有必需的組件都出現在電路板上，并且最終電路板變成了印刷電路，我們就很高興。

一旦我們的顯微鏡系統變得更加復雜，將我們的高速定制圖像設備連接到我們的顯微鏡意味著我們現在必須在狹窄的空間限制內工作，以免我們有巨大的 PCB 和一堆光學連接掛在一個更巨型顯微鏡。我們突然被迫想出創造性的組件布局和路由策略，只是為了讓我們所有的組件都適合狹窄的空間。

除非您使用 HDI 板，或者您的設備有一些嚴格的機械限制，否則您可能并不擔心板上的可用空間。隨著組件密度的增加和需要更多的連接，您需要使用一些創造性的布線方法和層堆棧，以確保在您的設計規則內操作時可以放置所有需要的連接。Altium Designer ? 中強大的CAD 和布線工具可以幫助您放置和布線組件，同時節省可用的電路板空間。

初始原理圖捕獲和布局

在接地平面直接位于頂層信號層下方的多層板上工作可以大大改進您的布線策略。如果成本或其他一些限制禁止使用四層或更多層的電路板，您仍然可以使用具有分離電源和接地層的兩層電路板，盡管您的布線可能不會在所有情況下都那么緊湊。使用多層板可讓您直接在信號下方放置接地層，從而降低 EMI 敏感性。您還可以使用直接連接到接地層的過孔來縮短或消除某些連接。

首先，我們要在 Altium 中定義我們的層堆疊。板層堆疊、預浸料、核心和表面材料可以在層堆疊管理器中定義。轉到“設計”下拉菜單，然后單擊“層堆棧管理器”。此對話框允許您設計自己的堆疊，或者您可以使用“預設”下拉菜單中的模板。下圖顯示了從預設模板創建的四層堆棧。

在 Altium 中定義四層板

此對話框可讓您更改電路板中的許多材料屬性。這為您提供了顯著的可定制性，因為您的真實電路板可能會使用FR-4 的替代品作為電路板基材。您還可以在層之間定義鉆孔對，并且可以在當前疊層中添加或刪除層。現在，我們將堅持使用四層板，以便我們可以根據需要輕松地將一些信號接地。

默認情況下，電路板將僅在“組件側”和“焊接側”層之間定義鉆孔對。在這里，我們要定義“Component Side”和“Ground Plane”層之間的鉆孔對，以及“Component Side”和“Power Plane”層之間的鉆孔對。

Altium 包括許多交互式布線功能，可以輕松開始布線您的電路板，尤其是當您使用 FPGA 等高引腳密度組件時。根據您為電路板定義的層堆棧和鉆孔對，Altium 將決定如何最好地布線您的連接，同時仍然符合您的設計規則。

捕獲原理圖作為 PCB 布局

一旦定義了電路板堆疊，您就可以將原理圖導入初始布局并開始排列組件。我們將使用的原理圖包括一個連接到 3 個 1 到 32 解碼器的緩沖器。為簡潔起見，我們已啟用每個解碼器中的所有 1-to-8 部分，但您可以使用第二個緩沖區或其他電路輕松控制啟用/禁用每個 1-to-8 部分。

Altium 中包含多個 IC 的示意圖

接下來，您需要創建一個新的 PCB 并打開它。轉到“設計”菜單并選擇“從...導入更改”。這將打開一個 ECO 對話框，允許您將原理圖中的所有更改導入到空白印刷電路板中。單擊“執行更改”按鈕后，Altium 將檢查錯誤，然后將組件放置在空白 PCB 中。您新創建的布局將如下所示：

Altium 設計規則中的布線寬度規則

現在我們可以開始按照我們希望它們出現在板上的方式排列組件。您將有足夠的自由按照您認為合適的方式排列組件，但我們希望將它們排列得盡可能緊湊。這將防止在更高的信號切換速度下過渡到傳輸線行為，并消除對端接的需要。一種可能的布局如下所示：

我們在完成布線之前的初始 IC 布局。

此時，我們應該決定是要自動還是手動進行路由。如果計算原理圖中已經定義的連接數，您會看到有 103 個連接需要在布局中定義。手動鋪設所有這些連接將花費大量時間。相反，我們可以指定一個路由策略并允許 Altium 在檢查我們的設計規則時實施它。

轉到“路線”菜單，然后選擇“自動路線”和“全部...”。這將打開 Situs ? Routing Strategies 對話框，如下圖所示。您將能夠查看適用于許多不同布線策略的所有適用設計規則。您也可以定義自己的策略。在這里，我們將使用“默認多層板”策略。

Altium 中的路由策略對話框

單擊“全部路由”按鈕開始路由。該工具將需要一些時間來執行，因為它需要根據項目的標準設計規則來評估每個跡線。工具完成后，組件之間的連接將出現在頂層，您現在可以定義電路板形狀。在實際應用中，電路板形狀需要更大以容納其他組件，但我們可以了解該電路板占用的空間量。如果您測量電路板，我們會看到該電路板占地約 5.6 平方英寸。

我們的布線電路板

請注意，將 1 到 32 解碼器中的每一個交錯排列，為自動布線工具提供了足夠的空間在必要的地方放置過孔，并防止多條跡線重疊過多。

一種替代的、不太有效的策略

如果我們只對沒有電源或地平面的兩層板使用默認設置，我們也可以嘗試使用自動布線工具對這塊板進行布線。嘗試返回到上面顯示的層堆棧管理器，選擇默認的兩層配置，然后創建一個新的空白 PCB。您現在可以創建與以前相同的布局并使用自動布線工具來放置連接。自動布線工具將生成如下所示的布局：

在兩層板上完成布線

此布局占用的面積約為 7.2 平方英寸。使用四層堆疊可使您使用的空間比兩層板少約 24%。由于四層板在頂層正下方包括一個接地平面，因此與簡單的兩層板相比，它更不容易受到 EMI 的影響。顯然，創造性的元件放置并不是影響電路板布局的唯一因素；層堆棧起著關鍵作用。

如果您沒有注意到，使用這種兩層堆疊還需要我們將額外的走線路由到電源/接地總線或單獨的電源/接地點。這會進一步增加所需的印刷電路空間，并且不會消除這種布局中固有的 EMI 敏感性。

Altium 用戶友好的工作流管理解決方案從原理圖捕獲到供應鏈的捕獲，可以確保您知道啟動任何項目的路徑長度。Altium 中高度規則驅動的環境使您可以控制路由策略。將此與高級 CAD 工具和布線功能相結合，您將能夠設計具有任何布線要求的現代 PCB。Altium 中的 CAD 工具和布線功能為 PCB 設計樹立了新標準。