優化數字電路的 PCB設計規則

2021-10-13

優化數字電路的 PCB設計規則

在電路板上緊密放置的組件

任何布置過印刷電路板的人無疑都熟悉 PCB設計規則和約束。早期在 PCB設計 CAD 工具的開發中引入的規則和約束最初使設計人員無法將不同的網絡短接在一起，但僅此而已。雖然這在當時是一個巨大的幫助，但 PCB設計人員繼續要求在他們的設計規則中提供更多功能，以涵蓋他們正在使用的不同類型的電路配置。

在當今的 CAD 系統中，設計規則和約束已得到增強，可為設計人員提供他們所需的控制類型。這是一種令人欣慰的解脫，因為設計人員經常發現自己在處理將電源、模擬、RF 和數字電路都集成在同一塊板上的復雜設計。在本文中，我們將探討與數字電路的 PCB設計規則相關的一些要求，以及如何為您的下一個布局最好地優化這些規則。

數字電路的電氣和制造要求

為了使電路板能夠以電氣方式運行并無錯誤地制造，它必須根據一組特定的規則進行設計。這些規則不僅控制電路板上不同元件的大小和形狀，而且還強制要求元件之間的間距。受這些設計規則約束的元素可以包括組件、連接組件之間網絡的走線，以及連接電路板不同層之間走線的過孔。

元件放置

電路板上的部件需要有策略地放置，以提供它們之間的最佳連接長度。在處理高速設計時尤其如此，其中多個組件可能是整個高速信號路徑的一部分。其他組件（例如旁路電容器）需要靠近分配給它們的設備上的電源引腳放置，并且電源組件需要彼此盡可能靠近。

盡管這些放置要求彼此接近，但仍需要對零件進行定位，以最好地促進 PCB制造。電路板元件之間需要有足夠的間隙，以進行自動化組裝、焊接工藝和手動返工。連接器和其他人機界面需要可訪問性，并且部件的放置也必須牢記熱冷卻。

跟蹤路由

印刷電路板上的差分對布線

盡管可以使用默認值處理很大一部分電路板的走線布線，但許多網絡將需要唯一的走線寬度和間距值，包括以下值：

差分對路由： 差分信令需要兩個相同的信號，一個被反轉，才能傳輸一個完整的數據信號。信號的信息是從反相和非反相信號之間的差異中破譯出來的。這會降低噪聲和 EMI，但要求兩條信號走線長度相等，寬度和間距一致（如上圖所示）。

時鐘和數據線：時鐘信號協調電路的活動，它們的脈沖將觸發數據的輸入和輸出。這需要這些敏感線和其他信號之間有足夠的間距以及特定的走線長度，以確保時鐘線和數據線相互匹配。

阻抗控制路由：高頻走線中的電容和電感會阻礙信號的電流流動，并會降低信號質量?？刂七@一點需要電路板疊層中的特定層厚和介電材料、精確的走線寬度和厚度，以及靠近相鄰參考平面層上的信號返回路徑。

過孔

使用不同尺寸和形狀的過孔取決于它們所使用的網絡。例如，電源和接地網絡通常需要比常規信號網絡更大的過孔。過孔的類型也各不相同，高速布線使用較小的盲埋孔或微孔來實現物理空間和電氣性能。

這些不同的電氣和制造要求可以通過在 PCB布局工具中設置的設計規則來控制（如下圖所示）。但是，設計中還有更多的要求需要考慮。

如何在數字電路的 PCB設計規則中設置差分對布線的示例

電源、接地和參考平面

根據電路的要求，電源和接地走線最終可能有幾種不同的走線寬度和間距值。例如，數字電路板上電源內的布線可能需要異常寬的走線來處理增加的電流和溫度。寬走線還將通過降低電感和控制串擾噪聲來幫助電路板的電源完整性。

雖然會有必須控制寬度和間距的短連接跡線，但多層電路板上的大部分功率將通過覆銅和金屬平面層傳導。還必須對這些進行控制，以確保您的供電網絡(PDN) 為所有必要組件提供清潔電力。幸運的是，這些電源布線寬度和平面連接都可以通過設計規則進行控制（如下所示）。

