如何使用參數(shù)化約束進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)？

近年來(lái)對(duì)PCB布局布線的要求越來(lái)越復(fù)雜，集成電路中晶體管數(shù)量還在按摩爾定律預(yù)計(jì)的速度不斷上升，從而使得器件速度更快且每個(gè)脈沖沿上升時(shí)間縮短，同時(shí)管腳數(shù)也越來(lái)越多——常常要到500～2,000個(gè)管腳。所有這一切都會(huì)在設(shè)計(jì)PCB時(shí)帶來(lái)密度、時(shí)鐘以及串?dāng)_等方面的問(wèn)題。
　　如今PCB設(shè)計(jì)考慮的因素越來(lái)越復(fù)雜，如時(shí)鐘、串?dāng)_、阻抗、檢測(cè)、制造工藝等等，這經(jīng)常使得PCB設(shè)計(jì)人員要重復(fù)進(jìn)行大量的布局布線、驗(yàn)證以及維護(hù)等工作。參數(shù)約束編輯器能將這些參數(shù)編到公式中，協(xié)助PCB設(shè)計(jì)人員在PCB設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中更好地處理這些有時(shí)甚至還會(huì)互相對(duì)立的參數(shù)。
　　幾年前，大部分PCB上只有不多的幾個(gè)“關(guān)鍵性”節(jié)點(diǎn)(net)，通常是指在阻抗、長(zhǎng)度及間隙等方面受到一些約束，PCB設(shè)計(jì)人員一般先對(duì)這些走線進(jìn)行手工布線，然后再用軟件對(duì)整個(gè)電路作大規(guī)模自動(dòng)布線。如今的PCB上常常會(huì)有5,000個(gè)甚至更多的節(jié)點(diǎn)，而其中50%以上都屬于關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)。由于面臨著上市時(shí)間的壓力，此時(shí)采用手工布線已不可能。此外，不僅僅關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)的數(shù)量有所增加，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的約束條件也在增加。
　　這些約束條件主要是由于參數(shù)相關(guān)性以及PCB設(shè)計(jì)要求越來(lái)越復(fù)雜而產(chǎn)生的，例如兩條走線的間隔可能取決于一個(gè)和節(jié)點(diǎn)電壓及線路板材料都有關(guān)的函數(shù)，數(shù)字IC上升時(shí)間減小對(duì)高時(shí)鐘速度和低時(shí)鐘速度的PCB設(shè)計(jì)都會(huì)產(chǎn)生影響，由于脈沖產(chǎn)生更快而使建立及保持時(shí)間更短，另外互連延時(shí)作為高速電路PCB設(shè)計(jì)總延時(shí)的重要部分對(duì)低速PCB設(shè)計(jì)也同樣非常重要等等。
　　如果電路板能設(shè)計(jì)得更大一點(diǎn)，上面有些問(wèn)題就比較容易解決，但現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)卻正好相反。由于在互連延時(shí)及高密度封裝上的要求，電路板正在不斷變小，從而出現(xiàn)了高密度電路PCB設(shè)計(jì)，同時(shí)還必須遵循小型化PCB設(shè)計(jì)規(guī)則。上升時(shí)間減小再加上這些小型化PCB設(shè)計(jì)規(guī)則，使串?dāng)_噪聲問(wèn)題變得越來(lái)越突出，而球柵格陣列和其它高密度封裝本身也會(huì)加重串?dāng)_、開(kāi)關(guān)噪聲及地線反彈等問(wèn)題。
　　固定約束存在的限制
