多層電路板設計：縮短設計時(shí)間才是王道

條理性是設計效率的關(guān)鍵，缺乏條理性會(huì )降低我們PCB設計的效率。以設計規則為例：在開(kāi)始新項目時(shí)，許多PCB設計工程師傾向于按照自己的設計規則來(lái)重新打造設計，而不是依靠一個(gè)適當的、有條理的、系統的規則方法。當時(shí)間因素至關(guān)重要時(shí)，這種做法會(huì )大大降低項目進(jìn)展，本文將討論可以提高多層電路板設計效率的規則方法。

一、多層電路板設計規則：一致性與庫管理

為每個(gè)正在進(jìn)行的新項目重新創(chuàng )建PCB設計規則是一種平常做法。這可能是因為設計部門(mén)尚無(wú)適當的制程來(lái)復用規則，或者只是因為PCB設計工程師不想重復使用這些規則。無(wú)論出于何種原因，這都表明需要更新設計工作流，以提高設計效率和一致性。如果不進(jìn)行改進(jìn)和提升，當前的工作流可能需要花費大量額外的時(shí)間和精力，且不一致性會(huì )導致繼承問(wèn)題。

每種多層電路板的設計規則都不相同。通常，我們期望PCB設計工程師充分了解規則，并能夠在每個(gè)設計中輸入相同的值。然而，即使他們的記憶正確，也總有輸入錯誤值的可能性。

缺乏一致性可能會(huì )最終導致整個(gè)系統中的多層電路板元件受到不同規則的控制。如果在同一制造面板上使用不同的電路板，這可能會(huì )是一個(gè)更大的問(wèn)題。如果在不同設計之間的 一層結構不同，則可能會(huì )導致制造延期、結構不良或重新設計。

為了簡(jiǎn)化創(chuàng )建多層電路板設計規則的程序，最好保存和管理這些規則，以備將來(lái)再次使用。用于保存和管理規則的地方我們稱(chēng)之為“庫”，其中包括原理圖符號、仿真模型、設計約束、PCB footprints和STEP模型。庫可以像存儲數據的中央文件目錄一樣簡(jiǎn)單，也可以是由多個(gè)目錄位置和鏈接組成的復雜系統。

無(wú)論如何設置CAD庫，設計規則集都可以同樣的方式保存。為了成功管理設計規則的“庫” ，系統中應該有三種基本實(shí)踐：

1.位置：在服務(wù)器上建立一個(gè)所有用戶(hù)都可以訪(fǎng)問(wèn)的中心位置。在個(gè)人電腦上保存頻繁使用的設計規則和其他類(lèi)型的數據，以備日后使用。這種做法可以限制其他人訪(fǎng)問(wèn)，且保存文件更容易被更改或刪除。

2.命名約定：使用其他人更容易識別的方式來(lái)為保存的文件命名。日期、描述和工作編號都是很好的文件名選擇?！?br />Joes_really_cool_design_rules.txt ”這種命名方式并不推薦。

3.限制編輯權限：最好能夠讓設計團隊成員在將自己的文件保存到該位置后便不能在此位置中進(jìn)行編輯。通常，在上一次使用之后突然發(fā)現六層電路板的設計規則發(fā)生了變化將十分令人崩潰。設計團隊成員可以隨時(shí)將這些規則復制到新文件、進(jìn)行更改，然后用新名稱(chēng)命名并保存。

當設計數據存儲系統就位后，便利用其來(lái)保存文件。

圖1：實(shí)用軟件如Allegro? Constraint Manager簡(jiǎn)化了控制和編輯設計規則的流程

二、多層電路板約束、測試和系統級完整性

即使只有一塊電路板可用，信號完整性和電源完整性仍然是設計中需要謹慎考慮的關(guān)鍵因素。與當今的多層電路板系統相比，單一電路板的考量因素則較為簡(jiǎn)單：電源更簡(jiǎn)單、干擾元件更少、信號傳輸距離更短。