為 PCB設計中的電源和接地設置規則和約束

PDN 的另一個重要部分是板層堆疊中的接地層。這些層對于電路板的信號和電源完整性至關重要，并提供以下好處：

清晰的返回路徑：為了消除漂移信號返回產生噪聲的機會，接地參考平面為高速信號提供了清晰和直接的返回路徑。

EMI 屏蔽：接地層還提供屏蔽以保護敏感電路免受外部電磁干擾的威脅。

過濾開關噪聲：當數字電路在高低狀態之間切換時，它們會在接地電路中產生另一個噪聲源。通過使用大金屬平面，與使用跡線布線接地相比，平面的較低阻抗將降低噪聲。

散熱：接地層還可以用作散熱器，幫助散發熱運行組件的熱量。

電源層和接地層的另一個重要部分是控制與散熱墊的連接。這些輻條形元件可防止大金屬平面充當焊接工作的散熱器，同時仍提供足夠的連接以實現良好的電源完整性。

所有這些組件、布線、過孔和平面考慮因素都必須通過使用 PCB設計規則來控制。接下來，我們將研究如何設置和優化這些規則，以最大限度地為您的設計帶來好處。

為數字電路設置 PCB設計規則

目前使用的大多數 PCB設計 CAD 系統都能夠在原理圖和布局之間傳輸規則。這對設計團隊來說是一個巨大的好處，因為它允許原理圖驅動設計規則，而不是等待在布局端輸入所有約束。這種組織級別使電氣工程師能夠設置對他們正在設計的電路至關重要的特定網絡和組件規則。布局團隊也不需要依賴書面或轉發的指令，因為設計數據庫中已經存在網絡規則。

以下是數字電路的 PCB設計規則領域，應重點關注以確保電路板布局正確：

默認值：大多數設計工具都會從其設計規則中的一組默認值開始。這些可能是以前設計的“遺留物”或真正的系統默認值。布局設計人員有責任在開始之前確認這些值，以確保它們不會以不正確的走線寬度進行布線或將組件彼此放置得太近。

類：雖然可以為單個網絡或組件設置大多數設計規則，但如果您有數百個需要獨特規則和約束的對象，那么處理起來會非常乏味。大多數設計工具提供了一個設置網絡和組件類別的系統，以使規則和約束設置更容易。例如，您可以為 +5V、-5V、+15V、-15V 和 3.3V 網絡設置獨特的走線寬度和間距要求，或者您可以為一個功率等級創建一組規則并將這些網絡添加到其中. 時鐘和數據網絡的類以及不同類型的組件也是如此。

高速設計規則：設計規則也可用于高速約束，布局團隊應充分利用其設計規則的全部功能以獲得最大收益。例如，可以設置特定的走線長度以及與其他走線的長度匹配，這在布線時鐘和數據線時非常有用。可以設置差分對，將走線以設定的距離布線在一起，并且可以為特定的網絡特性指定獨特的走線拓撲。還可以為阻抗控制的布線自動設置走線寬度，并且可以將過孔類型和尺寸專門分配給網絡或網絡類別。

在用于數字電路的現代 PCB設計 CAD 系統中有許多不同的設計規則特征；到目前為止，我們只討論了路由約束。接下來，我們將查看一些可以設置的其他規則和約束。

在 Cadence Allegro 約束管理器中設計裝配規則

PCB設計規則和約束的其他用途

除了數字電路的標準 PCB設計規則（包括元件放置、走線布線以及電源和接地）之外，還有許多可以專門為制造設置的規則。其中包括控制阻焊帶、焊膏覆蓋、絲印重疊和測試點間距的規則。PCB設計 CAD 工具（例如 Cadence 的 Allegro PCB Editor）具有用于電路板制造和組裝的特定規則集，其中還包含這些規則和許多其他規則。您可以在上圖中看到這些裝配約束的示例。

當從機械 CAD 系統導入數據以檢查電路板和系統外殼之間的對象到對象間隙時，也會使用設計規則和約束。許多系統，例如 Cadence Allegro，都具有完整的 3D 畫布功能，允許用戶查看和檢查他們的設計與導入的機械數據甚至其他 PCB設計。而且，一旦設計規則完全設置和完善，它們就可以導出并保存以供將來的設計使用。