　　對(duì)付這些問(wèn)題的傳統(tǒng)做法是憑經(jīng)驗(yàn)、缺省值、數(shù)表或計(jì)算方法將電氣和工藝要求轉(zhuǎn)化為固定的約束參數(shù)。例如工程師PCB設(shè)計(jì)電路時(shí)也許先確定一個(gè)額定阻抗，然后根據(jù)最后的工藝要求“估算”出一個(gè)能達(dá)到所需阻抗的額定線寬，或者利用計(jì)算表格或算術(shù)程序?qū)Ω蓴_進(jìn)行測(cè)試，再求出長(zhǎng)度約束條件。
　　這種方法通常需要PCB設(shè)計(jì)出一整套經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為PCB設(shè)計(jì)人員的基本指導(dǎo)原則，以便在用自動(dòng)布局布線工具進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)能夠利用這些數(shù)據(jù)。該方法的問(wèn)題在于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)只是一個(gè)一般性原則，大部分情況下它們都是正確的，但有些時(shí)候卻不起作用或?qū)е洛e(cuò)誤的結(jié)果。
　　我們以上面確定阻抗的例子來(lái)看看這種方法可能造成的誤差。和阻抗有關(guān)的因素包括電路板材料的電介質(zhì)特性、銅箔高度、各層到地/電源層間的距離及線寬，由于前三個(gè)參數(shù)一般由生產(chǎn)工藝決定，所以PCB設(shè)計(jì)師通常是靠線寬來(lái)控制阻抗。由于每一線路層到地或電源層的距離各不相同，因此對(duì)每一層都用同一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯然是錯(cuò)誤的。此外在開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用的生產(chǎn)工藝或電路板特性可能隨時(shí)會(huì)改變，所以問(wèn)題還會(huì)更加復(fù)雜。
　　大多數(shù)時(shí)候這些問(wèn)題會(huì)在樣機(jī)制作階段暴露出來(lái)，一般是找出問(wèn)題后通過(guò)對(duì)線路板修補(bǔ)或重新進(jìn)行板子PCB設(shè)計(jì)來(lái)解決。這樣做成本比較高，并且修補(bǔ)經(jīng)常還會(huì)帶來(lái)額外的問(wèn)題而需要作進(jìn)一步調(diào)試，最后由于延誤上市時(shí)間而造成收入上的損失更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于調(diào)試成本。幾乎每家電子生產(chǎn)商都面臨著這樣的問(wèn)題，最終都?xì)w結(jié)到傳統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)軟件無(wú)法跟上當(dāng)前對(duì)電氣性能要求的實(shí)際情況，在這一點(diǎn)上它不像機(jī)械PCB設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)那么簡(jiǎn)單。
　　解決方案：參數(shù)化約束
　　目前PCB設(shè)計(jì)軟件供應(yīng)商們?cè)噲D通過(guò)在約束條件上增加參數(shù)的辦法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。這種方法最先進(jìn)的地方在于能夠詳細(xì)說(shuō)明完全反映各種內(nèi)部電氣特性的機(jī)械指標(biāo)，只要將其加入到PCB設(shè)計(jì)中，PCB設(shè)計(jì)軟件就可利用這些信息對(duì)自動(dòng)布局布線工具進(jìn)行控制。
　　當(dāng)后續(xù)生產(chǎn)工藝改變時(shí)也不需要重新作PCB設(shè)計(jì)，PCB設(shè)計(jì)人員只需簡(jiǎn)單地更新工藝特性參數(shù)，即可自動(dòng)改變相關(guān)約束條件。PCB設(shè)計(jì)人員然后可以運(yùn)行DRC(PCB設(shè)計(jì)規(guī)則檢查)確定新工藝是否還違反了其它PCB設(shè)計(jì)規(guī)則，并找出應(yīng)該對(duì)PCB設(shè)計(jì)的哪些方面進(jìn)行更改才能糾正所有錯(cuò)誤。
