本文重點(diǎn)

PCB layout 約束管理在設(shè)計(jì)中的重要性

Layout 約束有助避免一些設(shè)計(jì)問題

設(shè)計(jì)中可以使用的不同約束

在 PCB 設(shè)計(jì)規(guī)則和約束管理方面，許多設(shè)計(jì)師試圖采用“一刀切”的方法，認(rèn)為同樣的規(guī)則設(shè)定可以進(jìn)行被反復(fù)利用。但對于電路板來說，通用的間距規(guī)則和其他設(shè)計(jì)約束可能會帶來過大的誤差。要設(shè)計(jì)出既能按預(yù)期工作又易于制造的電路板，layout 約束管理必須精確貼合相關(guān)設(shè)計(jì)。

設(shè)置正確的走線寬度和間距值是 PCB 設(shè)計(jì)的重要部分。

PCB layout 約束管理的重要性

電路板是電子工程時(shí)代的奇跡，其運(yùn)行穩(wěn)定性取決于設(shè)計(jì)精確性。30 年前的電路板在電氣和制造要求方面對設(shè)計(jì)規(guī)格的容忍度還相對較高，但如今情況已大為不同。電路板上金屬特征之間以及器件等電路板元素之間的間距必須受到嚴(yán)格控制，金屬走線的寬度、連接方式以及 PCB 電氣連接的許多其他方面亦是如此。

Layout 約束管理中的電氣考量

在電路板設(shè)計(jì)中，控制設(shè)計(jì)規(guī)則和約束的重要性可從以下幾個(gè)電氣因素考量：

電源：設(shè)計(jì)中某些金屬走線傳輸?shù)?a href="http://www.socialnewsupdate.com/tags/電流/" target="_blank">電流高于比電路板上其他信號線更高。為了防止因電流過大而被燒毀，這些走線通常較寬。

阻抗：為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，某些信號線必須保持非常精確的阻抗，這要求它們必須位于電路板的特定層上，并具有特定的寬度。

時(shí)序：其他走線將用于在處理器芯片及其相關(guān)存儲設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)、地址和時(shí)鐘信號。為了確保這些器件正常運(yùn)行，走線上的信號必須在特定時(shí)間到達(dá)目的地。為此，必須按特定長度進(jìn)行布線，以確保走線之間相互匹配。

信號完整性：電路板上的許多走線都會輻射能量，從而給電路板上的其他電路甚至板外其他設(shè)備造成噪聲干擾。為了防止這種情況發(fā)生，并保護(hù)這些電路或設(shè)備免受 EMI 干擾的影響，必須將它們放置在電路板內(nèi)部的接地平面之間，以實(shí)現(xiàn)屏蔽效果。

高速：高速信號路徑中的許多信號必須按特定的模式進(jìn)行傳輸。此外，還必須對這些信號加以控制，以便其按照既定順序到達(dá)不同的目的地。

Layout 約束管理中的制造考量

設(shè)計(jì)規(guī)則和約束管理不僅關(guān)乎電路板的電氣性能，也在制造環(huán)節(jié)發(fā)揮著關(guān)鍵作用，具體原因如下：

組裝：電路板上的器件需合理排列，以便自動組裝設(shè)備輕松安裝。此外，還需預(yù)留足夠的空間，以便返修技術(shù)員手動組裝較大或更多非標(biāo)準(zhǔn)器件。

可焊性：制造商使用的自動焊接系統(tǒng)要求器件在電路板上保持一定的方向和間距，以實(shí)現(xiàn)高良率的焊接效果。此外，器件與大面積金屬的連接方式也很重要，可防止熱失衡對焊接工藝產(chǎn)生影響。

可訪問性：電路板上的器件必須便于自動測試和手動返修。此外，連接器、開關(guān)等器件也必須方便技術(shù)員操作。

由此可見，在電路板設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)規(guī)則和約束管理至關(guān)重要。接下來，我們將分析如果缺乏此類管理，可能會遇到的一些問題。

PCB layout 的約束管理器顯示電源網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

設(shè)計(jì)約束未完全配置可能引發(fā)的問題

正如前文所說，在 PCB 設(shè)計(jì)中精確控制設(shè)計(jì)規(guī)則和約束至關(guān)重要，原因有很多。因此，PCB 設(shè)計(jì)工具通常配備多種規(guī)則和約束，以便在電路板 layout 期間為設(shè)計(jì)人員提供指導(dǎo)。如果未使用這些約束，問題就會隨之而來，這通常是因?yàn)樵O(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)沒有花時(shí)間配置必要的規(guī)則。

