利用具有紧密元件放置的创造性布线解决方案

2021-06-18

利用具有紧密元件放置的创造性布线解决方案

当在研究实验室工作并为我们自制的光学系统设计 PCB 时，我的布局又脏又乱。我们不担心封装、有限的电路板空间或紧凑的布线等小事。只要我们能够将所有必需的组件都出现在电路板上，并且最终电路板变成了印刷电路，我们就很高兴。

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，以免我们有巨大的 PCB 和一堆光学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，只是为了让我们所有的组件都适合狭窄的空间。

除非您使用 HDI 板，或者您的设备有一些严格的机械限制，否则您可能并不担心板上的可用空间。随着组件密度的增加和需要更多的连接，您需要使用一些创造性的布线方法和层堆栈，以确保在您的设计规则内操作时可以放置所有需要的连接。Altium Designer ® 中强大的CAD 和布线工具可以帮助您放置和布线组件，同时节省可用的电路板空间。

初始原理图捕获和布局

在接地平面直接位于顶层信号层下方的多层板上工作可以大大改进您的布线策略。如果成本或其他一些限制禁止使用四层或更多层的电路板，您仍然可以使用具有分离电源和接地层的两层电路板，尽管您的布线可能不会在所有情况下都那么紧凑。使用多层板可让您直接在信号下方放置接地层，从而降低 EMI 敏感性。您还可以使用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、核心和表面材料可以在层堆叠管理器中定义。转到“设计”下拉菜单，然后单击“层堆栈管理器”。此对话框允许您设计自己的堆叠，或者您可以使用“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

此对话框可让您更改电路板中的许多材料属性。这为您提供了显着的可定制性，因为您的真实电路板可能会使用FR-4 的替代品作为电路板基材。您还可以在层之间定义钻孔对，并且可以在当前叠层中添加或删除层。现在，我们将坚持使用四层板，以便我们可以根据需要轻松地将一些信号接地。

默认情况下，电路板将仅在“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 包括许多交互式布线功能，可以轻松开始布线您的电路板，尤其是当您使用 FPGA 等高引脚密度组件时。根据您为电路板定义的层堆栈和钻孔对，Altium 将决定如何最好地布线您的连接，同时仍然符合您的设计规则。

捕获原理图作为 PCB 布局

一旦定义了电路板堆叠，您就可以将原理图导入初始布局并开始排列组件。我们将使用的原理图包括一个连接到 3 个 1 到 32 解码器的缓冲器。为简洁起见，我们已启用每个解码器中的所有 1-to-8 部分，但您可以使用第二个缓冲区或其他电路轻松控制启用/禁用每个 1-to-8 部分。

Altium 中包含多个 IC 的示意图

接下来，您需要创建一个新的 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，允许您将原理图中的所有更改导入到空白印刷电路板中。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。您新创建的布局将如下所示：

Altium 设计规则中的布线宽度规则

现在我们可以开始按照我们希望它们出现在板上的方式排列组件。您将有足够的自由按照您认为合适的方式排列组件，但我们希望将它们排列得尽可能紧凑。这将防止在更高的信号切换速度下过渡到传输线行为，并消除对端接的需要。一种可能的布局如下所示：

我们在完成布线之前的初始 IC 布局。

此时，我们应该决定是要自动还是手动进行路由。如果计算原理图中已经定义的连接数，您会看到有 103 个连接需要在布局中定义。手动铺设所有这些连接将花费大量时间。相反，我们可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“路线”菜单，然后选择“自动路线”和“全部...”。这将打开 Situs ® Routing Strategies 对话框，如下图所示。您将能够查看适用于许多不同布线策略的所有适用设计规则。您也可以定义自己的策略。在这里，我们将使用“默认多层板”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，因为它需要根据项目的标准设计规则来评估每个迹线。工具完成后，组件之间的连接将出现在顶层，您现在可以定义电路板形状。在实际应用中，电路板形状需要更大以容纳其他组件，但我们可以了解该电路板占用的空间量。如果您测量电路板，我们会看到该电路板占地约 5.6 平方英寸。

我们的布线电路板

请注意，将 1 到 32 解码器中的每一个交错排列，为自动布线工具提供了足够的空间在必要的地方放置过孔，并防止多条迹线重叠过多。

一种替代的、不太有效的策略

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

在两层板上完成布线

此布局占用的面积约为 7.2 平方英寸。使用四层堆叠可使您使用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电路板布局的唯一因素；层堆栈起着关键作用。

如果您没有注意到，使用这种两层堆叠还需要我们将额外的走线路由到电源/接地总线或单独的电源/接地点。这会进一步增加所需的印刷电路空间，并且不会消除这种布局中固有的 EMI 敏感性。

Altium 用户友好的工作流管理解决方案从原理图捕获到供应链的捕获，可以确保您知道启动任何项目的路径长度。Altium 中高度规则驱动的环境使您可以控制路由策略。将此与高级 CAD 工具和布线功能相结合，您将能够设计具有任何布线要求的现代 PCB。Altium 中的 CAD 工具和布线功能为 PCB 设计树立了新标准。