优化数字电路的PCB设计规则
优化数字电路的 PCB设计规则
在电路板上紧密放置的组件
任何布置过印刷电路板的人无疑都熟悉 PCB设计规则和约束。早期在 PCB设计 CAD 工具的开发中引入的规则和约束最初使设计人员无法将不同的网络短接在一起，但仅此而已。虽然这在当时是一个巨大的帮助，但 PCB设计人员继续要求在他们的设计规则中提供更多功能，以涵盖他们正在使用的不同类型的电路配置。
在当今的 CAD 系统中，设计规则和约束已得到增强，可为设计人员提供他们所需的控制类型。这是一种令人欣慰的解脱，因为设计人员经常发现自己在处理将电源、模拟、RF 和数字电路都集成在同一块板上的复杂设计。在本文中，我们将探讨与数字电路的 PCB设计规则相关的一些要求，以及如何为您的下一个布局最好地优化这些规则。
数字电路的电气和制造要求
为了使电路板能够以电气方式运行并无错误地制造，它必须根据一组特定的规则进行设计。这些规则不仅控制电路板上不同元件的大小和形状，而且还强制要求元件之间的间距。受这些设计规则约束的元素可以包括组件、连接组件之间网络的走线，以及连接电路板不同层之间走线的过孔。
元件放置
电路板上的部件需要有策略地放置，以提供它们之间的最佳连接长度。在处理高速设计时尤其如此，其中多个组件可能是整个高速信号路径的一部分。其他组件（例如旁路电容器）需要靠近分配给它们的设备上的电源引脚放置，并且电源组件需要彼此尽可能靠近。
尽管这些放置要求彼此接近，但仍需要对零件进行定位，以最好地促进 PCB制造。电路板元件之间需要有足够的间隙，以进行自动化组装、焊接工艺和手动返工。连接器和其他人机界面需要可访问性，并且部件的放置也必须牢记热冷却。
跟踪路由
印刷电路板上的差分对布线
尽管可以使用默认值处理很大一部分电路板的走线布线，但许多网络将需要唯一的走线宽度和间距值，包括以下值：
差分对路由： 差分信令需要两个相同的信号，一个被反转，才能传输一个完整的数据信号。信号的信息是从反相和非反相信号之间的差异中破译出来的。这会降低噪声和 EMI，但要求两条信号走线长度相等，宽度和间距一致（如上图所示）。
时钟和数据线：时钟信号协调电路的活动，它们的脉冲将触发数据的输入和输出。这需要这些敏感线和其他信号之间有足够的间距以及特定的走线长度，以确保时钟线和数据线相互匹配。
阻抗控制路由：高频走线中的电容和电感会阻碍信号的电流流动，并会降低信号质量。控制这一点需要电路板叠层中的特定层厚和介电材料、精确的走线宽度和厚度，以及靠近相邻参考平面层上的信号返回路径。
过孔
使用不同尺寸和形状的过孔取决于它们所使用的网络。例如，电源和接地网络通常需要比常规信号网络更大的过孔。过孔的类型也各不相同，高速布线使用较小的盲埋孔或微孔来实现物理空间和电气性能。
这些不同的电气和制造要求可以通过在 PCB布局工具中设置的设计规则来控制（如下图所示）。但是，设计中还有更多的要求需要考虑。
如何在数字电路的 PCB设计规则中设置差分对布线的示例
电源、接地和参考平面
根据电路的要求，电源和接地走线最终可能有几种不同的走线宽度和间距值。例如，数字电路板上电源内的布线可能需要异常宽的走线来处理增加的电流和温度。宽走线还将通过降低电感和控制串扰噪声来帮助电路板的电源完整性。
虽然会有必须控制宽度和间距的短连接迹线，但多层电路板上的大部分功率将通过覆铜和金属平面层传导。还必须对这些进行控制，以确保您的供电网络(PDN) 为所有必要组件提供清洁电力。幸运的是，这些电源布线宽度和平面连接都可以通过设计规则进行控制（如下所示）。
为 PCB设计中的电源和接地设置规则和约束
PDN 的另一个重要部分是板层堆叠中的接地层。这些层对于电路板的信号和电源完整性至关重要，并提供以下好处：
