如何優(yōu)化 PCB 布線規(guī)則？

在 PCB 布線中不使用規(guī)則可能會出現(xiàn)的問題。

設(shè)計中可使用的不同類型 PCB 布線規(guī)則。

如何在 PCB 布線中應(yīng)用規(guī)則和約束。

“限制”一詞通常具有負(fù)面色彩，會引起人們的警惕。但實際上，對于整體的正向發(fā)展而言，限制或是規(guī)則非常重要；一如我們從小就要學(xué)會遵守社會與法律規(guī)則。

同理，為 PCB 制定規(guī)則應(yīng)當(dāng)受到重視。雖然為此需要花費時間進行研究并投入精力，但設(shè)置這些限制條件并按照規(guī)則布線，可以避免設(shè)計以失敗告終。下文中，我們將探討 PCB 布線規(guī)則的重要性，以及使用這些規(guī)則對于設(shè)計有何益處。

在 PCB 布線中不使用規(guī)則和約束會出現(xiàn)哪些問題？

在 PCB 設(shè)計中使用約束和規(guī)則有很多原因。約束和規(guī)則可以讓設(shè)計變得更有條理，它們可以在原理圖和 layout 之間傳遞重要信息。不過最重要的是避免制造問題，確保電路板的電氣性能。設(shè)計規(guī)則可以解決的問題包括——

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制造問題

如果器件之間擺放距離太近或方向不正確，可能難以正確組裝或焊接。此外，自動插件機可能無法根據(jù)需求放置元件，而進行人工組裝的技術(shù)人員則可能無法將工具和焊接材料放入狹小的區(qū)域。這些元件之間的距離越近，就越有可能造成不良影響，因為熱烙鐵或其他工具會影響到附近的器件。

電路板上的金屬如果過于靠近其他金屬元素，也可能在制造過程中引發(fā)問題。例如形成焊料碎片，導(dǎo)致間歇性短路，并且這種短路很難被發(fā)現(xiàn)和糾正。焊料還可能使走線或焊盤之間橋接，造成直接短路。如果連接到大面積金屬的元件（如連接到接地平面的小型表面貼裝旁路電容器）沒有正確的熱風(fēng)焊盤，則可能無法正確焊接。

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電氣性能問題

如果用于導(dǎo)電的走線寬度不夠，則可能無法滿足電流承載能力。有些走線還必須具有精確的寬度，以控制走線阻抗。其他走線需要按特定長度布線，或與類似網(wǎng)絡(luò)的長度相匹配。差分對必須整齊地并排布線。還有一些走線可能需要按特定的模式或“拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)”布線。所有走線和與之并排、位于其上方或下方的其他走線之間，可能有間距要求。

過去，我們可以將 PCB 設(shè)計圖導(dǎo)入自動布線器，最后得到一塊完整布線且運行完美的電路板。但這種方法如今不再適用。如果在走線布線寬度、間距、長度和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面稍有疏忽，最終可能出現(xiàn)大量的信號完整性問題，包括串?dāng)_、反射、接地反彈和電磁干擾。

遵守 PCB 設(shè)計規(guī)則和約束不再是一種“高級需求”，而是滿足各種設(shè)計制造和電氣性能要求的必要條件。因此，接下來的問題是，設(shè)計工具中有哪些約束條件可以幫助我們達(dá)成這一目標(biāo)。

在 Cadence Allegro X Design Platform 的規(guī)則管理器中，可以針對很多方面設(shè)置 PCB 設(shè)計規(guī)則和約束，例如差分對。

有哪些不同的 PCB 布線規(guī)則？

針對 PCB 設(shè)計布線，可以設(shè)置許多不同的規(guī)則和約束。我們先介紹器件的一些非布線規(guī)則，這些規(guī)則即便并不針對布線，最終也會對布線產(chǎn)生影響。

器件

可以為器件設(shè)置的規(guī)則包括與其他元件、設(shè)計元素和電路板輪廓特征（如切口）之間的間隙。此類元件間隙可以是與單個器件之間的間隙，也可以是與一組（類）器件之間的間隙。還可以設(shè)置約束條件，規(guī)定元件可以放置在電路板的哪一面，或因高度或性能原因不能將元件放置在某些特定區(qū)域。

