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PCB设计工具选择


PCB设计工具加速改进迎接挑战

为了战胜难度更大的挑战,印刷电路板(publish circuit board,简称PCB)设计工具一定要时刻保持不断地进化和发展,尤其是在高速信号领域中,更是如此。

说到印刷电路板的设计,在这方面的改变并不一定是根本性的。尽管集成电路设计工具必须要能跟得上技术上快速变革的步伐,但印刷电路板设计者们所使用的工具却还是更倾向于以一种进化性的方式来进行改变。

但这并不意味着印刷电路板设计者们的世界就天下太平了。像串行化器/解串器(serializers/deserializers,简称SERDES)这样的技术属于多吉比特串行数据流技术,有了像这样的创新成果,印刷电路板设计者们就要面对在信号完整性方面难度极大的挑战。如果这些设计者们所使用的整套工具都跟不上所需的速度,要满足时序上的要求恐怕就非常吃力了。

以上所说的种种,当然要把它们合在一起,再加上时下的这样一种趋势是集成电路芯片上的引脚数量越来越多,就形成了这样一个开发环境,身处其中的印刷电路板的设计者们手头必须有完成工作所需的合适工具。即使如此,要完成的任务还是可能让你大吃一惊。在这份报告中,我们将对印刷电路板设计者们所面临的挑战中的一部分进行调查,并检验目前许许多多的设计工具如何解决这些挑战的。

一、PCB设计速度方面的需求

“印刷电路板设计已经成为了一项要求极其严格的复杂系统设计流程”,日本Zuken公司在欧洲的工程总经理WernerRissiek说道。他进一步说明,“它已经绝不再是仅仅只与图稿设计有关了。从为你的产品设定草图到平面布局图、电路布线图乃至生产制造的全过程中,这都是一项工程性的工作。”

在今天,在整个电路板设计流程中,对工程性的需要很大程度上是由极高的信号传输速度来推动的。现代化的处理器需要有现代化的总线,而且这样的总线要能运载高速传输的信号。“一旦时钟频率达到了300MHz或400MHz,你就要开始真正为信号完整性而拼命努力了”MentorGraphics(明导国际电子科技公司)系统设计部的市场开发主管JohnIsaac这样说道。

从并行总线转向串行数据与时钟转换加强了这一高速信号传输速度的趋势。举个例子:PCI(peripheralcomponentinterface,周边元件扩展接口)高速协议已经在很大程度上取代了PCI总线的地位。它以一对差分总线代替了并行总线,这对差分总线能通过与并行总线相同的链接传输数据与时钟信号。

“对这样的设计而言,它们能从两方面获益”,Cadence公司高速印刷电路板产品部的研发副总A.J.Incorvaia这样说道:“一方面是在链接中进行设计时,所占用的印刷电路板面积会少得多。另一方面,由于采用了差分总线,这些链接对于来自攻击性入侵网络的干扰具有一定免疫能力。在某种程度上,它们是处于屏蔽中的,因为在两条总线上的干扰相互抵消了,”由于采用了PCI高速协议,这项设计上的数据传输率挑战是2.5Gbit/s。在这样的速度下,信号对电路板通道上的不连续点,如贯孔、连接器或长线迹要敏感得多。

“设计出一个完整的内部互连结构是成功的一大要素”,Incorvaia说道:“最常出现的情况是,人们必须进行模拟仿真试验才能弄明白设计准则到底是怎样的。接下去,要在那么多约束条件下进行连接结构的设计就变成了一项挑战。”

说到能应付高速总线挑战的模拟仿真工具,Cadence公司的高速印刷电路板SI630(AllegroPCBSI630)就是一个例子。它能在台式个人电脑上模拟高达每秒一万比特(10kbit/s)以及每小时一兆比特的传输速率,这意味着它能在一天之内运行完多次全板模拟仿真。

“线路分析是关键所在”,Incorvaia这样说,“我们开创出了新的方式,能对每种路线进行特殊定义,并以一种不同于以往的方式来对它进行模拟仿真。”

另一个令印刷电路板设计者们头痛的有关速度的问题则涉及到存储器访问。电路设计者们正在经历一次从标准SDRAM(synchronousdynamicradomaccessmemory,同步动态随机存储器)向DDR(doubledatarate,双倍数据传输率)的转变。当前的设计大多是采用DDR2存储器。不过DDR3的存取速率为800MHz,在消费电子领域中它正越来越受欢迎。

“在从DDR升级到DDR2,再到DDR3的过程中,设计者们需要细致的仿真模拟,使之能配合设计上的约束条件。只有这样的方针才能让他们能够遵照约束条件进行布线”,Incorvaia说道,“否则的话,你所设计出来的电路板将遭遇没完没了的返工。”

在电路板上采用高速串行总线和先进的存储器技术,这一选择迫使电路板设计者们不得不成为信号完整性方面的专家,而且对于这些设计者们中的大多数人来说,情况还不仅仅是这样。事实上,这样的高速所牵涉到的问题有可能会超出单纯的信号完整性的范围。