清晰的返回路径：为了消除漂移信号返回产生噪声的机会，接地参考平面为高速信号提供了清晰和直接的返回路径。
EMI 屏蔽：接地层还提供屏蔽以保护敏感电路免受外部电磁干扰的威胁。
过滤开关噪声：当数字电路在高低状态之间切换时，它们会在接地电路中产生另一个噪声源。通过使用大金属平面，与使用迹线布线接地相比，平面的较低阻抗将降低噪声。
散热：接地层还可以用作散热器，帮助散发热运行组件的热量。
电源层和接地层的另一个重要部分是控制与散热垫的连接。这些辐条形元件可防止大金属平面充当焊接工作的散热器，同时仍提供足够的连接以实现良好的电源完整性。
所有这些组件、布线、过孔和平面考虑因素都必须通过使用 PCB设计规则来控制。接下来，我们将研究如何设置和优化这些规则，以最大限度地为您的设计带来好处。
为数字电路设置 PCB设计规则
目前使用的大多数 PCB设计 CAD 系统都能够在原理图和布局之间传输规则。这对设计团队来说是一个巨大的好处，因为它允许原理图驱动设计规则，而不是等待在布局端输入所有约束。这种组织级别使电气工程师能够设置对他们正在设计的电路至关重要的特定网络和组件规则。布局团队也不需要依赖书面或转发的指令，因为设计数据库中已经存在网络规则。
以下是数字电路的 PCB设计规则领域，应重点关注以确保电路板布局正确：
默认值：大多数设计工具都会从其设计规则中的一组默认值开始。这些可能是以前设计的“遗留物”或真正的系统默认值。布局设计人员有责任在开始之前确认这些值，以确保它们不会以不正确的走线宽度进行布线或将组件彼此放置得太近。
类：虽然可以为单个网络或组件设置大多数设计规则，但如果您有数百个需要独特规则和约束的对象，那么处理起来会非常乏味。大多数设计工具提供了一个设置网络和组件类别的系统，以使规则和约束设置更容易。例如，您可以为 +5V、-5V、+15V、-15V 和 3.3V 网络设置独特的走线宽度和间距要求，或者您可以为一个功率等级创建一组规则并将这些网络添加到其中. 时钟和数据网络的类以及不同类型的组件也是如此。
高速设计规则：设计规则也可用于高速约束，布局团队应充分利用其设计规则的全部功能以获得最大收益。例如，可以设置特定的走线长度以及与其他走线的长度匹配，这在布线时钟和数据线时非常有用。可以设置差分对，将走线以设定的距离布线在一起，并且可以为特定的网络特性指定独特的走线拓扑。还可以为阻抗控制的布线自动设置走线宽度，并且可以将过孔类型和尺寸专门分配给网络或网络类别。
在用于数字电路的现代 PCB设计 CAD 系统中有许多不同的设计规则特征；到目前为止，我们只讨论了路由约束。接下来，我们将查看一些可以设置的其他规则和约束。
在 Cadence Allegro 约束管理器中设计装配规则
PCB设计规则和约束的其他用途
除了数字电路的标准 PCB设计规则（包括元件放置、走线布线以及电源和接地）之外，还有许多可以专门为制造设置的规则。其中包括控制阻焊带、焊膏覆盖、丝印重叠和测试点间距的规则。PCB设计 CAD 工具（例如 Cadence 的 Allegro PCB Editor）具有用于电路板制造和组装的特定规则集，其中还包含这些规则和许多其他规则。您可以在上图中看到这些装配约束的示例。
当从机械 CAD 系统导入数据以检查电路板和系统外壳之间的对象到对象间隙时，也会使用设计规则和约束。许多系统，例如 Cadence Allegro，都具有完整的 3D 画布功能，允许用户查看和检查他们的设计与导入的机械数据甚至其他 PCB设计。而且，一旦设计规则完全设置和完善，它们就可以导出并保存以供将来的设计使用。
在电路板上紧密放置的组件
