并行PCB設(shè)計(jì)的原則

隨著它們承載的器件的復(fù)雜性提高，PCB設(shè)計(jì)也變得越來越復(fù)雜。相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間以來，電路設(shè)計(jì)工程師一直相安無事地獨(dú)立進(jìn)行自己的設(shè)計(jì)，然后將完成的電路圖設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)給PCB設(shè)計(jì)工程師，PCB設(shè)計(jì)工程師獨(dú)立完整自己的工作后，將Gerber文件再轉(zhuǎn)給PCB制造廠。電路設(shè)計(jì)工程師、PCB設(shè)計(jì)工程師和PCB制造廠的工作都是相互隔離的，少有溝通。

隨著采用大型BGA封裝的可編程器件的應(yīng)用不斷普及，以及高密度互連(HDI)、時(shí)序關(guān)鍵的差分對(duì)信令的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在再采用這樣一種相互隔離的PCB設(shè)計(jì)方式將帶來災(zāi)難性后果,而并行開發(fā)流程允許多個(gè)開發(fā)過程同步進(jìn)行，有助于確保設(shè)計(jì)成功，避免延誤、額外開銷以及返工。本文總結(jié)了并行PCB設(shè)計(jì)各個(gè)階段的關(guān)鍵準(zhǔn)則。

PCB設(shè)計(jì)的第一步是在概念階段。這時(shí)，電路設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該與PCB設(shè)計(jì)工程師一起進(jìn)行技術(shù)評(píng)估。這個(gè)評(píng)估應(yīng)考慮這么一些問題：
1. 采用哪些器件？
2. 器件選用哪種封裝？管腳數(shù)多少？管腳配置怎樣？
3. 基于成本和性能的權(quán)衡，采用幾層PCB？
4. 時(shí)鐘頻率和信令速度等參數(shù)的目標(biāo)值是什么？

此外，設(shè)計(jì)工程師還應(yīng)考慮總線架構(gòu)、是采用并行還是串行連接等因素，以及阻抗匹配策略。阻抗不匹配時(shí)會(huì)出現(xiàn)反射、振鈴及其它不期望的干擾。

協(xié)同工作

PCB設(shè)計(jì)的這些考慮提出了成功PCB設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問題是溝通，因?yàn)镻CB設(shè)計(jì)不再是一個(gè)人的工作，而是不同組的工程師之間的團(tuán)隊(duì)合作。溝通這一主旨貫穿整個(gè)PCB設(shè)計(jì)流程的始終，電路設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須清楚地就其設(shè)計(jì)意圖與PCB設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行溝通，他們還必須在清楚了解其PCB設(shè)計(jì)工具能干什么、不能做什么的前提下參與到該過程中。

隨著PCB布線的復(fù)雜性日益增加，信號(hào)速率日益提高，協(xié)同的PCB設(shè)計(jì)方式可比傳統(tǒng)的串行流程得到更好效果(圖1)。將對(duì)元件的研究和選擇與整個(gè)設(shè)計(jì)流程的其它部分隔離開，以及將原理圖輸入、仿真與布局布線階段也獨(dú)立出來一直是常用手法。因此，設(shè)計(jì)工程師最好選擇便于分享數(shù)據(jù)的工具和流程，這是在分布在不同地方的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能利用并行工作的好處并縮短整個(gè)設(shè)計(jì)周期的唯一途徑。

圖：(a) 傳統(tǒng)PCB串行開發(fā)流程的設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，信息共享有限，而成本持續(xù)上升；(b) 并行開發(fā)流程允許多個(gè)開發(fā)程同步進(jìn)行，有助于確保設(shè)計(jì)成功，避免延誤、額外開銷以及返工。

設(shè)計(jì)創(chuàng)建

在設(shè)計(jì)創(chuàng)建階段，工程師將最終確定好器件并為其生成各種庫(kù)，這樣反過來又加快了原理圖輸入。在該階段，設(shè)計(jì)工程師評(píng)估和選擇構(gòu)造模塊，并可以登陸制造商的網(wǎng)站搜索數(shù)據(jù)表和規(guī)范。完成這項(xiàng)工作的一個(gè)更好方法，是直接在原理圖輸入過程中選擇器件。通過以這種方式來實(shí)現(xiàn)原理圖輸入，這個(gè)流程可被用作為一種試驗(yàn)方法。

