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硬件开发

PCB设计过程与实现


电路设计的主要物理实现形式之一就是印制电路板(PCB:Printed circuit board),它既是各类电路元器件的承载体,又起到保障电气连接的作用。对于研发电子设备或电子电路系统的设计者而言,无论使用集成度多么高的Ic器件,总是不能回避PCB设计环节。对比较复杂的电路系统进行PCB设计时,如果采用纯粹的手工布线,需要投入比其电气原理图设计更多的精力和时间,而且难以做到设计无误,不但浪费了宝贵的时间,还会增加研制开发费用。

目前,各类桌面PCB设计工具较多,在PC机上仅仅用于完成PCB设计的软件已逐步隐退,取而代之的是基于Windows操作系统的具备多种设计功能的EDA集成设计工具,其中很重要的一个工具模块功能就是PCB设计,该模块可以和前端设计输入模块实现无缝链接。在我国,目前较为大众化流行的Protel for Windows系列软件最强劲的工具模块当属PCB设计模块,如Protel98中的PCB98模块和Protel99中的PCB99模块。PCB98能与电气原理图设计工具SCH98实现无缝链接,以网络表的形式接收前端设计结果,并得到无网格自动布线器Route98的有力支持;而PCB99在保持和完沂PCB98的基本功能的基础上,还得到信号完整性仿真模块Integrity99的有力支持,能检查整块印制板的串扰、过冲/下冲、上升/下降时间和阻抗设计的问题,从而用最小的代价解决高速电路印制板设计中的电磁兼容性(EMC)和电磁抗干扰性(EMI问题。像Protel98或Protel99这样的EDA工具,它所包含的各种工具模块基本都是围绕如何保障设计出合格的PCB产品而设置的,因为PCB是这类工具设计输出的最终形式。使用EDA工具进行设计的过程常常就是从顶层方案设计人手,经过输入电路、模拟仿真等前端设计阶段,最终到物理实现级(如PCB设计)设计结果的过程。

Ulti board是Electronics Work bench中用于PCB设计的工具模块。对于已经掌握基于Windows操作系统PCB设计工具的用户,使用Ultiboard不会感到有什么困难,它们之间有许多相似的地方。Ulti board以.net和.plc文件形式接收来自Muhisim工具模块生成的前端设计结果,并按照确定的设计规则(Design Rules)进行PCB的自动化设计。.net文件称为网络表文件,它是包含前端设计的电路连接网络、元器件管脚等信息的文本文件;.1c文件称为元件文件,它是标明元件标号、型号、封装形式、位置坐标、摆放角度、引脚数量等信息的文本文件。前端设计过程本质上就是完整准确地形成.net和.pie文件的过程,这两个文件的质量越高,就越有利于后端的PCB自动化设计。所以,在PCB前端设计阶段,应对每个元器件逐项输入合理的参数。应该说,.net和.Plc文件是前端设计信息的载体。使用印制板设计软件时要进行印制板设计的流程和一些注意事项,为一个工作组的设计人员提供设计规范,方便设计人员之间进行交流和相互检查。

印制板设计基本流程

就目前几种比较流行的用于PCB设计的EDA工具而言,PCB自动设计工作流程基本可分为前端设计准备、后端规则设置、前端设计装人、总体布局、布线与调整、设计输出等几个主要设计环节。

网表输入可以随时保持原理图和PCB图的一致,尽量减少出错的可能。规则设置是在原理图设计阶段就已经把PCB的设计规则设置好的话,就不用再进行设置这些规则了,因为输人网表时,设计规则已随网表输入进PowerPCB了。如果修改了设计规则,必须同步原理图,保证原理图和PCB的一致。除了设计规则和层定义外,还有一些规则需要设置。PCB设计规则、层定义、过孔设置、CAM输出设置已经作成缺省启动文件,名称为Default.stp,网表输人进来以后,按照设计的实际情况,把电源网络和地分配给电源层和地层,并设置其它高级规则。在所有的规则都设置好以后,在PowerLogie中,使用OLEPowerPCBConnection的RulesFromPCB功能,更新原理图中的规则设置,保证原理图和PCB图的规则一致。

PCB前端设计准备

在使用ElectronicsWorkbench时,PCB自动化设计所需要的前端设计准备工作就是利用Multisim工具设计好电气原理图。创建电气原理图是整个设计过程的输入方式,电路连接是否正确、电路参数是否合理,完全可以利用Muhisim工具进行电路仿真验证。