任何布置过印刷电路板的人无疑都熟悉 PCB设计规则和约束。早期在 PCB设计 CAD 工具的开发中引入的规则和约束最初使设计人员无法将不同的网络短接在一起，但仅此而已。虽然这在当时是一个巨大的帮助，但 PCB设计人员继续要求在他们的设计规则中提供更多功能，以涵盖他们正在使用的不同类型的电路配置。
在当今的 CAD 系统中，设计规则和约束已得到增强，可为设计人员提供他们所需的控制类型。这是一种令人欣慰的解脱，因为设计人员经常发现自己在处理将电源、模拟、RF 和数字电路都集成在同一块板上的复杂设计。在本文中，我们将探讨与数字电路的 PCB设计规则相关的一些要求，以及如何为您的下一个布局最好地优化这些规则。
数字电路的电气和制造要求
为了使电路板能够以电气方式运行并无错误地制造，它必须根据一组特定的规则进行设计。这些规则不仅控制电路板上不同元件的大小和形状，而且还强制要求元件之间的间距。受这些设计规则约束的元素可以包括组件、连接组件之间网络的走线，以及连接电路板不同层之间走线的过孔。
元件放置
电路板上的部件需要有策略地放置，以提供它们之间的最佳连接长度。在处理高速设计时尤其如此，其中多个组件可能是整个高速信号路径的一部分。其他组件（例如旁路电容器）需要靠近分配给它们的设备上的电源引脚放置，并且电源组件需要彼此尽可能靠近。
尽管这些放置要求彼此接近，但仍需要对零件进行定位，以最好地促进 PCB制造。电路板元件之间需要有足够的间隙，以进行自动化组装、焊接工艺和手动返工。连接器和其他人机界面需要可访问性，并且部件的放置也必须牢记热冷却。
跟踪路由
印刷电路板上的差分对布线
尽管可以使用默认值处理很大一部分电路板的走线布线，但许多网络将需要唯一的走线宽度和间距值，包括以下值：
差分对路由： 差分信令需要两个相同的信号，一个被反转，才能传输一个完整的数据信号。信号的信息是从反相和非反相信号之间的差异中破译出来的。这会降低噪声和 EMI，但要求两条信号走线长度相等，宽度和间距一致（如上图所示）。
时钟和数据线：时钟信号协调电路的活动，它们的脉冲将触发数据的输入和输出。这需要这些敏感线和其他信号之间有足够的间距以及特定的走线长度，以确保时钟线和数据线相互匹配。
阻抗控制路由：高频走线中的电容和电感会阻碍信号的电流流动，并会降低信号质量。控制这一点需要电路板叠层中的特定层厚和介电材料、精确的走线宽度和厚度，以及靠近相邻参考平面层上的信号返回路径。
过孔
使用不同尺寸和形状的过孔取决于它们所使用的网络。例如，电源和接地网络通常需要比常规信号网络更大的过孔。过孔的类型也各不相同，高速布线使用较小的盲埋孔或微孔来实现物理空间和电气性能。
这些不同的电气和制造要求可以通过在 PCB布局工具中设置的设计规则来控制（如下图所示）。但是，设计中还有更多的要求需要考虑。
如何在数字电路的 PCB设计规则中设置差分对布线的示例
电源、接地和参考平面
根据电路的要求，电源和接地走线最终可能有几种不同的走线宽度和间距值。例如，数字电路板上电源内的布线可能需要异常宽的走线来处理增加的电流和温度。宽走线还将通过降低电感和控制串扰噪声来帮助电路板的电源完整性。
虽然会有必须控制宽度和间距的短连接迹线，但多层电路板上的大部分功率将通过覆铜和金属平面层传导。还必须对这些进行控制，以确保您的供电网络(PDN) 为所有必要组件提供清洁电力。幸运的是，这些电源布线宽度和平面连接都可以通过设计规则进行控制（如下所示）。
为 PCB设计中的电源和接地设置规则和约束
PDN 的另一个重要部分是板层堆叠中的接地层。这些层对于电路板的信号和电源完整性至关重要，并提供以下好处：
清晰的返回路径：为了消除漂移信号返回产生噪声的机会，接地参考平面为高速信号提供了清晰和直接的返回路径。
