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PCB 設(shè)計流程簡介
PCB 設(shè)計流程簡介
PCB設(shè)計中所涉及的工具條款過程中，基本電磁特性對輸電線路，信號完整性，電源傳輸設(shè)計和許多其他PCB設(shè)計相關(guān)的主題。但是，最重要的基礎(chǔ)之一是充分了解被認(rèn)為具有最快設(shè)計流程的因素。此信息涵蓋總線和信號類型，包括工作頻率和終端類型；Vdd 電壓；每個 Vdd 軌的阻抗，DC 到 DC 轉(zhuǎn)換器的選擇，計算旁路電容器的數(shù)量和值，并創(chuàng)建這些元件的原理圖，這些元件成為交付給電路板制造商的整個原理圖集的一部分。
這個過程的基礎(chǔ)來自我們在設(shè)計數(shù)百個 PCB 方面的多年經(jīng)驗，從 PC 主板到太比特路由器的交換結(jié)構(gòu)，以及介于兩者之間的各種產(chǎn)品。本文介紹了構(gòu)成流程的特定步驟，有助于確保最終產(chǎn)品構(gòu)建與設(shè)計的電路板相匹配。
步驟
正如需要有一個完整的計劃和一套規(guī)范來正確建造房屋一樣，PCB 產(chǎn)品的設(shè)計由許多具有特定細(xì)節(jié)的步驟組成。這個過程的具體步驟如下：
步驟 1 — 構(gòu)建框圖
框圖包括所有總線和其他信號類型。要構(gòu)建綜合框圖，必須顯示以下元素：
每條總線中的信號數(shù)量。
每輛巴士的技術(shù)
其工作頻率。
它的終止類型。
圖 1 中作為示例提供的完整框圖成為原理圖集的第 1 頁。
圖 1. 顯示框圖的典型原理圖的第 1 頁
步驟 2 — 列出所有 Vdd 電壓
Vdd 電壓信息包括：
他們提供的 IC
計算每個電壓和允許紋波的峰值電流。
允許紋波是通過查閱每個 IC 數(shù)據(jù)表來計算的。
對于那些具有單端 CMOS 輸出驅(qū)動器的 IC，最大允許紋波將通過獲取輸入的噪聲容限并將部分噪聲容限分配給紋波、串?dāng)_、Vdd/地彈和反射來確定。
前面的數(shù)字來自本文末尾的參考文獻(xiàn) 1 中詳細(xì)介紹的設(shè)計規(guī)則創(chuàng)建過程的噪聲容限分析部分。
正如之前的文章所述，許多應(yīng)用說明都指定了在各種電路（如 SERDES 和鎖相環(huán) (PLL)）的電源引線中使用鐵氧體磁珠。這些珠子通常被稱為“因為我們一直是這樣做的”。正如我在關(guān)于此主題的文章中所述，正確的方法是將所有相同電壓的電源線連接到單個電壓軌，而不是添加會降低電路板性能的鐵氧體磁珠。
步驟 3 — 計算每個 Vdd 軌的阻抗
每個 Vdd 軌的阻抗是通過將最大紋波除以最大增量 I 獲得的。這將是該電壓下整個 PDS 的目標(biāo)阻抗。
注意：通常，無法從組件供應(yīng)商處獲得最大增量 I 信息。在這種情況下，唯一安全的做法是假設(shè)最大增量 I 從零電流擺動到峰值電流。
步驟 4 — 選擇 DC 到 DC 轉(zhuǎn)換器
此步驟包含以下信息：
DC-DC 轉(zhuǎn)換器提供最大 I 并具有滿足上述步驟 3 中計算出的目標(biāo)阻抗的輸出阻抗。
對于任何電源，DC-DC 轉(zhuǎn)換器可以是開關(guān)模式或線性的。
開關(guān)模式電源總是更高效。
當(dāng)應(yīng)用筆記僅提及線性穩(wěn)壓器時，就像在 FPGA 上經(jīng)常發(fā)生的那樣，這是因為作者不知道如何抑制在選擇不正確電容器時經(jīng)常出現(xiàn)在此類穩(wěn)壓器輸出端的開關(guān)瞬變。本文檔中的方法解決了這一問題，因此不需要線性電源。
步驟 5 — 構(gòu)建 PDS 的框圖
圖 2所示的電力傳輸系統(tǒng)框圖成為原理圖集的第 2 頁。
圖 2. 顯示電力輸送系統(tǒng)的典型原理圖的第 2 頁
步驟 6 — 計算旁路電容器的數(shù)量和值