后端规则设置

进人Ultiboard工具模块后的设计可称为PCB后端设计。要完成PCB的自动化设计,软件工具必须按照某种规则运行,故需要对系统设置一系列上作参数。这里的所谓设置“:【作参数”就是规定“设计规则”,Ultiboard运行时将随时进行设计规则检查)设计规则主要包括布局参数、板层参数、布线参数,例如线宽、实体间的避让距离、焊盘与过孔规格、布线走向等规则参数。使用Ultiboard开始进行PCB布局布线前,还应根据设计电路的规模、电路板准备采用几层布线等因素,考虑并确定电路板可能的几何尺寸和形状。

前端设计装入

这一步必须是在准备好电气原理图及网络表的基础上进行。只有将网络表装入之后,才可能完成对印制板的自动布线操作。同时,元件封装模型对于每一个装入的元件也是必须有的信息。一旦装入.net和.plc文件,前端的全部设计信息就准确地传递到Ultiboard中。

总体布局

装入了网络表和元件封装模型后,每个元器件封装模型放置在何处,是布局(Layout)要解决的问题。有许多因素会影响到布局的合理性,例如元器件之间总体走线是否为最短距离将受元器件封装模型放置的位置和角度影响;考虑到功率器件散热问题时,器件之问的距离空间是否合适;器件的位置以及走线长短、线间距离等对印制板电磁兼容特性是否有显著影响等等。然而,要做到比较合理、周全地考虑各种因素的影响,需要大量的实践经验积累。布局基本上是手工进行,并民有的PCB设计工具的自动化布局效果并不太理想。无沦如何,布局时必须有一个手工调整元件位置的过程,然后才能顺利地进行布线操作。

布线与调整

完成总体布局后,就可开始布线操作。对于相当复杂、密度很高的印制板来说,不太可能一次布通所有走线,此时可以重新设置布线规则或改用其他类型的自动布线器。Ultiboard有两种自动布线器Autorou—ter),即SinglePassAutorouter和Rip—upandRetryAutorouter,前者主要用于相对简单的低密度板布线,后者Rip—upandRetryAutorouter称为“拆线一重试自动布线器”,它采用基于网格的布线算法,一旦启动该布线器,设计文件将从Uhiboard中自动传递到Ultirouter完成布线操作。自动布线结果常有不尽人意的地方,还需要手工去调整和修补。布线有自动布线,也有手工布线,但对于复杂的印制板最好启用自动布线功能,一来工作效率高,二来有系统的DRC功能做保障,可以最大限度地降低设计错误概率。最后,应该随时注意分阶段地存储设计好的PCB文件。网表输入以后,所有的元器件都会放在工作区的零点,重叠在一起,下一步的工作就是把这些元器件分开,按照一些规则摆放整齐,即元器件布局。检查的项目有间距(Clearance)、连接性(Connectivity)、高速规则(HjshSpeed)和电源层(Plane),如果设置了高速规则,必须检查,否则可以跳过这一项。检查出错误,必须修改布局和布线。复查根据“PCB检查表”,内容包括设计规则,层定义、线宽、间距、焊盘、过孔设置;还要重点复查器件布局的合理性,电源、地线网络的走线,高速时钟网络的走线与屏蔽,去耦电容的摆放和连接等。

设计输出

PCB的设计输出过程一般称为设计的后处理(Postprocessing)过程,设计输出的主要内容包括:打印电路文件和和各类需要的报表(如元件表、网络表、设计规则)、创建输出光绘机需要的Gerber文件等。设计输出的设备主要包括:光绘机(Gerber格式)、绘图仪(兼容HPGL和DPMI格式)、Windows支持的各类打印机。设计好的PCB文件几乎都要送到印制板厂去制板,无论使用什么类型的PCB设计工具,最后提供给PCB制板商的设计文件格式都将转换伪Gerber文件格式。

总之电子产业在摩尔定律的驱动下,产品的功能越来越强,集成度越来越高、信号的速率越来越快,产品的研发周期也越来越短,PCB的设计也随之进入了高速PCB设计时代。PCB不再仅仅是完成互连功能的载体,而是作为所有电子产品中一个极为重要的部件。

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