　　約束條件可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式的形式輸入，包含常數(shù)、各種運(yùn)算符、向量以及其它PCB設(shè)計(jì)約束，為PCB設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)參數(shù)化規(guī)則驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。約束條件甚至能以查表的形式輸入，將它們存放在PCB或原理圖的PCB設(shè)計(jì)文件中。PCB布線、銅箔區(qū)位置及布局工具都要遵照這些條件生成的約束規(guī)則，DRC則驗(yàn)證整個(gè)PCB設(shè)計(jì)是否都符合這些約束，包括線寬、間隔及空間方面的要求(如面積和高度限制)等。
　　一個(gè)很簡(jiǎn)單的例子是上升時(shí)間約束，一般將其設(shè)置為常數(shù)1.5ns，根據(jù)此條件就可得出最大走線長(zhǎng)度的約束，即用5,800mil/ns乘以上升時(shí)間1.5ns。稍為復(fù)雜一點(diǎn)的例子是元件間隔，它通過(guò)將檢測(cè)角的正切值乘以器件高度來(lái)決定，該算式可算出元件最小間隔值。
　　分級(jí)管理
　　參數(shù)化約束的一個(gè)主要的好處在于它能分級(jí)進(jìn)行處理。例如全局線寬規(guī)則可作為一個(gè)PCB設(shè)計(jì)約束用于整個(gè)PCB設(shè)計(jì)中，當(dāng)然會(huì)有個(gè)別區(qū)域或節(jié)點(diǎn)不能照搬這個(gè)原則，這時(shí)就可繞過(guò)高一級(jí)約束而采用分級(jí)PCB設(shè)計(jì)中的低級(jí)約束。以ACCEL Technologies的約束條件編輯器Parametric Constraint Solver為例，共有7級(jí)約束：
　　1.PCB設(shè)計(jì)約束，用于所有無(wú)其它約束的對(duì)象。
　　2.層級(jí)約束，用于某一層上的對(duì)象。
　　3.節(jié)點(diǎn)類型約束，用于某個(gè)類型包含的所有節(jié)點(diǎn)。
　　4.節(jié)點(diǎn)約束，用于某一個(gè)節(jié)點(diǎn)。
　　5.類間約束，表示兩類節(jié)點(diǎn)之間的約束。
　　6.空間約束，用于某個(gè)空間內(nèi)的所有器件。
　　7.器件約束，用于某一個(gè)器件。
　　該軟件按照從個(gè)別器件到整個(gè)PCB設(shè)計(jì)規(guī)則的順序遵循各個(gè)PCB設(shè)計(jì)約束，并用圖形的方式顯示出這些規(guī)則在PCB設(shè)計(jì)中的應(yīng)用次序。
　　例1：線寬=f(阻抗，層間距，介電常數(shù)，銅箔高度)
　　這里舉例說(shuō)明參數(shù)化約束條件如何作為PCB設(shè)計(jì)規(guī)則控制阻抗。如前所述，阻抗是介電常數(shù)、到最近線路層距離、銅線寬度及高度的函數(shù)，由于已確定了PCB設(shè)計(jì)所要求的阻抗，因此可任意取這四個(gè)參數(shù)作為相關(guān)變量重新寫出阻抗公式，大多數(shù)情況下PCB設(shè)計(jì)人員能夠控制的參數(shù)只有線寬。
　　正因?yàn)榇耍瑢?duì)線寬的約束就是阻抗、介電常數(shù)、到最近線路層距離及銅箔高度的函數(shù)。如果將該公式定義為層級(jí)約束而將制造工藝參數(shù)定義為PCB設(shè)計(jì)級(jí)約束，那么當(dāng)所PCB設(shè)計(jì)的線路層改變時(shí)軟件會(huì)自動(dòng)調(diào)整線寬以進(jìn)行補(bǔ)償。同樣道理，如果PCB設(shè)計(jì)的線路板用另一種工藝進(jìn)行生產(chǎn)而使銅箔高度發(fā)生了變化，則只要改變PCB設(shè)計(jì)級(jí)里的銅箔高度參數(shù)就可使層級(jí)里的相關(guān)規(guī)則自動(dòng)重新計(jì)算。
