高速电路板布局PCB设计指南

关键的外卖

• 准备高速PCB布局

• 组件放置和PDN开发的一个高速设计

• 一些有用的PCB高速路由建议

高速电路板的密集布线

数字电路的速度越来越快，以满足当今电子产品的需求。高速设计曾经属于一个狭窄的电子产品群体，但今天，大多数产品至少会有一部分设计可以被认为是“高速”的。这些设计要求PCB设计人员根据要求来布置电路板高速规则还有要求，这对一些人来说还是个新领域。为了提供帮助，我们编译了一些最常见的高速PCB设计指南，您可以应用到您的下一个电路板布局。

高速设计设置

在开始布局之前，有很多设计和数据库细节需要首先考虑。

示意图

虽然在开始高速设计的布局之前有很多设置，但大多数人不会考虑太多示意图．设计人员应验证零件，模拟电路，并完成设计。但是原理图本身是否已准备好用于布局?如果设计人员不能很容易地理解电路的意图，那么没有组织的原理图会给PCB布局带来困难。例如，高速信号路径需要按顺序布局，以便设计者可以在布局中模拟它们的组件位置。在你想让布局团队清楚理解的设计区域上做标记也是有帮助的。这些包括:

• 关键的放置位置和板的哪一侧可能需要某些部件。
• 关键部件周围的隔离区。
• 高速路由信息，包括路由拓扑、测量长度和匹配长度。
• 差动对和控制阻抗信息。

PCB库

用于高速设计的组件占地面积必须像任何PCB布局一样进行检查和验证，但可能涉及一些额外的库工作。例如，高频或射频设计中使用的一些占地面积可能需要改变，以减小信号完整性的衬垫尺寸。此外，一些占地面积可以减少到最小尺寸，以适应高密度的设计要求。但一如既往，组件的足迹应尽可能遵循行业和制造商规范，以符合可制造性设计(DFM)要求。许多设计工具，如Cadence的Allegro PCB Editor，提供了在线库浏览功能，以引入特定于供应商的足迹模型。

材料及部件

在开始布局之前，必须选择用于构建高速电路板的材料。恶劣的工作环境可能需要更坚固的板结构，并且需要材料的物理特性来进行可控阻抗路由计算:

• 与您的制造商合作，看看您的电路板是否需要高速材料。
• 增强环氧树脂或聚四氟乙烯材料可能是高速和高频应用的更好选择。
• FR-4的介电常数可能无法保持所需的阻抗值，或者设计可能会经历比可接受的更大的信号损失。

PCB组件也需要由制造商进行审核和确认。在当今的供应链问题下，你需要确保在设计之前有可用的零件。

单板层堆叠

高速设计需要特定的板层堆叠，以帮助屏蔽EMI和信号完整性。主要考虑的是在一个内层上包含一个完整和连续的接地平面。许多板也将有多个地面平面层贯穿整个板分层盘旋飞行用于微带或带状线配置中的多层传输线路由。电路板层堆叠将需要构建到PCB CAD数据库或从外部来源导入。这就是PCB设计系统直接与供应商沟通交换堆叠信息的能力，如上面的视频所示，可以是非常有用的。

设计规则

PCB设计系统通常有一套非常全面的设计规则和约束可以为设计设置。标准电路板设计将已经使用组件和网络类来指定间距规则、迹线宽度、过孔和其他约束。在高速设计中，应该建立一套全新的规则来使用，包括:

• 微分对
• 信号路径
• 路由拓扑
• 测量和匹配的痕迹长度
• 跟踪调优参数

可以为每个设计设置这些规则，或者在许多情况下，从另一个布局导入这些规则，以减轻设计师的工作量。

系统参数

最后一个设置，但肯定不是最不重要的，是参数。这些包括显示参数，如颜色和填充模式，网格路由首选项，以及许多其他参数。通过管理这些参数，设计人员可以在使用工具时提高效率。

现在我们已经建立了高速设计，让我们开始铺设板。

一个PCB CAD系统的参数设置菜单的设计颜色

高速元件放置PCB设计指南

高速设计的组件放置仍然需要遵循与标准设计放置相同的指导方针。零件应均匀分布在电路板周围，以保持平衡，并需要遵循设计制造和测试规则(DFM和DFT)。这包括与其他部件的元件间距、电路板特性和板的边缘．运行热的组件应该集中，以利用尽可能多的电路板面积进行冷却，并且必须注意不要阻塞电路板上的空气流动。连接器和其他人机界面部件应放置在技术人员容易接触到的地方，不同的电源应相互分散。

高速设计的不同之处在于需要创造最好的信号的完整性贯穿整个设计。信号完整性的主要部分依赖于在地平面上设计清晰的信号返回路径和数字和模拟电路分离的电路板。因此，除了放置组件以支持所需的跟踪路由外，对于设计人员来说，放置部件以实现清晰的信号返回和电路隔离也很重要。在布置实际部件之前，通常最好先进行布局，以完成像这样复杂的组件放置。平面图可以让你计算出功能分区而不需要不停地移动部件。

