使用參數(shù)化約束進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)

如今PCB設(shè)計(jì)考慮的因素越來越復(fù)雜，如時(shí)鐘、串?dāng)_、阻抗、檢測(cè)、制造工藝等等，這經(jīng)常使得設(shè)計(jì)人員要重復(fù)進(jìn)行大量的布局布線、驗(yàn)證以及維護(hù)等工作。參數(shù)約束編輯器能將這些參數(shù)編到公式中，協(xié)助設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中更好地處理這些有時(shí)甚至還會(huì)互相對(duì)立的參數(shù)。

近年來對(duì)PCB布局布線的要求越來越復(fù)雜，集成電路中晶體管數(shù)量還在按摩爾定律預(yù)計(jì)的速度不斷上升，從而使得器件速度更快且每個(gè)脈沖沿上升時(shí)間縮短，同時(shí)管腳數(shù)也越來越多——常常要到500～2,000個(gè)管腳。所有這一切都會(huì)在設(shè)計(jì)PCB時(shí)帶來密度、時(shí)鐘以及串?dāng)_等方面的問題。

幾年前，大部分PCB上只有不多的幾個(gè)“關(guān)鍵性”節(jié)點(diǎn)(net)，通常是指在阻抗、長(zhǎng)度及間隙等方面受到一些約束，PCB設(shè)計(jì)人員一般先對(duì)這些走線進(jìn)行手工布線，然后再用軟件對(duì)整個(gè)電路作大規(guī)模自動(dòng)布線。如今的PCB上常常會(huì)有5,000個(gè)甚至更多的節(jié)點(diǎn)，而其中50%以上都屬于關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)。由于面臨著上市時(shí)間的壓力，此時(shí)采用手工布線已不可能。此外，不僅僅關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)的數(shù)量有所增加，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的約束條件也在增加。

這些約束條件主要是由于參數(shù)相關(guān)性以及設(shè)計(jì)要求越來越復(fù)雜而產(chǎn)生的，例如兩條走線的間隔可能取決于一個(gè)和節(jié)點(diǎn)電壓及線路板材料都有關(guān)的函數(shù)，數(shù)字IC上升時(shí)間減小對(duì)高時(shí)鐘速度和低時(shí)鐘速度的設(shè)計(jì)都會(huì)產(chǎn)生影響，由于脈沖產(chǎn)生更快而使建立及保持時(shí)間更短，另外互連延時(shí)作為高速電路設(shè)計(jì)總延時(shí)的重要部分對(duì)低速設(shè)計(jì)也同樣非常重要等等。

如果電路板能設(shè)計(jì)得更大一點(diǎn)，上面有些問題就比較容易解決，但現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)卻正好相反。由于在互連延時(shí)及高密度封裝上的要求，電路板正在不斷變小，從而出現(xiàn)了高密度電路設(shè)計(jì)，同時(shí)還必須遵循小型化設(shè)計(jì)規(guī)則。上升時(shí)間減小再加上這些小型化設(shè)計(jì)規(guī)則，使串?dāng)_噪聲問題變得越來越突出，而球柵格陣列和其它高密度封裝本身也會(huì)加重串?dāng)_、開關(guān)噪聲及地線反彈等問題。

固定約束存在的限制

對(duì)付這些問題的傳統(tǒng)做法是憑經(jīng)驗(yàn)、缺省值、數(shù)表或計(jì)算方法將電氣和工藝要求轉(zhuǎn)化為固定的約束參數(shù)。例如工程師設(shè)計(jì)電路時(shí)也許先確定一個(gè)額定阻抗，然后根據(jù)最后的工藝要求“估算”出一個(gè)能達(dá)到所需阻抗的額定線寬，或者利用計(jì)算表格或算術(shù)程序?qū)Ω蓴_進(jìn)行測(cè)試，再求出長(zhǎng)度約束條件。