• 系統級信號完整性和電磁干擾（EMI）

確保適當的多層電路板信號完整性（SI）的最佳方式是擁有一個(gè)可靠和準確的信號完整性分析及仿真工具，以便在每一步流程中與設計協(xié)同工作。相互作用的高速和低速信號肯定會(huì )引發(fā)信號完整性問(wèn)題，此外，與所有有源元件的串擾可能性更大。因此由于高速信號間的相互作用，多層電路板設計幾乎總是面臨更大的電磁干擾風(fēng)險。

通過(guò)有效工具，或者借助我們的知識增強其功能，來(lái)分離模擬和數字信號、采用智能走線(xiàn)（意味著(zhù)電路中沒(méi)有直角走線(xiàn)）并保持信號和返回電流緊密耦合，可以顯著(zhù)降低電磁干擾問(wèn)題。

• 分區設計和多層電路板成本分析

基于目的和功能對元件進(jìn)行物理分組，可使許多因素達到更高的安全性。這一過(guò)程稱(chēng)為PCB分區，可在多層電路板板設計中將子系統視為一組元件。

適當的PCB分區可簡(jiǎn)化操作，提高成本效益，例如：

1)模塊化，或者將標準化組件整合至更大的多種產(chǎn)品設計

2)電路板間距和外殼電路實(shí)際安裝

3)制造更便宜、更小型的連接主板的電路板，而不是昂貴的多層電路板疊層結構中的配件

4)在多層電路板設計中，分離模擬和數字電路，減少電磁干擾

• PCB約束管理器和多層電路板輔助設備

雖然許多約束管理器已配備完成工作所需的阻抗、疊層結構、網(wǎng)絡(luò )和平面選擇，但一個(gè)優(yōu)秀的約束管理器還會(huì )考慮元件列表和參數，這將使多層電路板設計更易于管理，尤其是處理每塊電路板上的數千個(gè)獨立元件時(shí)。

多層電路板約束管理器可管理高級網(wǎng)絡(luò )類(lèi)、設置散熱需求、在約束條件下快速調整散熱規范并處理信號條件。

圖2：如此復雜的走線(xiàn)依賴(lài)于正確的設計規則和適當的約束

三、多層電路板系統架構和設計工具

對于系統的整體完整性來(lái)說(shuō)，管理多層電路板系統中的連接器至關(guān)重要。盡管我們可能已經(jīng)對一切做了適當的規劃，但確定適合設計的連接器時(shí)，確定連接器在外殼環(huán)境中的處理方式、是否設計電路板垂直疊層或水平分層以及潛在的腐蝕（環(huán)境、電流、電解等），所有這些都至關(guān)重要。

在整個(gè)layout階段，都應該對連接器進(jìn)行謹慎管理，如果尚未充分考慮，則可能需要更加關(guān)注設計規則和約束管理器。在我們經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的重新走線(xiàn)而沒(méi)有足夠的精力進(jìn)行最后檢查（比如檢查過(guò)孔阻抗值）時(shí)，設計規則檢查（DRC）可以使我們清楚地看到違規行為并迅速解決問(wèn)題，而不是一味煩惱焦慮。

當設計規則最開(kāi)始應用于PCB設計工具中時(shí)，其操作并不簡(jiǎn)單。用戶(hù)經(jīng)常必須瀏覽多個(gè)菜單并填寫(xiě)多個(gè)不同的表格。通常，這些系統保存信息的方法也并不可靠，或者即使保存了，也僅僅是保存在了一個(gè)非格式化的文本文件中。但是，時(shí)代在發(fā)展。

當今的PCB設計系統通常具備先進(jìn)的設計規則和約束，可通過(guò)電子表格類(lèi)型的實(shí)用程序進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。此外，這些規則和約束通常與設計系統中的其他功能相關(guān)聯(lián)。例如，阻抗計算器可以將值直接輸入規則和約束中，而無(wú)需手動(dòng)輸入數據。

Allegro PCB Designer軟件具備上文所述的電子表格類(lèi)型規則和約束系統，可以讓您的設計工作變得更加輕松。通過(guò)該工具，您不僅可以創(chuàng )建和修改自己的設計規則，更可以保存這些設計規則以備將來(lái)使用。