数字电路PCB设计规则优化

关键的外卖

数字电路的电气和制造要求。
建立组件放置、路由和金属平面的设计规则。
数字电路的高级PCB设计规则的额外使用。

电路板上紧密放置的元件

任何设计过印刷电路板的人无疑都熟悉PCB设计规则和限制。在PCB设计CAD工具开发的早期，规则和约束最初使设计师不能将不同的网做短，但仅此而已。虽然这在当时是一个巨大的帮助，但PCB设计师继续在他们的设计规则中要求更多的功能，以涵盖他们正在使用的不同类型的电路配置。

在今天的CAD系统中，设计规则和约束已得到增强，以给予设计师他们需要的控制类型。这是一种可喜的解脱，因为设计师经常发现自己在同一块电路板上设计复杂的电源、模拟、射频和数字电路。在本文中，我们将探讨与数字电路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“，

为了使电路板以电气方式工作，并且制造时没有错误，它必须根据一套特定的规则进行设计。这些规则不仅规定了电路板上不同元件的大小和形状，而且还规定了元件之间的间距。受这些设计规则控制的元素可以包括组件、连接组件之间网络的走线，以及连接板不同层之间的走线的过孔。

组件的位置

电路板上的部件需要把战略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，其中几个组件可能是整个高速信号路径的一部分。其他组件，如旁路电容器，需要放置在它们分配给的设备上的电源引脚附近，电源组件需要尽可能靠近彼此。

由于这些放置要求是相互接近的，零件仍然需要定位，以最好地促进PCB制造。电路板组件之间需要有足够的间隙进行自动化组装、焊接过程和手工返工。连接器和其他人机界面需要可访问性，部件的定位也必须考虑到热冷却。

跟踪路由

印刷电路板上的差动对布线

虽然大部分电路板的迹线路由可以使用默认值处理，但许多网络将需要唯一的迹线宽度和间距值，包括以下参数:

差动对路由:微分信号需要两个相同的信号，其中一个是反向的，才能传输一个完整的数据信号。信号的信息是通过反转信号和非反转信号之间的差异来破译的。这降低了噪声和EMI，但要求两个信号迹线的长度相等，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。这需要在这些敏感线和其他信号之间有足够的间距，以及特定的跟踪长度，以确保时钟线和数据线相互匹配。
阻抗控制路由:高频迹线中的电容和电感与信号的电流流形成对立，并可能降低信号的质量。控制这一点需要特定的层厚度和介电材料在板堆叠，精确的走线宽度和厚度，并接近信号的返回路径在相邻参考平面层。

通过

不同的过孔的尺寸和形状取决于它们所使用的网。例如，电源和地网通常需要比常规信号网更大的通孔。过孔也可以在类型上有所不同，高速布线使用更小的盲孔和埋孔或微过孔，以获得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PCB布局工具中设置的设计规则来控制(如下图所示)。然而，在设计中仍有更多的要求需要考虑。

这是一个如何在数字电路的PCB设计规则中建立差分对路由的例子

电源、地面和参考平面

根据电路的要求，电源和接地走线最终可能有几个不同的走线宽度和间距值。例如，在数字板上的电源内布线走线，可能需要异常宽的走线来处理增加的电流和温度。宽的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痕迹，但多层电路板上的大部分功率将通过铜浇铸和金属平面层传导。这些也必须加以控制，以确保您的电力输送网络(PDN)为所有必要的组件提供清洁电力。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来控制(如下所示)。

在PCB设计中设置电源和接地的规则和约束

PDN的另一个重要组成部分是板层堆叠中的接地平面。这些层对信号和电源完整性的董事会，并提供以下好处:

返回路径清晰:为了消除信号返回时产生的噪声，地面参考平面为高速信号提供了一条清晰直接的返回路径。
EMI屏蔽:地平面还提供屏蔽，以保护敏感电路免受外部电磁干扰的威胁。
滤波开关噪声:当数字电路在高电平和低电平之间切换时，它们会在地电路中产生另一个噪声源。通过使用一个大的金属平面，噪声将减少较低的阻抗的平面，而不是路由接地与痕迹。
散热:地平面也有助于散热组件热运行的热量作为散热器。

电源和地平面的另一个重要部分是控制与热缓冲垫的连接。这些辐形元件防止大金属平面作为焊接工作的散热器，同时仍然提供足够的连接，以保持良好的电源完整性。

所有这些组件，路由，通道和平面的考虑都必须通过使用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，以使您的设计获得最大利益。

建立数字电路PCB设计规则

目前使用的大多数PCB设计CAD系统都能够在不同的电路板之间传输规则原理图及平面布置．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，而不是等待在布局方面输入所有约束。这种级别的组织使电气工程师能够建立特定的网络和组件规则，这些规则对他们正在设计的电路至关重要。布局团队也不需要依赖书面或转述的指令，因为网络规则已经存在于设计数据库中。

以下是数字电路的PCB设计规则应该关注的领域，以确保电路板的正确布局:

默认值:大多数设计工具一开始都会在设计规则中设置一组默认值。这些可能是以前设计的“残留物”，也可能是真正的系统默认值。布局设计人员有责任在开始之前确认这些值，以确保它们没有使用不正确的跟踪宽度进行路由，或将组件放置得过于接近。
类:虽然大多数设计规则可以为单个网络或组件设置，但如果您有数百个需要独特规则和约束的对象，那么处理这些规则和约束会非常乏味。大多数设计工具都提供了一个设置系统网的类别和组件，使规则和约束设置更容易。例如，您可以为+5V、-5V、+15V、-15V和3.3V网络设置独特的迹宽和间距要求，或者您可以为一个电源类别创建一组规则，并将这些网络添加到其中。时钟和数据网络类以及不同类型的组件也是如此。
高速设计原则: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功能以获得最大利益。例如，可以设置特定的跟踪长度以及与其他跟踪相匹配的长度，这在路由时钟和数据线时非常有用。可以设置差分对，以在彼此之间设定的距离将迹线路由在一起，并且可以为特定的网络特性指定惟一的迹线拓扑。迹宽也可以为阻抗控制路由自动设置，通过类型和大小可以专门分配给网络或网络类。

在现代数字电路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约束管理器中设计组装规则

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，跟踪路由电力和地面——有许多规则可以专门为制造业制定。其中包括控制阻焊带、锡膏覆盖、丝印重叠和测试点间距的规则。PCB设计CAD工具，如Cadence的Allegro PCB Editor，有特定的电路板制造和组装规则集，其中包含这些规则和许多其他规则。您可以在上面的图像中看到这些组装约束的示例。

设计规则和约束也用于从机械CAD系统导入数据，以检查板和系统插框之间的对象到对象间隙。许多系统，如Cadence Allegro，具有完整的3D画布功能，允许用户查看和检查导入的机械数据甚至其他PCB设计的设计。而且，一旦设计规则完全建立和细化，就可以导出并保存它们以供将来的设计使用。

要了解更多关于使用ECAD和MCAD数据时PCB设计规则和约束的高级功能，请查看此电子书．

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