在原理圖輸入過程中，設(shè)計(jì)工程師能迅速添加、刪減或變更器件(甚至整個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu))的能力很重要。例如，為手機(jī)開發(fā)高頻濾波器的設(shè)計(jì)工程師應(yīng)在原理圖輸入時(shí)，通過對(duì)不同容抗和感抗值進(jìn)行試驗(yàn)來設(shè)定通帶及其它濾波器參數(shù)。

在創(chuàng)建原理圖時(shí)，PCB設(shè)計(jì)工具也在后臺(tái)為該電路生成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)表。網(wǎng)絡(luò)表描述了電路的器件如何連接以及后續(xù)放置和布線工具如何將其用于PCB布局布線的信息。

此時(shí)，設(shè)計(jì)工程師將為諸如FPGA或其它可編程器件等所謂的“大元件”創(chuàng)立符號(hào)和物理管腳布局布線圖。也是在這個(gè)時(shí)候，設(shè)計(jì)約束被捕獲，這是一個(gè)需要審慎思考的關(guān)鍵步驟，特別是對(duì)后續(xù)流程而言。

對(duì)于目前的PCB設(shè)計(jì)來說，最好一切都按規(guī)矩辦。過去是受到制造問題的制約，而現(xiàn)在當(dāng)工程師努力減小PCB的體積且仍使其具有可制造性時(shí)，一切都要受到復(fù)雜約束的限制。雖然設(shè)計(jì)需求也許會(huì)導(dǎo)致大量約束，但不讓設(shè)計(jì)被過分約束也很重要。與簡(jiǎn)單地用約束設(shè)計(jì)相比，更多地借鑒仿真和分析是更明智的方法。

在設(shè)計(jì)創(chuàng)建過程中，工程師需留意也許會(huì)在后續(xù)流程中出現(xiàn)的信號(hào)完整性問題。最好在設(shè)計(jì)輸入階段及PCB布局布線階段就將信號(hào)完整性問題考慮進(jìn)去，當(dāng)然設(shè)計(jì)流程必須支持這種方式，因?yàn)闊o法在設(shè)計(jì)輸入階段解阻抗失配問題。

仿真是關(guān)鍵

電路一旦設(shè)計(jì)完成并繪制好原理圖后，接著就該進(jìn)行功能驗(yàn)證，它通常采用仿真工具完成。仿真的目的不是取代物理原型生成，而為了避免反復(fù)生成原型，因?yàn)榉抡媸乖O(shè)計(jì)工程師能發(fā)現(xiàn)一般要等到原型生成才能發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)缺陷。

在仿真過程中，可以嘗試各種設(shè)計(jì)拓?fù)洌⒂貌煌?a target="_blank">廠商的器件進(jìn)行替代，來檢驗(yàn)它們對(duì)電路性能的影響。但在仿真時(shí)，伴隨模型的可用性及有效性的問題層出不窮。目前所有常用的PCB設(shè)計(jì)工具包都帶有昂貴的模型庫(kù)，但可能不止一次會(huì)出現(xiàn)某個(gè)特定器件不在庫(kù)內(nèi)的情況。但器件供應(yīng)商一般會(huì)通過在其網(wǎng)站上推出Spice模型來解決此問題，因此通過器件供應(yīng)商網(wǎng)站查找它們是個(gè)好主意。

迂回布線的限制

但基于Spice的仿真也存在局限性，它能生成理想化從而不一定代表真實(shí)條件的仿真信號(hào)。真實(shí)信號(hào)可能有改變真實(shí)性的噪聲和相移。

美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)的PCB設(shè)計(jì)流程包括虛擬儀器，可將該儀器與NI的許多PXI儀器一起使用，以生成保留隨帶的非線性成分的真實(shí)信號(hào)。這些信號(hào)能以固有的文件格式來捕獲，以用在驗(yàn)證電路行為的Spice仿真上。另外，虛擬原型可提供對(duì)器件選擇的反饋。

系統(tǒng)級(jí)的仿真也很關(guān)鍵，它不僅僅是對(duì)一個(gè)通過PCB的信號(hào)實(shí)施建模，還必須檢查信號(hào)在器件內(nèi)甚或通過多個(gè)板卡時(shí)都有什么變化。數(shù)Gb的信令速率是使情況更復(fù)雜的另一個(gè)因素。串行總線架構(gòu)比并行總線架構(gòu)更受青睞，這就要求PCB設(shè)計(jì)工程師對(duì)損耗、耦合傳輸線及詳盡的過孔模型實(shí)施仿真。

物理實(shí)現(xiàn)

