本文要點(diǎn)

• 為高速 PCB layout 做好準備
• 高速設計中的器件擺放和 PDN 開(kāi)發(fā)
• 實(shí)用 PCB 高速布線(xiàn)建議

為了滿(mǎn)足當今電子產(chǎn)品的需求，數字電路的速度變得越來(lái)越快。高速設計曾經(jīng)是一個(gè)冷門(mén)的電子產(chǎn)品領(lǐng)域，但如今，大多數產(chǎn)品至少會(huì )有一部分需要 “高速設計”。這些設計要求 PCB 設計師按照高速規則和要求布置電路板；而對部分設計師來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)全新的領(lǐng)域。為此，本文總結了一些最常見(jiàn)的高速 PCB 設計準則，希望對您的高速 layout 設計有所助益。

高速設計的設置

在開(kāi)始 layout 設計之前，有很多設計和數據庫的細節需要事先處理妥當。

原理圖

雖然在開(kāi)始設計高速 PCB layout 之前有很多內容需要設置，但大多數人都沒(méi)有過(guò)多地考慮原理圖。設計師應該驗證元件、仿真電路，并完成設計。但原理圖本身是否已經(jīng)為 layout 準備妥當？如果設計師不能輕松地理解電路的意圖，雜亂無(wú)序的原理圖會(huì )讓 PCB layout 難上加難。例如，高速信號路徑需要按順序擺放，以便設計者能夠在 layout 中模擬器件的位置。標記出希望 layout 團隊清楚了解的設計區域也很有幫助。其中包括：

• 關(guān)鍵的擺放位置，以及某些元件可能需要放在電路板的哪一面。
• 關(guān)鍵器件周?chē)�的禁止布線(xiàn)區域。
• 高速布線(xiàn)信息，包括布線(xiàn)拓撲結構、測量長(cháng)度和匹配長(cháng)度。
• 差分對和受控阻抗信息。

高速電路板的密集布線(xiàn)

PCB 庫

用于高速設計的器件 footprint 必須像 PCB layout 一樣進(jìn)行檢查和驗證，同時(shí)也會(huì )涉及一些額外的資料庫方面的工作。例如，為了在高頻或射頻設計中保證信號完整性，可能需要修改使用的 footprint 以減少焊盤(pán)尺寸。此外，一些 footprint 可能要縮減到最小尺寸，以適應高密度設計的要求。不過(guò)，器件的 footprint 應該盡可能地遵循行業(yè)和制造商的規范，以符合可制造性設計 (DFM) 的要求。許多設計工具，如 Cadence Allegro PCB Editor，可以提供在線(xiàn)庫瀏覽功能，用于拉取指定供應商的 footprint 模型。

材料和器件

在開(kāi)始 layout 設計之前，必須選擇用于制造高速電路板的材料。惡劣的工作環(huán)境可能需要更堅固的電路板結構，需要使用材料的物理特性來(lái)計算受控阻抗布線(xiàn)：

• 與制造商溝通，確定電路板是否需要高速材料。
• 強化環(huán)氧樹(shù)脂或 PTFE 材料可能是高速和高頻應用的更好選擇。
• FR-4 的介電常數可能無(wú)法保持所需要的阻抗值，或者導致設計出現超出可接受范圍的信號損失。
• PCB 器件也需要由制造商進(jìn)行審查和確認。鑒于當下的供應鏈問(wèn)題，需要確保在開(kāi)始設計之前有可用的元件。

板層堆疊

高速設計需要特定的板層堆疊，以便實(shí)現 EMI 屏蔽和信號完整性。首先要考慮在內部層納入一個(gè)完整、連續的接地平面。許多電路板在整個(gè)電路板堆疊上還設置了多個(gè)接地平面層，用于微帶線(xiàn)或帶狀線(xiàn)配置中的多層傳輸線(xiàn)布線(xiàn)。板層堆疊需要在 PCB CAD 數據庫中建立，也可從外部來(lái)源導入。在這方面，如果 PCB 設計系統能夠與供應商直接溝通來(lái)交換堆疊信息，則會(huì )十分有幫助，如下面的視頻所示：

設計規則

PCB 設計系統通常有一套非常全面的設計規則和約束條件，可以針對設計進(jìn)行設置。標準的電路板設計使用器件和網(wǎng)絡(luò )類(lèi)來(lái)指定間距規則、走線(xiàn)寬度、過(guò)孔和其他約束。對于高速設計，應該設置一套全新的規則，包括：

