利用(yòng)具有(yǒu)紧密元件放置的创造性布線(xiàn)解决方案

2021-06-18

利用(yòng)具有(yǒu)紧密元件放置的创造性布線(xiàn)解决方案

当在研究实验室工作并為(wèi)我们自制的光學(xué)系统设计 PCB 时，我的布局又(yòu)脏又(yòu)乱。我们不担心封装、有(yǒu)限的電(diàn)路板空间或紧凑的布線(xiàn)等小(xiǎo)事。只要我们能(néng)够将所有(yǒu)必需的组件都出现在電(diàn)路板上，并且最终電(diàn)路板变成了印刷電(diàn)路，我们就很(hěn)高兴。

一旦我们的显微镜系统变得更加复杂，将我们的高速定制图像设备连接到我们的显微镜意味着我们现在必须在狭窄的空间限制内工作，以免我们有(yǒu)巨大的 PCB 和一堆光學(xué)连接挂在一个更巨型显微镜。我们突然被迫想出创造性的组件布局和路由策略，只是為(wèi)了让我们所有(yǒu)的组件都适合狭窄的空间。

除非您使用(yòng) HDI 板，或者您的设备有(yǒu)一些严格的机械限制，否则您可(kě)能(néng)并不担心板上的可(kě)用(yòng)空间。随着组件密度的增加和需要更多(duō)的连接，您需要使用(yòng)一些创造性的布線(xiàn)方法和层堆栈，以确保在您的设计规则内操作时可(kě)以放置所有(yǒu)需要的连接。Altium Designer ® 中强大的CAD 和布線(xiàn)工具可(kě)以帮助您放置和布線(xiàn)组件，同时节省可(kě)用(yòng)的電(diàn)路板空间。

初始原理(lǐ)图捕获和布局

在接地平面直接位于顶层信号层下方的多(duō)层板上工作可(kě)以大大改进您的布線(xiàn)策略。如果成本或其他(tā)一些限制禁止使用(yòng)四层或更多(duō)层的電(diàn)路板，您仍然可(kě)以使用(yòng)具有(yǒu)分(fēn)离電(diàn)源和接地层的两层電(diàn)路板，尽管您的布線(xiàn)可(kě)能(néng)不会在所有(yǒu)情况下都那么紧凑。使用(yòng)多(duō)层板可(kě)让您直接在信号下方放置接地层，从而降低 EMI 敏感性。您还可(kě)以使用(yòng)直接连接到接地层的过孔来缩短或消除某些连接。

首先，我们要在 Altium 中定义我们的层堆叠。板层堆叠、预浸料、核心和表面材料可(kě)以在层堆叠管理(lǐ)器中定义。转到“设计”下拉菜单，然后单击“层堆栈管理(lǐ)器”。此对话框允许您设计自己的堆叠，或者您可(kě)以使用(yòng)“预设”下拉菜单中的模板。下图显示了从预设模板创建的四层堆栈。

在 Altium 中定义四层板

此对话框可(kě)让您更改電(diàn)路板中的许多(duō)材料属性。这為(wèi)您提供了显着的可(kě)定制性，因為(wèi)您的真实電(diàn)路板可(kě)能(néng)会使用(yòng)FR-4 的替代品作為(wèi)電(diàn)路板基材。您还可(kě)以在层之间定义钻孔对，并且可(kě)以在当前叠层中添加或删除层。现在，我们将坚持使用(yòng)四层板，以便我们可(kě)以根据需要轻松地将一些信号接地。

默认情况下，電(diàn)路板将仅在“组件侧”和“焊接侧”层之间定义钻孔对。在这里，我们要定义“Component Side”和“Ground Plane”层之间的钻孔对，以及“Component Side”和“Power Plane”层之间的钻孔对。

Altium 包括许多(duō)交互式布線(xiàn)功能(néng)，可(kě)以轻松开始布線(xiàn)您的電(diàn)路板，尤其是当您使用(yòng) FPGA 等高引脚密度组件时。根据您為(wèi)電(diàn)路板定义的层堆栈和钻孔对，Altium 将决定如何最好地布線(xiàn)您的连接，同时仍然符合您的设计规则。

捕获原理(lǐ)图作為(wèi) PCB 布局

一旦定义了電(diàn)路板堆叠，您就可(kě)以将原理(lǐ)图导入初始布局并开始排列组件。我们将使用(yòng)的原理(lǐ)图包括一个连接到 3 个 1 到 32 解码器的缓冲器。為(wèi)简洁起见，我们已启用(yòng)每个解码器中的所有(yǒu) 1-to-8 部分(fēn)，但您可(kě)以使用(yòng)第二个缓冲區(qū)或其他(tā)電(diàn)路轻松控制启用(yòng)/禁用(yòng)每个 1-to-8 部分(fēn)。

