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利用具有緊密元件放置的創(chuàng)造性布線(xiàn)解決方案
利用具有緊密元件放置的創(chuàng)造性布線(xiàn)解決方案
當(dāng)在研究實(shí)驗(yàn)室工作并為我們自制的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) PCB 時(shí)，我的布局又臟又亂。我們不擔(dān)心封裝、有限的電路板空間或緊湊的布線(xiàn)等小事。只要我們能夠?qū)⑺斜匦璧慕M件都出現(xiàn)在電路板上，并且最終電路板變成了印刷電路，我們就很高興。
一旦我們的顯微鏡系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，將我們的高速定制圖像設(shè)備連接到我們的顯微鏡意味著我們現(xiàn)在必須在狹窄的空間限制內(nèi)工作，以免我們有巨大的 PCB 和一堆光學(xué)連接掛在一個(gè)更巨型顯微鏡。我們突然被迫想出創(chuàng)造性的組件布局和路由策略，只是為了讓我們所有的組件都適合狹窄的空間。
除非您使用 HDI 板，或者您的設(shè)備有一些嚴(yán)格的機(jī)械限制，否則您可能并不擔(dān)心板上的可用空間。隨著組件密度的增加和需要更多的連接，您需要使用一些創(chuàng)造性的布線(xiàn)方法和層堆棧，以確保在您的設(shè)計(jì)規(guī)則內(nèi)操作時(shí)可以放置所有需要的連接。Altium Designer ? 中強(qiáng)大的CAD 和布線(xiàn)工具可以幫助您放置和布線(xiàn)組件，同時(shí)節(jié)省可用的電路板空間。
初始原理圖捕獲和布局
在接地平面直接位于頂層信號(hào)層下方的多層板上工作可以大大改進(jìn)您的布線(xiàn)策略。如果成本或其他一些限制禁止使用四層或更多層的電路板，您仍然可以使用具有分離電源和接地層的兩層電路板，盡管您的布線(xiàn)可能不會(huì)在所有情況下都那么緊湊。使用多層板可讓您直接在信號(hào)下方放置接地層，從而降低 EMI 敏感性。您還可以使用直接連接到接地層的過(guò)孔來(lái)縮短或消除某些連接。
首先，我們要在 Altium 中定義我們的層堆疊。板層堆疊、預(yù)浸料、核心和表面材料可以在層堆疊管理器中定義。轉(zhuǎn)到“設(shè)計(jì)”下拉菜單，然后單擊“層堆棧管理器”。此對(duì)話(huà)框允許您設(shè)計(jì)自己的堆疊，或者您可以使用“預(yù)設(shè)”下拉菜單中的模板。下圖顯示了從預(yù)設(shè)模板創(chuàng)建的四層堆棧。
在 Altium 中定義四層板
此對(duì)話(huà)框可讓您更改電路板中的許多材料屬性。這為您提供了顯著的可定制性，因?yàn)槟恼鎸?shí)電路板可能會(huì)使用FR-4 的替代品作為電路板基材。您還可以在層之間定義鉆孔對(duì)，并且可以在當(dāng)前疊層中添加或刪除層。現(xiàn)在，我們將堅(jiān)持使用四層板，以便我們可以根據(jù)需要輕松地將一些信號(hào)接地。
默認(rèn)情況下，電路板將僅在“組件側(cè)”和“焊接側(cè)”層之間定義鉆孔對(duì)。在這里，我們要定義“Component Side”和“Ground Plane”層之間的鉆孔對(duì)，以及“Component Side”和“Power Plane”層之間的鉆孔對(duì)。
Altium 包括許多交互式布線(xiàn)功能，可以輕松開(kāi)始布線(xiàn)您的電路板，尤其是當(dāng)您使用 FPGA 等高引腳密度組件時(shí)。根據(jù)您為電路板定義的層堆棧和鉆孔對(duì)，Altium 將決定如何最好地布線(xiàn)您的連接，同時(shí)仍然符合您的設(shè)計(jì)規(guī)則。
捕獲原理圖作為 PCB 布局
一旦定義了電路板堆疊，您就可以將原理圖導(dǎo)入初始布局并開(kāi)始排列組件。我們將使用的原理圖包括一個(gè)連接到 3 個(gè) 1 到 32 解碼器的緩沖器。為簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，我們已啟用每個(gè)解碼器中的所有 1-to-8 部分，但您可以使用第二個(gè)緩沖區(qū)或其他電路輕松控制啟用/禁用每個(gè) 1-to-8 部分。
Altium 中包含多個(gè) IC 的示意圖
