使用參數(shù)化約束進行PCB設(shè)計

如今PCB設(shè)計考慮的因素越來越復(fù)雜，如時鐘、串?dāng)_、阻抗、檢測、制造工藝等等，這經(jīng)常使得設(shè)計人員要重復(fù)進行大量的布局布線、驗證以及維護等工作。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)計人員在設(shè)計和生產(chǎn)過程中更好地處理這些有時甚至還會互相對立的參數(shù)。

近年來對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)計的速度不斷上升，從而使得器件速度更快且每個脈沖沿上升時間縮短，同時管腳數(shù)也越來越多——常常要到500～2,000個管腳。所有這一切都會在設(shè)計PCB時帶來密度、時鐘以及串?dāng)_等方面的問題。

幾年前，大部分PCB上只有不多的幾個“關(guān)鍵性”節(jié)點(net)，通常是指在阻抗、長度及間隙等方面受到一些約束，PCB設(shè)計人員一般先對這些走線進行手工布線，然后再用軟件對整個電路作大規(guī)模自動布線。如今的PCB上常常會有5,000個甚至更多的節(jié)點，而其中50%以上都屬于關(guān)鍵性節(jié)點。由于面臨著上市時間的壓力，此時采用手工布線已不可能。此外，不僅僅關(guān)鍵性節(jié)點的數(shù)量有所增加，每個節(jié)點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和節(jié)點電壓及線路板材料都有關(guān)的函數(shù)，數(shù)字IC上升時間減小對高時鐘速度和低時鐘速度的設(shè)計都會產(chǎn)生影響，由于脈沖產(chǎn)生更快而使建立及保持時間更短，另外互連延時作為高速電路設(shè)計總延時的重要部分對低速設(shè)計也同樣非常重要等等。

如果電路板能設(shè)計得更大一點，上面有些問題就比較容易解決，但現(xiàn)在的發(fā)展趨勢卻正好相反。由于在互連延時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，同時還必須遵循小型化設(shè)計規(guī)則。上升時間減小再加上這些小型化設(shè)計規(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

對付這些問題的傳統(tǒng)做法是憑經(jīng)驗、缺省值、數(shù)表或計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)計電路時也許先確定一個額定阻抗，然后根據(jù)最后的工藝要求“估算”出一個能達到所需阻抗的額定線寬，或者利用計算表格或算術(shù)程序?qū)Ω蓴_進行測試，再求出長度約束條件。

這種方法通常需要設(shè)計出一整套經(jīng)驗數(shù)據(jù)作為PCB設(shè)計人員的基本指導(dǎo)原則，以便在用自動布局布線工具進行設(shè)計時能夠利用這些數(shù)據(jù)。該方法的問題在于經(jīng)驗數(shù)據(jù)只是一個一般性原則，大部分情況下它們都是正確的，但有些時候卻不起作用或?qū)е洛e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，由于前三個參數(shù)一般由生產(chǎn)工藝決定，所以設(shè)計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，因此對每一層都用同一個經(jīng)驗數(shù)據(jù)顯然是錯誤的。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會改變，所以問題還會更加復(fù)雜。

大多數(shù)時候這些問題會在樣機制作階段暴露出來，一般是找出問題后通過對線路板修補或重新進行板子設(shè)計來解決。這樣做成本比較高，并且修補經(jīng)常還會帶來額外的問題而需要作進一步調(diào)試，最后由于延誤上市時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)計軟件無法跟上當(dāng)前對電氣性能要求的實際情況，在這一點上它不像機械設(shè)計的經(jīng)驗數(shù)據(jù)那么簡單。

解決方案：參數(shù)化約束

目前設(shè)計軟件供應(yīng)商們試圖通過在約束條件上增加參數(shù)的辦法來解決這個問題。這種方法最先進的地方在于能夠詳細(xì)說明完全反映各種內(nèi)部電氣特性的機械指標(biāo)，只要將其加入到PCB設(shè)計中，設(shè)計軟件就可利用這些信息對自動布局布線工具進行控制。

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

約束條件可以用數(shù)學(xué)表達式的形式輸入，包含常數(shù)、各種運算符、向量以及其它設(shè)計約束，為設(shè)計人員提供一個參數(shù)化規(guī)則驅(qū)動系統(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則驗證整個設(shè)計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。

一個很簡單的例子是上升時間約束，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度的約束，即用5,800mil/ns乘以上升時間1.5ns。稍為復(fù)雜一點的例子是元件間隔，它通過將檢測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。