分区开发完成后，就可以开始放置组件了。以下是一些可以帮助你的高速放置指南:

• 在参考平面上保持清晰信号返回路径的空间。
• 允许路由通道间隔密集的数据和内存总线路由。
• 避免将部件放置在模拟和数字必须穿过彼此区域的地方。
• 定位部件以保持高速信号路径短。
• 信号路径可以包括路径内嵌的多个组件。根据原理图中的排列，把这些零件摆出来。
• 模拟部件也应尽可能紧密地放置在一起，以减少其迹线长度。

正如我们已经说过的，PDN应该与组件放置一起开发。接下来，我们将介绍一些PDN设计建议。

模拟和功率组件的放置

开发电力输送网络的设计

高速电路板中PDN的精心设计对电路板的最终电气性能至关重要。如果信号没有明确的返回路径，电路板可能会产生大量的噪声，可能会产生错误的信号并破坏电路的正常运行。它还可能导致其他信号完整性问题，如EMI和地反弹。这些信号无法找到明确的返回路径参考平面可能最终耦合到他们能找到的任何返回路径，包括其他痕迹。这种无意的耦合将产生共模能量，这可能会辐射出去并产生额外的噪声。为了避免这些问题，这里有一些PDN设计建议。

使用一个连续的地平面，不要分割它

• 使用位置划分来分离数字电路和模拟电路，而不是分割平面。
• 高速传输线布线时，应确保其在相邻地平面上有清晰的信号返回路径。返回路径将自然地以更高的速度和频率围绕轨迹形成，使它们易于规划。

小心电路板的功能，可以阻塞地平面

• 过孔太多在一个集中的区域，切板或其他障碍会破坏参考平面上的清晰返回路径。
• 避免在相邻地平面有空隙的地方铺设高速传输线。

具有多个电源连接的大引脚高密度组件

• 处理器、内存和其他大引脚高密度组件将有许多电源引脚来满足其巨大的电源需求。
• 这些连接中的每一个都需要一个旁路电容器，放置在尽可能靠近电源引脚的位置，以实现最佳的功率滤波。

与板放置在最佳配置的网络连接和生产，您可以开始路由跟踪。

显示调优轨迹的高速路由

高速跟踪路由技术

电路板上的组件已经很好地安排好了，您的设计就有了路由应该如何布局的基本模板。然而，重要的是要注意，你可能仍然会移动部分来改进和微调路由，就像你对任何PCB设计一样。以下是一些有助于高速路由的PCB设计指南:

• 确保充分参与设计规则和约束对于线长，匹配的长度，宽度，间距，层，阻抗控制的路由参数，差分对，跟踪调谐，和过孔分配。
• 建立任何必要的区域规则，并根据独特的路由需求保留区域。
• 保持路由尽可能短和直接，除了特定的路由拓扑和测量长度。
• 不要在地面的空隙或裂缝上布线。您可能会破坏信号的清晰返回路径，并可能产生前面讨论过的信号完整性问题。
• 当您路由高速信号时，请确保它们在相邻地平面上有清晰的信号返回路径。
• 给予敏感信号，如时钟线和差动对，与其他路由有额外的间隙。三倍于标准痕迹宽度通常是一个很好的经验法则。
• 一定要路线高速输电线路在层上，它们被分配到相邻参考平面上的返回路径。
• 避免更换高速传输线层，但如果你这样做，尽量保持他们相邻的同一地平面的信号返回路径。如果层转换比这些层对更远，则使用信号通道旁边的接地通道作为转换的返回路径。
• 要小心高速传输线彼此平行运行，因为它们可能会产生串扰。
• 另外，要注意层与层之间垂直的横向串扰，它的间距可能小于同一层上并排的两条轨迹。
• 使用更广泛的痕迹用于模拟路由。
• 通过为它们的位置选择一个宽网格，为最大数量的路由通道计划通过转义。
• 尽量减少通孔的使用，以降低电感，或使用盲孔、埋孔或微通孔。
• 小心密集的逃生通道，这样你就不会阻塞地面上的返回路径。

有更多的高速PCB设计指南比这里列出的，但这篇文章应该给你的下一个高速PCB设计项目一个良好的开端。此外，请记住充分利用CAD工具的功能。除了我们已经讨论过的设计规则和约束之外，PCB设计工具还有许多其他功能可以帮助您。例如，Cadence工具有不同的电路仿真和设计分析工具，工程师可以在电路板建造之前发现和纠正设计问题。

要了解更多关于高速设计的信息，请看这个电子书从节奏。如果您想了解更多Cadence如何为您提供解决方案，和我们的专家团队谈谈吧．