此步驟涉及計算滿足上述步驟 3 中計算出的目標(biāo)阻抗所需的旁路電容器的數(shù)量和值。這涉及覆蓋從 DC-DC 轉(zhuǎn)換器停止調(diào)節(jié)到至少 100 MHz的頻率范圍。選擇這個頻率范圍是知道處理器內(nèi)核和網(wǎng)絡(luò)處理器內(nèi)核可能會在該范圍內(nèi)以任何速率從待機(jī)電流變?yōu)榛顒与娏鳎唧w取決于流量。有多種工具可用于此步驟，包括 Altera 網(wǎng)站上的 PDN_Tool_V10。注意：此工具現(xiàn)在稱為英特爾 PDN 工具 2.0。必須使用 X7R 或 X5R 等有損陶瓷電容器以確保 PDS 中不會出現(xiàn)不需要的諧振。
步驟 7 — 創(chuàng)建電容器頁面
此步驟涉及為步驟 6 中執(zhí)行的計算得出的所有電容器創(chuàng)建一個電容器頁面。該頁面成為原理圖集的第 3 頁。重要的是不要將旁路電容器散布在元件旁邊的原理圖的各個表周圍，因為這種做法使得很難確定 PDS 中的電容器數(shù)量和類型。此外，整個原理圖中的散射電容器不會為設(shè)計增加任何價值。雖然一些應(yīng)用筆記可能會使用諸如“盡可能靠近”的說明指定將電容器放置在組件旁邊，并且還指定任意數(shù)量的電容器，但這種建議已被證明是無效的。應(yīng)忽略應(yīng)用筆記中的電容器使用說明，并且應(yīng)遵循參考文獻(xiàn) 1 中描述的 PDN 設(shè)計方法中闡明的程序。最終的電容器頁面顯示在圖3。
圖 3. 原理圖中的典型旁路電容器陣列
步驟 8 — 確定平面電容
這里，確定了來自步驟 2 的每個電源電壓所需的平面電容。該計算不像用于確定分立電容器數(shù)量那樣簡單。需要最多平面電容的電壓是那些提供寬單端數(shù)據(jù)總線的電壓。第 171 頁的參考文獻(xiàn) 1 中描述了一種計算所需平面電容近似值的方法。該公式已被證明是保守但可靠的。
步驟 9 — 構(gòu)建主 PCB 疊層
重要的是提供足夠的平面對來創(chuàng)建在步驟 8 中計算的平面間電容，并提供足夠的信號層來包含預(yù)期的導(dǎo)線負(fù)載。典型的疊層圖如圖 4所示。
圖 4. 典型的 PCB 堆疊
步驟 10 到 12 包括以下內(nèi)容：
第 10 步：
針對串?dāng)_、反射、Vdd/接地彈跳和紋波要求，對框圖中的每種邏輯類型執(zhí)行噪聲容限分析。
第 11 步：
模擬框圖中顯示的每種網(wǎng)絡(luò)類型的至少一個成員，以確定終止和排序要求。
第 12 步：
構(gòu)建技術(shù)表，如圖 5所示，其中列出了每一類網(wǎng)絡(luò)的布線、頻率、間距和端接要求。
圖 5. 典型技術(shù)表
步驟 13 到 19 包括以下內(nèi)容：
第 13 步：
完成原理圖。
第 14 步：
向原理圖添加可測試性功能，例如阻抗測試跡線和平面電容訪問測試點。
第 15 步：
將元件放置在 PCB 表面，評估可布線性并進(jìn)行熱分析。這包括根據(jù)需要調(diào)整布局和堆疊以滿足兩組需求。此外，沿 PCB 的一個邊緣添加堆疊條紋，以允許檢查成品 PCB 的最終堆疊。
第 16 步：
確定焊盤堆疊尺寸和孔的最小間距，以確保平面中的間隙孔之間有平面腹板，并滿足絕緣要求、縱橫比要求和孔環(huán)要求。
第 17 步：
建造鉆臺和制造圖。
第 18 步：
使用生成的檢查表布線 PCB，以確保設(shè)計過程中的所有步驟都以令人滿意的方式完成。
第 19 步：
將藝術(shù)品運送到制造商。
概括
一套完整的工藝設(shè)計步驟有助于確保設(shè)計和制造電路板設(shè)計所需的所有信息都已為 PCB 指定，該 PCB 將在第一次以及整個產(chǎn)品生命周期中正常工作。此信息包含所有電路板特性，包括總線和信號、Vdd 電壓和 Vdd 軌阻抗、DC-DC 轉(zhuǎn)換器和旁路電容器。作為此過程的結(jié)果創(chuàng)建的原理圖成為交付的原理圖集的一部分。遵循這些步驟將確保 PCB 設(shè)計過程是徹底和優(yōu)化的，以盡可能快地滿足調(diào)度和成本要求。