　　例2：器件間隔=max(默認(rèn)間隔，f(器件高度，檢測(cè)角度))
　　同時(shí)使用參數(shù)約束和PCB設(shè)計(jì)規(guī)則檢查顯而易見(jiàn)的好處是當(dāng)PCB設(shè)計(jì)修改時(shí)，參數(shù)化方法具有很好的可移植性和可監(jiān)測(cè)性。本例表明如何由工藝特性及測(cè)試要求來(lái)決定器件間隔，上面的公式表示器件間隔是器件高度和檢測(cè)角度的函數(shù)。
　　通常檢測(cè)角度對(duì)整塊板都是一個(gè)常數(shù)，所以可在PCB設(shè)計(jì)級(jí)進(jìn)行定義。當(dāng)改由不同的機(jī)器進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，只需在PCB設(shè)計(jì)級(jí)中輸入新的值即可更新整個(gè)PCB設(shè)計(jì)。將新機(jī)器性能參數(shù)輸入之后，PCB設(shè)計(jì)人員只要簡(jiǎn)單地運(yùn)行一下DRC以檢查器件間隔是否與新的間隔值有沖突，即可知道PCB設(shè)計(jì)是否可行，這要比先分析再改正然后按新間隔要求硬性計(jì)算容易得多。
　　例3：元器件布局
　　除了對(duì)PCB設(shè)計(jì)對(duì)象和約束條件進(jìn)行組織，PCB設(shè)計(jì)規(guī)則還可用于元器件布局，也即它能夠根據(jù)約束條件檢測(cè)出在哪里放置器件不會(huì)帶來(lái)錯(cuò)誤。
　　事實(shí)上用模塊化方式生成約束條件可極大提高其可維護(hù)性和可復(fù)用性。參考前一階段不同層的約束參數(shù)可生成新表達(dá)式，如頂層線寬取決于頂層的距離和銅線高度及PCB設(shè)計(jì)級(jí)中的變量Temp和Diel_Const。請(qǐng)注意PCB設(shè)計(jì)規(guī)則是按由低到高的順序顯示的，改變一個(gè)高一級(jí)約束會(huì)立刻影響參考這個(gè)約束的所有表達(dá)式。
　　PCB設(shè)計(jì)復(fù)用和文檔
　　參數(shù)化約束不僅可以顯著改進(jìn)初始PCB設(shè)計(jì)流程，而且對(duì)工程更改和PCB設(shè)計(jì)復(fù)用更為有用，約束條件可作為PCB設(shè)計(jì)、系統(tǒng)和文件資料的一部分，如果不這樣而只存放在工程師或PCB設(shè)計(jì)人員的頭腦中，那么當(dāng)他們轉(zhuǎn)到其它項(xiàng)目時(shí)可能就會(huì)慢慢忘掉。約束文檔記錄了PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)遵循的電性能規(guī)則，可使他人有機(jī)會(huì)了解PCB設(shè)計(jì)者意圖，從而易于將這些規(guī)則應(yīng)用到新的制造工藝中或根據(jù)電性能要求進(jìn)行改變。以后的復(fù)用者也可以知道準(zhǔn)確的PCB設(shè)計(jì)規(guī)則，并通過(guò)輸入新的工藝要求而進(jìn)行更改，不必再去猜測(cè)諸如線寬是如何得到之類的問(wèn)題。
　　本文結(jié)論
　　參數(shù)約束編輯器有助于多維約束條件下的PCB布局布線，這也是第一次使自動(dòng)布線軟件和PCB設(shè)計(jì)規(guī)則完全按照復(fù)雜的電氣和工藝要求進(jìn)行檢查，而不是僅僅靠經(jīng)驗(yàn)或簡(jiǎn)單沒(méi)多大用處的PCB設(shè)計(jì)規(guī)則。其結(jié)果是PCB設(shè)計(jì)能夠做到一次成功，減少甚至取消樣機(jī)調(diào)試。