集成系統PCB板設計的新技術(shù)

概述

目前的電子設計大多是集成系統級設計,整個(gè)項目中既包含硬件整機設計又包含軟件開(kāi)發(fā)。這種技術(shù)特點(diǎn)向電子工程師提出了新的挑戰。首先,如何在設計早期將系統軟硬件功能劃分得比較合理,形成有效的功能結構框架,以避免冗余循環(huán)過(guò)程;其次,如何在短時(shí)間內設計出高性能高可靠的PCB板。因為軟件的開(kāi)發(fā)很大程度上依賴(lài)硬件的實(shí)現,只有保證整機設計一次通過(guò),才會(huì )更有效的縮短設計周期。本文論述在新的技術(shù)背景下,系統板級設計的新特點(diǎn)及新策略。

眾所周知,電子技術(shù)的發(fā)展日新月異,而這種變化的根源,主要一個(gè)因素來(lái)自芯片技術(shù)的進(jìn)步。半導體工藝日趨物理極限,現已達到深亞微米水平,超大規模電路成為芯片發(fā)展主流。而這種工藝和規模的變化又帶來(lái)了許多新的電子設計瓶頸,遍及整個(gè)電子業(yè)。板級設計也受到了很大的沖擊,最明顯的一個(gè)變化是芯片封裝的種類(lèi)極大豐富,如BGA,TQFP,PLCC等封裝類(lèi)型的涌現;其次,高密度引腳封裝及小型化封裝成為一種時(shí)尚,以期實(shí)現整機產(chǎn)品小型化,如：MCM技術(shù)的廣泛應用。另外,芯片工作頻率的提高,使系統工作頻率的提高成為可能。

而這些變化必然給板級設計帶來(lái)許多問(wèn)題和挑戰。首先,由于高密度引腳及引腳尺寸日趨物理極限,導致低的布通率;其次,由于系統時(shí)鐘頻率的提高,引起的時(shí)序及信號完整性問(wèn)題;第三,工程師希望能在PC平臺上用更好的工具完成復雜的高性能的設計。由此,我們不難看出,PCB板設計有以下三種趨勢：

· 高速數字電路(即高時(shí)鐘頻率及快速邊沿)的設計成為主流。

· 產(chǎn)品小型化及高性能必須面對在同一塊板上由于混合信號設計技術(shù)(即數字、模擬及射頻混合設計)所帶來(lái)的分布效應問(wèn)題。

·  設計難度的提高,導致傳統的設計流程及設計方法,以及PC上的CAD工具很難勝任當前的技術(shù)挑戰,因此,EDA軟件工具平臺從UNIX轉移到NT平臺成為業(yè)界公認的一種趨勢。

高速數字系統PCB板解決方案

一般情況下,當信號的互連延遲大于邊沿信號翻轉閥值時(shí)間的20%時(shí),板上的信號導線(xiàn)就會(huì )顯示出傳輸線(xiàn)效應,即連線(xiàn)不再是顯示集總參數的單純的導線(xiàn)性能,而是呈現分布參數效應,這種設計即為高速設計。

在高速數字系統設計中,設計者必須解決由寄生參數所導致的錯誤翻轉及信號失真問(wèn)題-即時(shí)序和信號完整性問(wèn)題。目前這也是高速電路設計者必須解決的瓶頸問(wèn)題。

傳統的物理規則驅動(dòng)

我們可以發(fā)現在傳統的高速電路設計中,電氣規則設定和物理規則設定是分開(kāi)的。這就帶來(lái)了以下的缺陷：

· 在設計早期工程師不得不花費很多精力進(jìn)行詳盡的前后端(即,邏輯建立-物理實(shí)現)分析,以規劃出滿(mǎn)足電氣需求的物理布線(xiàn)策略。

·高速效應是一個(gè)復雜的課題,不能簡(jiǎn)單的通過(guò)布線(xiàn)長(cháng)度及并行線(xiàn)的控制達到預期的效果。

· 設計者必然會(huì )面對這樣的困境,帶有假象成分的物理規則在實(shí)際布線(xiàn)中根本不適用,他不得不反復進(jìn)行規則修改,使其具有實(shí)用價(jià)值。

·  當布線(xiàn)完成之后,可以用后驗證工具進(jìn)行分析。但如果發(fā)現問(wèn)題,工程師必須返回到設計中,進(jìn)行結構或規則的調整。這是一個(gè)循環(huán)的冗余過(guò)程。必然會(huì )影響產(chǎn)品上市時(shí)間。