當(dāng)通過仿真剔除性能問題后，下一步是對(duì)電路進(jìn)行布局布線以生成物理原型。布局布線要確保電路性能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，并保證板卡外形匹配設(shè)計(jì)形態(tài)參數(shù)。這時(shí)與機(jī)械工程師一起合作將非常必要。

在布局布線階段，由原理圖定義的器件間的互連可由任一家EDA供應(yīng)商提供的布局布線和布線工具實(shí)現(xiàn)。所有這些工具都將提供一定程度的自動(dòng)布局布線功能，但它是一把雙刃劍。設(shè)計(jì)工程師需要判斷何時(shí)進(jìn)行手工布線，何時(shí)采用自動(dòng)布線。如果要放置一個(gè)關(guān)鍵元件，或者必須將一個(gè)連接器放在PCB邊緣上，就不要采用自動(dòng)布局布線功能。

欣慰的是，在進(jìn)行布局布線時(shí)，可以對(duì)信號(hào)完整性問題做些前瞻性考慮。這是個(gè)必須認(rèn)真對(duì)待的階段。一般的經(jīng)驗(yàn)是，如果信號(hào)到達(dá)目的地所用的時(shí)間超過轉(zhuǎn)換時(shí)間的1/3，則在該路徑上可能存在信號(hào)完整性問題。

設(shè)計(jì)約束

PCB布局布線存在許多挑戰(zhàn)，其中最主要挑戰(zhàn)是確保滿足約束條件。這些約束被用來解決信號(hào)完整性問題、可制造性問題、電磁干擾、熱效應(yīng)或上述這些問題的組合。

除設(shè)計(jì)約束外，許多與目前特定器件技術(shù)相關(guān)的因素使PCB布局布線更加復(fù)雜，例如板載芯片(COB)等先進(jìn)半導(dǎo)體封裝技術(shù)可令布線變得極其棘手。目前的高密度封裝可以容下2,000多個(gè)管腳，管腳間距不到0.65mm。這種封裝將給管理I/O和信號(hào)速度帶來很大困難，對(duì)這種封裝進(jìn)行迂回布線(Escape Routing)也是一個(gè)高技巧工作。

對(duì)可編程邏輯器件進(jìn)行PCB布局布線是另一個(gè)挑戰(zhàn)。一些高端PCB設(shè)計(jì)工具包(比如Altium和Mentor Graphics公司提供的PCB設(shè)計(jì)工具包)能與FPGA供應(yīng)商的設(shè)計(jì)工具緊密鏈接，并可用來完成FPGA和PCB本身的集成設(shè)計(jì)。

以前，大型FPGA的管腳配置一般由FPGA設(shè)計(jì)工程師完成，但在進(jìn)行配設(shè)時(shí)并沒對(duì)PCB布局布線有太多考慮。人們現(xiàn)在意識(shí)到，帶可編程I/O的FPGA是走線進(jìn)或出的源頭，改變FPGA以迎合PCB布局布線比改變PCB來匹配FPGA的I/O設(shè)置要容易地多。

最后檢查

在將PCB版圖拿去制造前的最后步驟是最終檢查。必須檢查信號(hào)完整性和時(shí)序以確保信號(hào)能及時(shí)到達(dá)目的地并具有充分的品質(zhì)保證。設(shè)計(jì)約束沖突將在此時(shí)表露出來，對(duì)此要進(jìn)行權(quán)衡。

在該階段，最大挑戰(zhàn)之一是盡量將這些設(shè)計(jì)流程的最后驗(yàn)證步驟提前，具有更好的約束是實(shí)現(xiàn)這種要求的一個(gè)關(guān)鍵。若在創(chuàng)建設(shè)計(jì)過程中，在確定約束的同時(shí)還可進(jìn)行分析，則改善約束條件的質(zhì)量。

PCB設(shè)計(jì)最后必須生成制造數(shù)據(jù)，包括全部與生產(chǎn)、組裝及測(cè)試相關(guān)的文檔。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)成員與制造廠家之間必須都有充分溝通，以了解制造商的技術(shù)能力和限制。另外，必須對(duì)制造數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證以使設(shè)計(jì)工程師有最后機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。

備注：本文采用了Zuken公司的高級(jí)應(yīng)用工程師Ed Duranty、美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)的產(chǎn)品營(yíng)銷工程師Bhavesh Mistry、Mentor Graphics公司的業(yè)務(wù)拓展總監(jiān)David Wiens、Altium公司的產(chǎn)品知識(shí)總監(jiān)Phil Loughhead和產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Rob Irwin的部分觀點(diǎn)。