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PCB设计中的功能分区

在印刷电路板中,有不同的电路组执行不同的功能。就像箔纸托盘中的隔板可以让每个盘子单独烹饪一样,PCB中的隔板也可以通过防止不同电路组之间的任何干扰来使其顺畅地运行。让我们仔细研究一下PCB设计中的功能分区,以及您的CAD工具如何为您提供帮助。

PCB设计中功能分区的目的

电路板由不同类型的电路组成,所有电路都在相对较小的区域内组合在一起。通常,您会在板上找到所有正在使用的模拟,数字和电源电路。即使主要是数字操作的电路板通常也将具有一些需要管理的电源,以及需要将模拟信号转换为数字信号然后再返回的接口。

在电路板上指定功能分区的目的是使这些不同的区域彼此隔离。以下是混合信号板中的一些分区可以帮助您避免的问题:

  • 串扰:攻击性信号可能与其他信号耦合在一起,应尽可能与潜在的受害者信号隔离。

  • EMI:为了防止电磁干扰,您需要防止这些不同区域的返回信号混合在一起,并且它们不得穿过分开的地面或电源平面。

  • 信号完整性差:敏感的信号(例如时钟)需要保持在与其相关的电路附近,而不是在整个电路板上运行。

  • 电源噪声:这些部件应靠近它们供电并在同一层上运行且具有隔离的相邻参考平面的那些部件。

隔离这些区域将有助于防止一种类型的电路产生的噪声影响另一种。但是,问题是您不能简单地在电路板的中间画一条线以将数字信号与模拟信号分开。这些组需要相互交互,并且还必须访问板子不同位置的连接器和其他接口设备。 

因此,要想出能够正确隔离这些区域的布局,就需要一个良好的功能分区计划以及良好的组件放置做法。

功能分区还有其他一些好处。通过提前对分区进行平面布置,布局设计团队将在组件放置方面得到更好的组织。此外,设置分区还可以帮助布局团队在放置用于DFM,测试和返工的组件时做出更好的选择。 

使功能分区的需求与其他组件放置的需求保持平衡可能听起来很困难,但对于PCB布局专家而言,这是工作的全部。因此,让我们深入探讨如何在PCB设计中开发良好的功能分区的细节。

Cadence Allegro中显示的PCB布局

在布局开始之前,PCB设计可以从完善的功能分区计划中受益匪浅。

规划分区以及组件放置

与任何PCB设计一样,在开始放置组件之前,必须先确定物理板的配置。首先,必须确定电路板的大小和形状以及任何固定组件(例如连接器,支架或开关)的位置。这对于划分电路板至关重要,因为在布局过程中对电路板轮廓进行更改可能会脱离计划的分区。 

同时,必须确定板层堆叠。对于高速设计,必须在为带状线路由设置的特定层对之间包含很多路由。要计划分区,有必要根据层堆叠配置评估路由密度。

确定了电路板的物理配置后,您可以开始为设计映射功能分区。您做出的许多决策都将类似于放置组件时的决策,因此让我们回顾一下必须满足的要求:

将元件放置的模拟和数字区域分开

分离电路是划分设计的主要目的,然而,它们经常在元件放置期间被混合。在映射出分区时,在过渡到布局之前根据原理图上的零件对零件进行分组可能非常有帮助。

将电源与敏感组件隔离

尽管电源需要足够近才能为指定的部件供电,但是电源电路和要提供的数字部件之间必须有一定的空间。

规划将更大的CPU和内存组件集中在板上

这些部件不应靠近边缘,以帮助它们通过电路板散热。但同时,出于信号完整性的目的,它们应放置在足够靠近其相关电路的位置。

相关电路应分组在同一分区中

使用原理图中的逻辑流程来映射分区。首先从连接器开始,然后根据原理图中电路的布局,将组件从它们的内侧放进去。

您创建的大多数分区将基于组件及其之间的网络连接。但是,在映射分区时,需要考虑一些路由问题,我们将在下面讨论。

Cadence Allegro的PCB设计显示了三个已设置的房间

PCB设计的简单功能分区。

跟踪路由和功能分区的其他注意事项

在规划设计分区时,请记住,除了分区将包含的组件之外,分区还必须考虑布线。大型数据和内存总线将占用大量空间,尤其是如果它们在外部层上进行路由时。某些组件将需要用于逃生路由的空间,因此请不要将所有零件都挤压在一起以缩小分区。您还需要为不能通过某些电路区域路由的敏感网络留出空间,例如通过模拟电路区域运行数字网络。

绘制电路板分区最重要的方面之一就是配电网络(PDN)的设计。这里有一些重要的PDN准则需要牢记:

  • 尽量避免飞机分裂。如果必须拆分平面,请记住,您不能允许走线布线穿过拆分。电路板中最常见的EMI来源之一是跨越分叉点的走线,其信号返回没有清晰的返回路径。

  • 对于数字和模拟区域,应将电源和地分开。在将接地层划分为模拟和数字接地的情况下,仅允许在两者之间使用单点连接,以免产生任何意外的回路或天线。

  • 保持电源平面隔离。您不希望来自电源的噪声最终出现在您的数字或模拟电路中。

  • 确保您在分区中留出足够的空间来使用设计良好的PDN。大型耗电部件(例如CPU)需要进行大量的电源滤波以控制其噪声尖峰。

PCB设计中的功能分区还需要记住一些其他注意事项。允许对板进行适当的冷却。根据放置的位置,较高的组件(例如连接器)可能会无意间阻塞热运行组件(例如处理器芯片)所需的气流。请记住,一个分区中的高温组件可能会为下一个分区带来问题,因此请进行相应的计划。

此时,您可能已经准备好为下一个PCB设计绘制分区,因此让我们看一下设计工具如何提供帮助。

Cadence的Allegro PCB编辑器中的约束管理器

在Cadence的约束管理器中设置组件放置要求。

如何最好地使用工具来计划分区

诸如Cadence Allegro之类的PCB设计工具内部具有许多功能,可以在绘制功能分区时使用这些功能。以下是可以使用这些功能提供帮助的一些方法:

  • 原理图:捕获原理图时,将需要放置在同一分区中的组件放在一起。这不仅会帮助您组织原理图,而且还可以使用这些原理图分组来帮助选择和组织布局中的零件。

  • 房间:在绘制分区时,将其绘制在设计上很有帮助。尽管可以使用一些简单的图形完成此操作,但是Allegro提供了称为“房间”的功能,可以提供帮助。在原理图中,您将使用唯一的房间名称将房间属性附加到一个分区的各个部分。在布局中,您将使用图形房间属性创建分区,并为其命名。然后可以将这些房间配置为仅允许将具有相应房间名称的那些部件放入其中,从而使您能够将组件分配给已设置为房间的所有分区。

  • 约束管理器:该实用程序有助于将类分配给组件和网络,以及设置层路由约束和高速设计规则。这为布局设计师提供了另一种有用的设计数据组织工具。

  • 设计分区:Allegro中的此选项允许设计人员在布局中指定团队设计的分区。不同的设计师可以在电路板上的不同分区上工作,然后将其工作更新为主设计。

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