Altium 中包含多(duō)个 IC 的示意图

接下来，您需要创建一个新(xīn)的 PCB 并打开它。转到“设计”菜单并选择“从...导入更改”。这将打开一个 ECO 对话框，允许您将原理(lǐ)图中的所有(yǒu)更改导入到空白印刷電(diàn)路板中。单击“执行更改”按钮后，Altium 将检查错误，然后将组件放置在空白 PCB 中。您新(xīn)创建的布局将如下所示：

Altium 设计规则中的布線(xiàn)宽度规则

现在我们可(kě)以开始按照我们希望它们出现在板上的方式排列组件。您将有(yǒu)足够的自由按照您认為(wèi)合适的方式排列组件，但我们希望将它们排列得尽可(kě)能(néng)紧凑。这将防止在更高的信号切换速度下过渡到传输線(xiàn)行為(wèi)，并消除对端接的需要。一种可(kě)能(néng)的布局如下所示：

我们在完成布線(xiàn)之前的初始 IC 布局。

此时，我们应该决定是要自动还是手动进行路由。如果计算原理(lǐ)图中已经定义的连接数，您会看到有(yǒu) 103 个连接需要在布局中定义。手动铺设所有(yǒu)这些连接将花(huā)费大量时间。相反，我们可(kě)以指定一个路由策略并允许 Altium 在检查我们的设计规则时实施它。

转到“路線(xiàn)”菜单，然后选择“自动路線(xiàn)”和“全部...”。这将打开 Situs ® Routing Strategies 对话框，如下图所示。您将能(néng)够查看适用(yòng)于许多(duō)不同布線(xiàn)策略的所有(yǒu)适用(yòng)设计规则。您也可(kě)以定义自己的策略。在这里，我们将使用(yòng)“默认多(duō)层板”策略。

Altium 中的路由策略对话框

单击“全部路由”按钮开始路由。该工具将需要一些时间来执行，因為(wèi)它需要根据项目的标准设计规则来评估每个迹線(xiàn)。工具完成后，组件之间的连接将出现在顶层，您现在可(kě)以定义電(diàn)路板形状。在实际应用(yòng)中，電(diàn)路板形状需要更大以容纳其他(tā)组件，但我们可(kě)以了解该電(diàn)路板占用(yòng)的空间量。如果您测量電(diàn)路板，我们会看到该電(diàn)路板占地约 5.6 平方英寸。

我们的布線(xiàn)電(diàn)路板

请注意，将 1 到 32 解码器中的每一个交错排列，為(wèi)自动布線(xiàn)工具提供了足够的空间在必要的地方放置过孔，并防止多(duō)条迹線(xiàn)重叠过多(duō)。

一种替代的、不太有(yǒu)效的策略

如果我们只对没有(yǒu)電(diàn)源或地平面的两层板使用(yòng)默认设置，我们也可(kě)以尝试使用(yòng)自动布線(xiàn)工具对这块板进行布線(xiàn)。尝试返回到上面显示的层堆栈管理(lǐ)器，选择默认的两层配置，然后创建一个新(xīn)的空白 PCB。您现在可(kě)以创建与以前相同的布局并使用(yòng)自动布線(xiàn)工具来放置连接。自动布線(xiàn)工具将生成如下所示的布局：

在两层板上完成布線(xiàn)

此布局占用(yòng)的面积约為(wèi) 7.2 平方英寸。使用(yòng)四层堆叠可(kě)使您使用(yòng)的空间比两层板少约 24%。由于四层板在顶层正下方包括一个接地平面，因此与简单的两层板相比，它更不容易受到 EMI 的影响。显然，创造性的元件放置并不是影响電(diàn)路板布局的唯一因素；层堆栈起着关键作用(yòng)。

如果您没有(yǒu)注意到，使用(yòng)这种两层堆叠还需要我们将额外的走線(xiàn)路由到電(diàn)源/接地总線(xiàn)或单独的電(diàn)源/接地点。这会进一步增加所需的印刷電(diàn)路空间，并且不会消除这种布局中固有(yǒu)的 EMI 敏感性。

Altium 用(yòng)户友好的工作流管理(lǐ)解决方案从原理(lǐ)图捕获到供应链的捕获，可(kě)以确保您知道启动任何项目的路径長(cháng)度。Altium 中高度规则驱动的环境使您可(kě)以控制路由策略。将此与高级 CAD 工具和布線(xiàn)功能(néng)相结合，您将能(néng)够设计具有(yǒu)任何布線(xiàn)要求的现代 PCB。Altium 中的 CAD 工具和布線(xiàn)功能(néng)為(wèi) PCB 设计树立了新(xīn)标准。