這種方法通常需要設(shè)計(jì)出一整套經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為PCB設(shè)計(jì)人員的基本指導(dǎo)原則，以便在用自動(dòng)布局布線工具進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)能夠利用這些數(shù)據(jù)。該方法的問題在于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)只是一個(gè)一般性原則，大部分情況下它們都是正確的，但有些時(shí)候卻不起作用或?qū)е洛e(cuò)誤的結(jié)果。

我們以上面確定阻抗的例子來看看這種方法可能造成的誤差。和阻抗有關(guān)的因素包括電路板材料的電介質(zhì)特性、銅箔高度、各層到地/電源層間的距離及線寬，由于前三個(gè)參數(shù)一般由生產(chǎn)工藝決定，所以設(shè)計(jì)師通常是靠線寬來控制阻抗。由于每一線路層到地或電源層的距離各不相同，因此對(duì)每一層都用同一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯然是錯(cuò)誤的。此外在開發(fā)過程中采用的生產(chǎn)工藝或電路板特性可能隨時(shí)會(huì)改變，所以問題還會(huì)更加復(fù)雜。

大多數(shù)時(shí)候這些問題會(huì)在樣機(jī)制作階段暴露出來，一般是找出問題后通過對(duì)線路板修補(bǔ)或重新進(jìn)行板子設(shè)計(jì)來解決。這樣做成本比較高，并且修補(bǔ)經(jīng)常還會(huì)帶來額外的問題而需要作進(jìn)一步調(diào)試，最后由于延誤上市時(shí)間而造成收入上的損失更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于調(diào)試成本。幾乎每家電子生產(chǎn)商都面臨著這樣的問題，最終都?xì)w結(jié)到傳統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)軟件無法跟上當(dāng)前對(duì)電氣性能要求的實(shí)際情況，在這一點(diǎn)上它不像機(jī)械設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)那么簡(jiǎn)單。

解決方案：參數(shù)化約束

目前設(shè)計(jì)軟件供應(yīng)商們?cè)噲D通過在約束條件上增加參數(shù)的辦法來解決這個(gè)問題。這種方法最先進(jìn)的地方在于能夠詳細(xì)說明完全反映各種內(nèi)部電氣特性的機(jī)械指標(biāo)，只要將其加入到PCB設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)軟件就可利用這些信息對(duì)自動(dòng)布局布線工具進(jìn)行控制。

當(dāng)后續(xù)生產(chǎn)工藝改變時(shí)也不需要重新作設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員只需簡(jiǎn)單地更新工藝特性參數(shù)，即可自動(dòng)改變相關(guān)約束條件。設(shè)計(jì)人員然后可以運(yùn)行DRC(設(shè)計(jì)規(guī)則檢查)確定新工藝是否還違反了其它設(shè)計(jì)規(guī)則，并找出應(yīng)該對(duì)設(shè)計(jì)的哪些方面進(jìn)行更改才能糾正所有錯(cuò)誤。

約束條件可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式的形式輸入，包含常數(shù)、各種運(yùn)算符、向量以及其它設(shè)計(jì)約束，為設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)參數(shù)化規(guī)則驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。約束條件甚至能以查表的形式輸入，將它們存放在PCB或原理圖的設(shè)計(jì)文件中。PCB布線、銅箔區(qū)位置及布局工具都要遵照這些條件生成的約束規(guī)則，DRC則驗(yàn)證整個(gè)設(shè)計(jì)是否都符合這些約束，包括線寬、間隔及空間方面的要求(如面積和高度限制)等。

一個(gè)很簡(jiǎn)單的例子是上升時(shí)間約束，一般將其設(shè)置為常數(shù)1.5ns，根據(jù)此條件就可得出最大走線長(zhǎng)度的約束，即用5,800mil/ns乘以上升時(shí)間1.5ns。稍為復(fù)雜一點(diǎn)的例子是元件間隔，它通過將檢測(cè)角的正切值乘以器件高度來決定，該算式可算出元件最小間隔值。