走線寬度

可以為設(shè)計中的大部分網(wǎng)絡(luò)、特定網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)類別設(shè)置默認(rèn)的走線寬度。可為受控阻抗布線寬度、差分對寬度或其他敏感網(wǎng)絡(luò)（如時鐘線路）附加這些約束條件。

在某些情況下，可能需要減少走線寬度，以實現(xiàn)狹小區(qū)域布線，這就是所謂的“走線縮頸”。

可能還需要以超大寬度布線，以滿足電源要求，或針對射頻設(shè)計頻繁更改走線寬度。

走線間隙

可以設(shè)置走線間隙約束，來控制走線到走線、走線到焊盤、走線到過孔、走線到其他金屬以及走線到其他元素（如鉆孔或電路板邊緣）的間隙。根據(jù)設(shè)計要求，還可為電路板的特定區(qū)域或?qū)釉O(shè)置額外的間隙規(guī)則。

走線布線

除了基本的寬度和間隙設(shè)置外，可能還需要更精細(xì)地控制走線的布線方式。其中可能包括走線的最小和最大長度，或使用蛇形布線使一條走線的長度與其他走線的長度相匹配。可能還需要對走線設(shè)置拓?fù)浼s束，以確保走線遵循特定的模式，如用于 DDR 內(nèi)存布線模式的“T 型拓?fù)洹被颉癋ly-By 飛越拓?fù)洹?/p>

過孔

通過規(guī)則，可以在 Allegro X Design Platform 中指定過孔類型。Allegro X 中的差分對規(guī)則設(shè)置將用于單個網(wǎng)絡(luò)或不同網(wǎng)絡(luò)類別。其中包括通孔、盲孔、埋孔和微孔。還可以指定這些過孔的結(jié)構(gòu)，例如盲孔和埋孔的層跨度。此外，還可以控制過孔與電路板上的器件和其他元素之間的間隙。

平面

通過規(guī)則，可以控制電源平面和接地平面如何通過熱風(fēng)焊盤連接到走線和器件。可以指定平面中的最小金屬寬度，以及平面是由實心圖案還是交叉圖案組成。與其他約束一樣，也可以控制平面與走線、過孔和其他電路板元素的間隙。

以上我們僅列舉了其中的一部分規(guī)則，可以利用它們輔助進行電路板布線。下一步是將這些規(guī)則添加到設(shè)計中。

在原理圖中將網(wǎng)絡(luò)分配到對應(yīng)的類別，可以省去很多麻煩。

設(shè)置規(guī)則和約束的設(shè)計技巧

可以在原理圖或 layout 中為 PCB 布線設(shè)置設(shè)計約束和規(guī)則。在 Allegro X 等工具中，我們可以輕松地在原理圖中創(chuàng)建和分配網(wǎng)絡(luò)類別，如上圖所示。使用該工具，我們可以設(shè)置特定的寬度和間隙規(guī)則，然后將這些規(guī)則附加到我們創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)類別上。

對于 layout，我們可以使用同一套規(guī)則條件。許多設(shè)計人員會設(shè)置各種不同的寬度和間隙值，以及長度和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。Allegro X 提供不同的仿真(Taiwan:模擬)和分析工具，允許我們根據(jù)信號的時序確定需要的走線長度。高級規(guī)則（如走線長度）可通過專門的布線功能進行控制，允許我們在 layout 中創(chuàng)建蛇形布線。

另一個技巧是充分使用工具的所有功能來幫助我們設(shè)置規(guī)則。Allegro X 的 Constraint Manager （規(guī)則管理器）中有許多功能，可以設(shè)置整套規(guī)則的默認(rèn)值，免去手動輸入每個值的麻煩。

我們還可以復(fù)制和粘貼各種規(guī)則。操作完成后，不要忘了保存規(guī)則，以便后續(xù)重復(fù)使用。這樣，我們就可以為規(guī)則和約束文件建立一個資源庫，方便在以后的設(shè)計中使用。

如圖所示，在 Allegro X 中，可通過約束來設(shè)置接地平面的連通圖。

在 Allegro X 中使用規(guī)則驅(qū)動的布線功能

如果沒有設(shè)置適當(dāng)?shù)淖呔€布線寬度、間隙、長度和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，我們的 PCB 設(shè)計可能很快會面臨大量的信號完整性問題。再加上還必須遵循其他設(shè)計要求，建立一個完整而全面的設(shè)計約束和規(guī)則系統(tǒng)很有必要。