“在信号完整性方面,你所关注的只是类似于一个信号的超调(overshoot)或延时(delay)这样的特性参数。而高速传输所关注的领域正由单个信号完整性转变为对整个数据流的验证”,Zuken公司的Rissiek说道,“在这种情况下,你不再会对作用在某个信号上的某一次影响感兴趣了,而是考虑多个信号,以及它们通过各个元件的次序。你需要确保数据流的可靠性。因此你就要紧紧盯着各种图表和复杂的信号激励源以进行分析,这样才能反映出信号上通过的真实数据流。”

二、电路板设计技术越来越先进

几年以前,许许多多被认为是“极端怪异”的电路板设计元件开始流行起来。从那时候开始,一系列像盲孔、埋孔、嵌入式无源部件以及挠式电路这样的技术都摘下了“利基”的标签,现在它们都已成为电路板设计者们军火库中常规武器的一部分。因此,设计者们必须确保自己现有的整套工具能有效率地运用这些技术。

精密的硅片结构需要高端总线,它们正又一次推动着像嵌入式无源部件这类技术的应用。片上系统(systems-on-a-chip,简称SoC)以及专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit,简称ASIC)通常都包含了大量的输入/输出端口,这些端口又需要更多的电阻和电容来作退耦及终端之用。“分立元件永远是必需的”,明导国际公司的Issac宣称,“但是现在,如果你已经到了需要成百个分立元件才能支持一个高端集成电路的地步,那你就该考虑把它们潜入到集成电路下的内层电路中去,同时也能相对地收缩外层电路上被占用的大量表面积。”

此外,这并不是一项新技术。确切地说,在速度、集成电路芯片引脚数量和对较小外形因数的需要这种种因素的推动下,这项技术正在逐渐苏醒过来。

三、电路板整体分析

高传输速率与大引脚数目结合在一起,这样产生的器件,例如FPGA(现场可编程门阵列电路),促使设计者们和EDA(电子设计自动化)工具供应商们以一种整体性的角度来看待印刷电路板及它所承载的元件。FPGA的良好延展性令它成为一种对设计者们而言如此有用的工具,这一特性也让印刷电路板设计者们看到了一种完全不同于以往的景象。

“FPGA代表了整个设计流程软化的下一阶段”,电子设计软件公司Altium的首席执行官NickMartin解释道:“有了FPGA,你就能在软件的基础上对硬件也进行升级。打个比方,在完成电路板设计后,你可以大规模地实现并行DSP(digitalsignalprocessing,数字信号处理)。这样你的板级工艺就完全不同了。这几乎是在制作一个平台。”

Altinum公司的Designer6.0能支持印刷电路板/现场可编程门阵列电路的联合设计。如此一来,设计者们就能完全把FPGA作为系统平台来使用。然而,对电路板设计者们来说还有一个主要的障碍,那就是FPGA电路的引脚赋值常常是不考虑电路板布线的。不仅如此,在大规模可编程门阵列电路中所采用的密集封装技术反过来还可能会导致电路板布局上的灭顶之灾。

网络动态性重新赋值的概念具体描述了Altinum的Designer6.0产品所具有的一项重要特性。有了这项特性,就能在印刷电路板布局过程中对FPGA电路的闲置引脚进行更换。该工具能动态地为预先布设好了的子网重新进行设置,并且能交换相连的差分信号对。

Designer6.0把网络动态性重新赋值与一种自动化FPGA引脚优化发动机结合在一起,它使得工程师们能完全利用FPGA引脚可重复编程的优势,从而使板级布局达到最优化。在电路板级别上对引脚所作的改变会自动地与FPGA电路设计保持同步,这样就省去了手动进行输入/输出管理这项费时的工作。

有意思的是,人们注意到集成电路封装设计正变得越来越像印刷电路板了。“系统中更多的部分正在从印刷电路板上脱离出来。我们现在已经离开了单个晶片封装,进入了多个晶片封装的阶段”,电子设计技术公司Optimal的高级应用程序工程师KenMohamed说道。

KenMohamed继续补充道:“在电路板上,难题在于那些封装之间的接口,以及如何把电源和信号接入封装。这个难题可不仅仅只是牵涉到电路板或封装本身。你需要着眼于整个系统,这就是说要包括印刷电路板、封装和晶片影响。”

Optimal公司的设计工具,比如PakSI-TM,一款热量/机械建模设计工具;还有PadSI-E,这是一套信号完整性分析工具,它们都能让设计者们对这些系统的工作方式构造模型进行分析。据Mohamed所说,这些系统中所包含的几何构造是影响其工作方式的主要因素。

“我们正目睹印刷电路板型的拓扑结构在逐渐转向另一尺寸,而且这还是在某一范围内的一系列不同尺寸。你已经有了印刷电路板本身,接下去就要有晶片级上的相同结构。”他这样说道。