EMI 屏蔽：接地层还提供屏蔽以保护敏感电路免受外部电磁干扰的威胁。
过滤开关噪声：当数字电路在高低状态之间切换时，它们会在接地电路中产生另一个噪声源。通过使用大金属平面，与使用迹线布线接地相比，平面的较低阻抗将降低噪声。
散热：接地层还可以用作散热器，帮助散发热运行组件的热量。
电源层和接地层的另一个重要部分是控制与散热垫的连接。这些辐条形元件可防止大金属平面充当焊接工作的散热器，同时仍提供足够的连接以实现良好的电源完整性。
所有这些组件、布线、过孔和平面考虑因素都必须通过使用 PCB设计规则来控制。接下来，我们将研究如何设置和优化这些规则，以最大限度地为您的设计带来好处。
为数字电路设置 PCB设计规则
目前使用的大多数 PCB设计 CAD 系统都能够在原理图和布局之间传输规则。这对设计团队来说是一个巨大的好处，因为它允许原理图驱动设计规则，而不是等待在布局端输入所有约束。这种组织级别使电气工程师能够设置对他们正在设计的电路至关重要的特定网络和组件规则。布局团队也不需要依赖书面或转发的指令，因为设计数据库中已经存在网络规则。
以下是数字电路的 PCB设计规则领域，应重点关注以确保电路板布局正确：
默认值：大多数设计工具都会从其设计规则中的一组默认值开始。这些可能是以前设计的“遗留物”或真正的系统默认值。布局设计人员有责任在开始之前确认这些值，以确保它们不会以不正确的走线宽度进行布线或将组件彼此放置得太近。
类：虽然可以为单个网络或组件设置大多数设计规则，但如果您有数百个需要独特规则和约束的对象，那么处理起来会非常乏味。大多数设计工具提供了一个设置网络和组件类别的系统，以使规则和约束设置更容易。例如，您可以为 +5V、-5V、+15V、-15V 和 3.3V 网络设置独特的走线宽度和间距要求，或者您可以为一个功率等级创建一组规则并将这些网络添加到其中. 时钟和数据网络的类以及不同类型的组件也是如此。
高速设计规则：设计规则也可用于高速约束，布局团队应充分利用其设计规则的全部功能以获得最大收益。例如，可以设置特定的走线长度以及与其他走线的长度匹配，这在布线时钟和数据线时非常有用。可以设置差分对，将走线以设定的距离布线在一起，并且可以为特定的网络特性指定独特的走线拓扑。还可以为阻抗控制的布线自动设置走线宽度，并且可以将过孔类型和尺寸专门分配给网络或网络类别。
在用于数字电路的现代 PCB设计 CAD 系统中有许多不同的设计规则特征；到目前为止，我们只讨论了路由约束。接下来，我们将查看一些可以设置的其他规则和约束。
在 Cadence Allegro 约束管理器中设计装配规则
PCB设计规则和约束的其他用途
除了数字电路的标准 PCB设计规则（包括元件放置、走线布线以及电源和接地）之外，还有许多可以专门为制造设置的规则。其中包括控制阻焊带、焊膏覆盖、丝印重叠和测试点间距的规则。PCB设计 CAD 工具（例如 Cadence 的 Allegro PCB Editor）具有用于电路板制造和组装的特定规则集，其中还包含这些规则和许多其他规则。您可以在上图中看到这些装配约束的示例。
当从机械 CAD 系统导入数据以检查电路板和系统外壳之间的对象到对象间隙时，也会使用设计规则和约束。许多系统，例如 Cadence Allegro，都具有完整的 3D 画布功能，允许用户查看和检查他们的设计与导入的机械数据甚至其他 PCB设计。而且，一旦设计规则完全设置和完善，它们就可以导出并保存以供将来的设计使用。
标签：PCB设计
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