接下來(lái)，您需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新的 PCB 并打開(kāi)它。轉(zhuǎn)到“設(shè)計(jì)”菜單并選擇“從...導(dǎo)入更改”。這將打開(kāi)一個(gè) ECO 對(duì)話(huà)框，允許您將原理圖中的所有更改導(dǎo)入到空白印刷電路板中。單擊“執(zhí)行更改”按鈕后，Altium 將檢查錯(cuò)誤，然后將組件放置在空白 PCB 中。您新創(chuàng)建的布局將如下所示：
Altium 設(shè)計(jì)規(guī)則中的布線(xiàn)寬度規(guī)則
現(xiàn)在我們可以開(kāi)始按照我們希望它們出現(xiàn)在板上的方式排列組件。您將有足夠的自由按照您認(rèn)為合適的方式排列組件，但我們希望將它們排列得盡可能緊湊。這將防止在更高的信號(hào)切換速度下過(guò)渡到傳輸線(xiàn)行為，并消除對(duì)端接的需要。一種可能的布局如下所示：
我們?cè)谕瓿刹季€(xiàn)之前的初始 IC 布局。
此時(shí)，我們應(yīng)該決定是要自動(dòng)還是手動(dòng)進(jìn)行路由。如果計(jì)算原理圖中已經(jīng)定義的連接數(shù)，您會(huì)看到有 103 個(gè)連接需要在布局中定義。手動(dòng)鋪設(shè)所有這些連接將花費(fèi)大量時(shí)間。相反，我們可以指定一個(gè)路由策略并允許 Altium 在檢查我們的設(shè)計(jì)規(guī)則時(shí)實(shí)施它。
轉(zhuǎn)到“路線(xiàn)”菜單，然后選擇“自動(dòng)路線(xiàn)”和“全部...”。這將打開(kāi) Situs ? Routing Strategies 對(duì)話(huà)框，如下圖所示。您將能夠查看適用于許多不同布線(xiàn)策略的所有適用設(shè)計(jì)規(guī)則。您也可以定義自己的策略。在這里，我們將使用“默認(rèn)多層板”策略。
Altium 中的路由策略對(duì)話(huà)框
單擊“全部路由”按鈕開(kāi)始路由。該工具將需要一些時(shí)間來(lái)執(zhí)行，因?yàn)樗枰鶕?jù)項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)規(guī)則來(lái)評(píng)估每個(gè)跡線(xiàn)。工具完成后，組件之間的連接將出現(xiàn)在頂層，您現(xiàn)在可以定義電路板形狀。在實(shí)際應(yīng)用中，電路板形狀需要更大以容納其他組件，但我們可以了解該電路板占用的空間量。如果您測(cè)量電路板，我們會(huì)看到該電路板占地約 5.6 平方英寸。
我們的布線(xiàn)電路板
請(qǐng)注意，將 1 到 32 解碼器中的每一個(gè)交錯(cuò)排列，為自動(dòng)布線(xiàn)工具提供了足夠的空間在必要的地方放置過(guò)孔，并防止多條跡線(xiàn)重疊過(guò)多。
一種替代的、不太有效的策略
如果我們只對(duì)沒(méi)有電源或地平面的兩層板使用默認(rèn)設(shè)置，我們也可以嘗試使用自動(dòng)布線(xiàn)工具對(duì)這塊板進(jìn)行布線(xiàn)。嘗試返回到上面顯示的層堆棧管理器，選擇默認(rèn)的兩層配置，然后創(chuàng)建一個(gè)新的空白 PCB。您現(xiàn)在可以創(chuàng)建與以前相同的布局并使用自動(dòng)布線(xiàn)工具來(lái)放置連接。自動(dòng)布線(xiàn)工具將生成如下所示的布局：
在兩層板上完成布線(xiàn)
此布局占用的面積約為 7.2 平方英寸。使用四層堆疊可使您使用的空間比兩層板少約 24%。由于四層板在頂層正下方包括一個(gè)接地平面，因此與簡(jiǎn)單的兩層板相比，它更不容易受到 EMI 的影響。顯然，創(chuàng)造性的元件放置并不是影響電路板布局的唯一因素；層堆棧起著關(guān)鍵作用。
如果您沒(méi)有注意到，使用這種兩層堆疊還需要我們將額外的走線(xiàn)路由到電源/接地總線(xiàn)或單獨(dú)的電源/接地點(diǎn)。這會(huì)進(jìn)一步增加所需的印刷電路空間，并且不會(huì)消除這種布局中固有的 EMI 敏感性。
Altium 用戶(hù)友好的工作流管理解決方案從原理圖捕獲到供應(yīng)鏈的捕獲，可以確保您知道啟動(dòng)任何項(xiàng)目的路徑長(zhǎng)度。Altium 中高度規(guī)則驅(qū)動(dòng)的環(huán)境使您可以控制路由策略。將此與高級(jí) CAD 工具和布線(xiàn)功能相結(jié)合，您將能夠設(shè)計(jì)具有任何布線(xiàn)要求的現(xiàn)代 PCB。Altium 中的 CAD 工具和布線(xiàn)功能為 PCB 設(shè)計(jì)樹(shù)立了新標(biāo)準(zhǔn)。