按照Mohamed和Optimal公司的观点来看,EDA已经对如何令几何结构问题能够得以解决作出了设想,并进行了简化。

“如今,随着电路元件的尺寸都在按比例减小,我们正在渐渐丧失保持简化的能力”,Mohamed说道。在难以通过直接测量结果的比较来进行验证的尺寸上,人们需要有类似于Optimal公司产品这样的设计工具来进行模拟仿真和分析,所以对于设计者们来说,防震结果的可信度就变得越来越重要了。

四、将印刷电路板设计与测试合二为一

大多印刷电路板设计者们都一定能从自己设计工具的功能拓宽中获利。在去年由国家仪器公司(NationalInstrument)与泰克电子技术公司(Tektronix)联合举办的一次调查中,有44%的设计者们声称由于将EDA设计工具与测量设备连接在了一起,他们已经从中尝到了甜头。

最新推出的电子工作台设计工具包(electronicsworkbenchdesignSuite)具体实现了国家仪器公司对这次调查所作的回应。该工具包的第九版努力打破在部件选择、案头设计工作以及实验室测量之间所存在的人为隔离,其中实验室测量是通过在Multisim的第九版与LabView之间的紧密结合来实现的。

如此一来,现在设计者们就能使用LabView来构建用于Multisim内部的定制化虚拟仪器。通过LabView和国家仪器公司的“信号快车”工具,我们能获得真实环境中的激励信号,接下去就可以用它来驱动被模拟的电路。为了使回路闭合,仿真的结果很容易就能被导入LabView和信号快车,以达到相关性的目的。

五、电路板位置布局中的危险

信不信由你,电路板元件的所处的位置是如今印刷电路板设计令人困扰的各方面因素中最最让人头疼的一个。这在很大程度上是由于这样一个事实所致:在对一个系统进行设计的整个过程中,元件网表有可能会发生多次改变,这使得元件定位成为了一个令人极度费解,而且难以控制的过程。有些评估表示,这一过程在整个印刷电路板设计周期所占的时间可高达50%,甚至更多。

市场上现有的工具中只有极少数能实现印刷电路板上元件定位流程的自动化。其中一个著名的例子就是DesignAdvance公司推出的印刷电路板设计工具CircuitSpace,这是一款三位定位工具,据说它能从现有印刷电路板总设计周期中削减40%之多。据DesignAdvance公司的首席执行官RandyEager所说,CircuitSpace采用了一种更为强大的模型搜索算法,能为元件定位找出一种全局性的最优解决方案。

CircuitSpace能在Cadence的“快速”印刷电路板设计流程下运行。它看上去就好像一个下拉菜单,而不像一种标准设计工具那样工作。“快速”这项工具基于用户所设置的约束条件执行自动化定位,与此同时,它也在考虑布局问题。

在CircuitSpace缩短定位时间的能力中,一个重要的因素是它的群组定义功能。当印刷电路板设计者们进行定位时,他们首先按照元件的连通性和封装类型把它们归类为不同群组。CircuitSpace能自动完成这一步骤,这样就把一个通常要花上几天才能完成的设计流程缩短到仅仅需要几分钟。

CircuitSpace还能简化对早期电路板部件的再利用,使为参量赋值这一既耗时又容易出错的过程实现自动化。

就像许多其他的系统设计因素一样,印刷电路板设计也是一项全球性的工作。散布在世界各地的设计团队必须平稳顺利地合作。为了促进这项合作,明导国际公司的ExpeditionEnterprise(企业版)流程工具,该工具是专为在全球各地有多个分部的大型电子公司而设计的。

ExpeditionEnterprise的一个主要方面是它的网络协议管理性能。它让各个设计团队能够有效率地创建和控制网络协议,并在全球范围内提供对其进行访问的方式。这种性能把设计数据、库数据以及设计上的约束条件,还有设计意向方面的信息都包括在内。

明导公司的ExpeditionEnterprise与Altinum公司的Designer6.0非常相似,它也是运用印刷电路板和现场可编程门阵列电路的联合设计。它包括了信号完整性验证功能,并采用了一种“一次构建既确保无误”(correct-by-construction)的方法来为复杂的电路板定位和布线。这种封装还要处理规则相容性问题。

由全球性大公司所创建的系统常常也是分布在世界各地。ExpeditionEnterprise能帮助设计者们始终对各个国家的独特指令了如指掌,尤其是在《危险物质限用指令》(RestrictionsonHazardousSubstances,简称RoHS)与《电气电子设备废弃物指令》(WastefromElectricalandElectronicEquipment,简称WEEE)这两方面。

整个设计流程从零部件选择开始。这种设计工具会接到指示,拒绝选择不相容的部件。接下去对其他材料,它也将按照指导内容和书面材料一直这样继续下去。

印刷电路板设计工具将往何处去,这个方向已经变得明朗化了。如今,为了满足设计者们不断变化的需要,它们必须有所改进。到目前为止,电子设计自动化产业看来正在为完成这项任务而努力。

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