• 差分對
• 信號路徑
• 布線(xiàn)拓撲結構
• 測量和匹配的走線(xiàn)長(cháng)度
• 走線(xiàn)調整參數

可以為每個(gè)設計設置這些規則；或者在許多情況下，從另一個(gè) layout 中導入，以減輕設計師的工作量。

系統參數

設置的最后一項是參數。參數非常重要，包括顯示參數，如顏色和填充模式、網(wǎng)格、布線(xiàn)偏好和其他一系列參數。通過(guò)管理這些參數，設計師可以提高使用工具時(shí)的效率。

PCB CAD 系統用于設計顏色的參數設置菜單

現在我們已經(jīng)完成了高速設計的設置，可以開(kāi)始布置電路板。

高速器件擺放的 PCB 設計指南

高速設計的器件擺放依然需要與標準設計擺放遵循相同的規則。為了平衡起見(jiàn)，元件應均勻地分布在電路板周?chē)�，而且需要遵循制造和測試設計規則（DFM 和 DFT）。其中包括器件與其他元件、電路板特征和電路板邊緣的間距。高溫運行的器件應集中在一起，以盡可能多地利用電路板上的區域來(lái)散熱，并且必須注意不能阻礙空氣在電路板上的流動(dòng)。連接器和其他人機接口元件應擺放在技術(shù)人員容易接觸到的地方，不同的電源應相互分散放置。

高速設計的不同之處在于，它需要在整個(gè)設計中實(shí)現最佳的信號完整性。信號完整性的主要部分取決于接地平面上有清晰的信號返回路徑，以及確保數字和模擬電路彼此分離。因此，除了要支持所需的走線(xiàn)布線(xiàn)外，器件擺放還必須確保清晰的信號返回路徑和電路隔離。為了完成這種復雜的器件擺放，通常最好是在電路板上布置實(shí)際元件之前進(jìn)行布圖規劃。布圖規劃有助于劃分電路的功能分區，同時(shí)不需要不斷地移動(dòng)元件。

隨著(zhù)分區一一確定，就該開(kāi)始擺放器件了：

• 高速器件擺放準則
• 在參考平面上為清晰的信號返回路徑留出空間。
• 為密集的數據和存儲器總線(xiàn)布線(xiàn)留出布線(xiàn)通道的間距。
• 避免將元件擺放在模擬和數字電路彼此交錯的區域。
• 元件擺放的位置要確保高速信號路徑較短。
• 信號路徑可以包括路徑內的多個(gè)器件，要根據原理圖中的布局來(lái)擺放。
• 模擬元件應盡可能地擺放在一起，以減少它們的走線(xiàn)長(cháng)度。

模擬和電源器件的擺放

前文提到，在制定器件擺放計劃的同時(shí)，應一同規劃電源分配網(wǎng)絡(luò ) (PDN)。接下來(lái)，我們來(lái)了解一些 PDN 的設計建議。

電源分配網(wǎng)絡(luò ) (PDN) 設計

在高速電路板中，精心設計 PDN 對電路板的最終電氣性能至關(guān)重要。如果沒(méi)有清晰的信號返回路徑，電路板可能會(huì )產(chǎn)生大量的噪聲，導致產(chǎn)生錯誤的信號，干擾電路的正常運行。還可能導致其他信號完整性問(wèn)題，如 EMI 和接地反彈。在參考平面上找不到清晰返回路徑的返回信號，最終可能會(huì )耦合到任何它們可以找到的返回路徑上，其中也包括其他走線(xiàn)。這種無(wú)意的耦合將產(chǎn)生共模電流，共模電流可能會(huì )產(chǎn)生電磁輻射，并帶來(lái)額外的噪聲。

為了避免這些問(wèn)題，以下是一些 PDN 設計建議：

• 使用一個(gè)連續的接地平面，不要分割接地平面
• 使用器件擺放分區來(lái)分離數字和模擬電路，而不是分割接地平面。
• 在對高速傳輸線(xiàn)進(jìn)行布線(xiàn)時(shí)，確保它們在相鄰的接地平面上有一條清晰的信號返回路徑。在較高的速度和頻率下，會(huì )自然而然地在走線(xiàn)周?chē)�形成返回路徑，因此很容易規劃�?br> • 謹慎對待可能阻擋接地平面的電路板特征
• 在一個(gè)集中的區域內有太多的過(guò)孔、電路板切口或其他障礙物，會(huì )破壞參考平面上的清晰返回路徑。
• 避免在鄰近接地平面有空隙的位置布設高速傳輸線(xiàn)。