·  當設計中僅有幾根或幾十根關(guān)鍵線(xiàn)網(wǎng)時(shí),物理規則驅動(dòng)可以很好的完成設計任務(wù);但當設計中幾百根,甚至幾千根線(xiàn)網(wǎng)時(shí),物理規則驅動(dòng)的方法就根本無(wú)法勝任設計任務(wù)。

電子技術(shù)的發(fā)展呼喚新方法、新工具出現,來(lái)解決設計面臨的瓶頸問(wèn)題。為解決物理規則驅動(dòng)高速設計的缺陷,業(yè)界從事高速數字電路設計EDA工具研發(fā)的有識之士,在三年前提出了實(shí)時(shí)電氣規則驅動(dòng)物理布局布線(xiàn)的構想,從設計思想上對高速數字設計流程進(jìn)行了改革。

全新的電氣規則驅動(dòng)：互連綜合

·  互聯(lián)綜合是實(shí)時(shí)電氣規則驅動(dòng)方法的一個(gè)典型術(shù)語(yǔ),即在物理布局布線(xiàn)過(guò)程中,互聯(lián)綜合器實(shí)時(shí)根據電氣規則約束條件,進(jìn)行分析,提取出滿(mǎn)足設計者要求的布線(xiàn)策略,使設計一次通過(guò)成功。這種方法通過(guò)互聯(lián)綜合將電氣需求和物理實(shí)現精確的集成起來(lái),從根本上消除物理規則驅動(dòng)方法的缺陷。

互聯(lián)綜合流程如下：

· 在工具中輸入噪聲約束及時(shí)序約束規則;

· 時(shí)序控制布局,使之滿(mǎn)足時(shí)序約束要求;

· 執行信號完整性預優(yōu)化;

· 板級綜合,確保關(guān)鍵線(xiàn)網(wǎng)滿(mǎn)足電氣需求;

· 完成普通線(xiàn)網(wǎng)的布線(xiàn);

· 布線(xiàn)綜合優(yōu)化。

通過(guò)電氣規則驅動(dòng)的方法就能有效的在設計布局布線(xiàn)之前進(jìn)行質(zhì)量評估,檢測信號失真情況,確定匹配的線(xiàn)網(wǎng)拓撲結構及恰當的終端匹配結構和阻值。在完成布局布線(xiàn)后,可進(jìn)行后驗證,用軟件示波器直觀(guān)的檢測波形。對于這時(shí)所發(fā)現的時(shí)序及失真問(wèn)題,可用布線(xiàn)綜合優(yōu)化功能予以解決。

黃金工具組合及設計流程

現在有許多EDA  廠(chǎng)商均可以提供高速系統PCB設計的EDA工具,幫助用戶(hù)在這一領(lǐng)域中有效的提高設計質(zhì)量,縮短設計周期。在應用電氣規則驅動(dòng)方法的EDA系統板級工具中最具代表性的當數美國Mentor  Graphics公司ICX軟件包。它最早提出了互聯(lián)綜合概念,也是目前業(yè)界最成熟的工具組合。該軟件包有目前業(yè)界流行的即插即用的特點(diǎn),它可以集成在許多廠(chǎng)商的PCB經(jīng)典EDA設計流程中。

混合信號設計解決方案

由于設計小型化成為時(shí)尚,消費者需要高性能、低價(jià)位的商品,廠(chǎng)商為適應市場(chǎng)競爭,要求研發(fā)人員在盡可能短的時(shí)間內,開(kāi)發(fā)出不同種類(lèi)、不同功能配置的高性能低成本的產(chǎn)品,占領(lǐng)市場(chǎng)。這就帶給設計者許多新的設計挑戰。例如：在同一塊基板上利用數?；旌霞夹g(shù),甚至射頻技術(shù),來(lái)實(shí)現設計小型化及提高產(chǎn)品功能的目的。風(fēng)靡世界的手機就是一個(gè)最典型的例子。

業(yè)界同樣已有相應的解決方案-設計小組、并行設計、派生及設計復用是最典型的策略。

· 傳統的串行設計

即電子工程師在完成全部前端電路設計之后,轉交給物理板級設計者完成后端實(shí)現。設計周期是電路設計及板級設計時(shí)間之和。

新穎的并行設計

在小型化成為設計主流思想及混合技術(shù)被廣泛采納之后,串行設計方法就有些落伍了。我們必須從設計方法上進(jìn)行革新,同時(shí)利用功能強大的EDA工具來(lái)輔助設計者進(jìn)行設計,才能適應及時(shí)上市的要求。眾所周知,我們每個(gè)人不可能成為所有領(lǐng)域的專(zhuān)家,也不可能在短時(shí)間內將所有工作完成得最好、最快。設計小組的概念,在這種背景下提出,并得以廣泛的應用。目前許多公司均采取設計小組的方法,合作進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。