實(shí)際上，PCB 設(shè)計(jì) CAD 工具中的設(shè)計(jì)規(guī)則歷來較為復(fù)雜。為了盡快開始工作，設(shè)計(jì)人員往往不愿意被額外的步驟拖慢進(jìn)度，因此常常依賴默認(rèn)的約束設(shè)置。但這是一把雙刃劍，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員不得不依靠記憶去判斷哪些走線需要加寬，或者哪些器件需要增加間距。如果設(shè)計(jì)尺寸較小，這種方法或許可行，但即使是較小的設(shè)計(jì)，也存在一些不容忽視的重要規(guī)則和約束。

另一個(gè)問題是，隨著設(shè)計(jì)進(jìn)度的推進(jìn)，手動更改可能會失效。例如，如果在后續(xù)使用布線工具編輯已加寬的走線，該走線可能會恢復(fù)到原始寬度。如果另一位設(shè)計(jì)人員接手同一設(shè)計(jì)，問題可能會進(jìn)一步加劇。由于缺乏原設(shè)計(jì)人員的背景知識，他們可能會無意中引入錯誤，或撤銷某些關(guān)鍵手動更改。

為了避免此類問題，最佳做法是使用配備先進(jìn)約束管理系統(tǒng)的 PCB 設(shè)計(jì)工具集。這樣不僅能簡化約束設(shè)置流程，還能促進(jìn) PCB 設(shè)計(jì)工程師遵循它們。

PCB 原理圖的約束管理器顯示相同的電源網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。

應(yīng)該使用的設(shè)計(jì)約束功能

由于早期 PCB 設(shè)計(jì)系統(tǒng)使用起來較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員習(xí)慣于在沒有設(shè)計(jì)規(guī)則和約束的情況下工作也就不足為奇了。但現(xiàn)在情況已有所不同，Cadence 的 Allegro X PCB Designer 等 CAD 工具配備強(qiáng)大的約束管理系統(tǒng)，大大減輕了設(shè)計(jì)師的工作負(fù)擔(dān)。以下是約束系統(tǒng)中的一些功能，可以幫助您提升工作效率：

電子表格格式以及復(fù)制粘貼、多個(gè)單元格輸入和搜索功能，可供輕松輸入數(shù)據(jù)

可配置電子表格單元，按需顯示數(shù)據(jù)

能夠從原理圖或 layout 中輸入規(guī)則和約束，如前文圖中所示

用戶可定義類別，根據(jù)需要對網(wǎng)絡(luò)和器件進(jìn)行分組

不同類別的規(guī)則，涵蓋設(shè)計(jì)的電氣、物理和制造方面

可以針對器件間距、走線寬度和間距、走線長度和拓?fù)?、過孔類型等設(shè)置特定規(guī)則

能夠?qū)⒁?guī)則應(yīng)用到單個(gè)項(xiàng)目和類別，以及單個(gè)或多個(gè)板層

導(dǎo)入和導(dǎo)出功能，有助管理約束集

正如設(shè)計(jì)工具中的多重布線功能可提升 PCB 網(wǎng)絡(luò)布線效率，約束管理系統(tǒng)中的多種功能同樣能優(yōu)化設(shè)計(jì)工作流程。關(guān)鍵在于如何利用這些功能，接下來我們將通過一個(gè)示例進(jìn)行說明。

恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)規(guī)則和約束管理

Constraint Manager 顯示分配給網(wǎng)絡(luò)的過孔

在上圖中，一些時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)被歸為一組。這些網(wǎng)絡(luò)需要使用特定的過孔，相關(guān)過孔在“Vias”列下進(jìn)行了分配。一旦完成分配，布線過程中就能直接調(diào)用指定的過孔，無需手動切換其他過孔。不過，Allegro X 的約束管理器不僅能控制走線寬度和過孔分配，還提供了更強(qiáng)大的控制能力。您可以設(shè)置多種電氣約束，包括反射與邊緣失真、串?dāng)_、時(shí)序、阻抗和傳播延遲，而這些僅僅是入門級設(shè)置。