具有多個(gè)電源連接的大引腳數高密度器件

• 處理器、存儲器和其他大引腳數的高密度器件使用許多電源引腳來(lái)滿(mǎn)足其巨大的電源需求。
• 在這些連接中，每一個(gè)連接都需要一個(gè)盡可能靠近電源引腳的旁路電容，以獲得最佳的電源濾波效果。

高速布線(xiàn)示例，可以看到走線(xiàn)經(jīng)過(guò)了調整

一旦電路板的網(wǎng)絡(luò )連接和 PDN 實(shí)現了最佳配置，就可以開(kāi)始布線(xiàn)了。

高速走線(xiàn)布線(xiàn)技巧

當電路板上的器件布置妥當時(shí)，設計將有一個(gè)基本的模板，表明走線(xiàn)應該如何布置。不過(guò)需要注意，我們很可能仍然要移動(dòng)元件，以完善和調整布線(xiàn)——就像在任何 PCB 設計中一樣。

高速布線(xiàn)指南

• 確保充分遵循線(xiàn)長(cháng)、匹配長(cháng)度、寬度、間距、層、受阻抗控制的布線(xiàn)參數、差分對、走線(xiàn)調整和過(guò)孔分配的設計規則和約束條件。
• 根據獨特的布線(xiàn)需求，設置任何必要的區域規則，并留出禁止布線(xiàn)區域。
• 除了特定的布線(xiàn)拓撲結構和測量長(cháng)度外，盡量讓布線(xiàn)盡可能短且直接。
• 不要在接地平面的空隙或斷開(kāi)處布線(xiàn)。這可能會(huì )破壞信號的清晰返回路徑，并有可能造成前面討論的信號完整性問(wèn)題。
• 當對高速信號進(jìn)行布線(xiàn)時(shí)，要確保它們在相鄰的接地平面上有一個(gè)清晰的信號返回路徑。
• 對于敏感的信號（如時(shí)鐘線(xiàn)和差分對），確保它們與其他布線(xiàn)之間留有額外的間隙，通常是標準走線(xiàn)寬度的三倍。
• 確保將高速傳輸線(xiàn)布設到它們被分配的層上，以保證它們在相鄰參考平面上的返回路徑。
• 避免通過(guò)高速傳輸線(xiàn)改變層的屬性，但如果非要這樣做，要盡量使它們與同一接地平面相鄰，以獲得信號返回路徑。如果層的過(guò)渡段比層對更遠，就在信號過(guò)孔旁邊使用一個(gè)接地過(guò)孔作為返回路徑的過(guò)渡。
• 謹慎對待相互平行的高速傳輸線(xiàn)，因為它們可能產(chǎn)生串擾。
• 注意層與層之間垂直方向的串擾，其間距可能比同一層上并排的兩條走線(xiàn)要小。
• 在模擬布線(xiàn)中使用更寬的走線(xiàn)。
• 選擇較寬的網(wǎng)格來(lái)放置過(guò)孔，為最大數量的布線(xiàn)通道規劃過(guò)孔逃逸。
• 盡量減少過(guò)孔的使用以減少電感，或者使用盲孔、埋孔或微孔。
• 注意不要在分散過(guò)孔密集的區域阻斷接地平面上的返回路徑。

本文列出的高速 PCB 的設計準則遠非詳盡無(wú)遺，但已足夠幫助我們開(kāi)始著(zhù)手高速 PCB 設計。另外，記得要充分使用 CAD 工具的功能。除了上文已經(jīng)談到的設計規則和約束條件外，Cadence PCB 設計工具還有許多其他高效功能助力高速設計，如：

• 動(dòng)態(tài)背鉆：背鉆信息跟隨設計，實(shí)時(shí)更新。設計調整后，無(wú)需手動(dòng)更新背鉆信息。
• 微孔檢查：設定激光孔相關(guān)的設計規則，確保HDI設計高質(zhì)量交付。
• 參數化高速結構：
• 無(wú)需繁瑣選擇高速結構要素，輸入參數即可生成所需高速結構；
• 在設計中，像使用過(guò)孔一樣使用高速結構（替換、在Constraint Manager中設定）。
• 3D Canvas：讓設計者看到PCB實(shí)體，眼前展示的是組裝完成的PCB。
• DFM/DFA設計：不同區域設置不同的DFM/DFA規則。
• Allegro Constraint Compiler：將設計指南轉換為設計規則，實(shí)現規則同源，幫助設計者快速準確復用規則。