基于PROTEL的高速PCB設(shè)計(jì)解析

探討使用PROTEL設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)高速電路印制電路板設(shè)計(jì)的過程中，需要注意的一些布局與布線方面的相關(guān)原則問題，提供一些實(shí)用的、經(jīng)過驗(yàn)證的高速電路布局、布線技術(shù)，提高了高速電路板設(shè)計(jì)的可靠性與有效性。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。
　　1問題的提出
　　隨著電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜性和集成度的大規(guī)模提高，時(shí)鐘速度和器件上升時(shí)間越來(lái)越快，高速電路設(shè)計(jì)成為設(shè)計(jì)過程的重要部分。在高速電路設(shè)計(jì)中，電路板線路上的電感與電容會(huì)使導(dǎo)線等效成為一條傳輸線。端接元件的布局不正確或高速信號(hào)的錯(cuò)誤布線都會(huì)引起傳輸線效應(yīng)問題，從而使系統(tǒng)輸出不正確的數(shù)據(jù)、電路工作不正常甚至完全不工作?；趥鬏斁€模型，歸納起來(lái)，傳輸線會(huì)對(duì)電路設(shè)計(jì)帶來(lái)信號(hào)反射、串?dāng)_、電磁干擾、電源與接地噪聲等不良效應(yīng)。
　　為了設(shè)計(jì)出能夠可靠性工作的高速PCB電路板，必須對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行充分細(xì)致的考慮，解決布局布線時(shí)可能產(chǎn)生的一些不可靠的問題，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
　　2高頻系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)
　　在電路的PCB設(shè)計(jì)中，布局是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，布局結(jié)果的好壞將直接影響布線的效果和系統(tǒng)的可靠性，這在整個(gè)印制電路板設(shè)計(jì)中最耗時(shí)也最難。高頻PCB的復(fù)雜環(huán)境使得高頻系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)很難用學(xué)到的理論知識(shí)來(lái)進(jìn)行，它要求布板的人必須有豐富的高速PCB制板經(jīng)驗(yàn)，這樣才能在設(shè)計(jì)過程中少走彎路，提高電路工作的可靠性與有效性。在布局的過程中，應(yīng)當(dāng)從機(jī)械結(jié)構(gòu)、散熱、電磁干擾、將來(lái)布線的方便性、美觀性等方面綜合考慮。
　　首先，在布局之前先對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行功能劃分，將高頻電路與低頻電路分開、模擬電路與數(shù)字電路分開，每個(gè)功能電路以芯片為中心盡量靠近布置，其連線越短越好，以避免導(dǎo)線過長(zhǎng)所導(dǎo)致的傳輸延遲，提高電容的去耦效果。此外，還要注意管腳與電路元件以及其他管子之間的相對(duì)位置和方向，以減少相互之間的影響。所有的高頻元器件應(yīng)遠(yuǎn)離機(jī)殼和其他金屬板以減小寄生耦合。
　　其次，布局時(shí)應(yīng)注意元器件之間的熱影響和電磁影響，這些影響對(duì)高頻系統(tǒng)尤為嚴(yán)重，應(yīng)采取遠(yuǎn)離或隔離、散熱和屏蔽措施。大功率整流管和調(diào)整管等應(yīng)該裝有散熱器，并要遠(yuǎn)離變壓器。電解電容器之類的怕熱元件應(yīng)該遠(yuǎn)離發(fā)熱元件，否則電解液會(huì)被烤干，造成電阻增大、性能變差，影響電路的穩(wěn)定性。在布局時(shí)應(yīng)該留有足夠的空間來(lái)安排防護(hù)結(jié)構(gòu)，并防止引入各種寄生耦合。為防止印刷電路板上線圈之間的電磁耦合，兩個(gè)線圈應(yīng)呈直角放置，為了減小耦合系數(shù)。還可以采用立板隔離的方法。最好直接用其元件的引線焊接在電路上，引線越短越好，不要用接插件和焊片，因?yàn)橄噜徍钙g存在分布電容和分布電感。晶體振蕩器、RIN、模擬電壓、參考電壓信號(hào)走線周圍避免放置高噪聲元器件。
　　最后，在保證內(nèi)在質(zhì)量和可靠性的同時(shí)，兼顧整體的美觀，進(jìn)行合理的電路板規(guī)劃，元器件應(yīng)平行或垂直板面，并和主要的板邊平行或垂直。元器件在板面上分布應(yīng)盡量均勻，密度一致。這樣，不但美觀而且裝焊容易，易于批量生產(chǎn)。
　　3高頻系統(tǒng)的布線
　　在高頻電路中，連接導(dǎo)線的電阻、電容、電感和互感的分布參數(shù)是不可忽視的，從抗干擾的角度考慮，合理布線就是要設(shè)法減小電路中的線阻、分布電容、雜散電感，把由此產(chǎn)生的雜散磁場(chǎng)降低到最小的程度，從而使電路的分布電容、漏磁通、電磁互感以及其他由噪聲所引起的干擾得到抑制。
　　PROTEL設(shè)計(jì)工具在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普遍，然而，不少設(shè)計(jì)者僅僅關(guān)注于“布通率”，對(duì)PROTEL設(shè)計(jì)工具為適應(yīng)器件特性的變化所做的改進(jìn)并未用于設(shè)計(jì)中，這不僅使得設(shè)計(jì)工具資源浪費(fèi)較為嚴(yán)重，更使得很多新的器件的優(yōu)異性能難以發(fā)揮。
　　下面介紹PROTEL99 SE工具能提供的一些特殊功能。
　　（1）高頻電路器件管腳間的引線彎折越少越好，最好采用全直線，需要彎折時(shí)，可用45°折線或圓弧彎折，這樣可以減少高頻信號(hào)對(duì)外發(fā)射和相互間的耦合。用PROTEL布線時(shí)可在“Design”菜單“rules”中的“Routing Corners”中選擇45－Degrees或Rounded.也可以用shift＋space鍵進(jìn)行線形的快速切換。
　?。?）高頻電路器件管腳間的引線越短越好。
　　PROTEL 99滿足布線最短化的最有效的手段是在自動(dòng)布線前對(duì)個(gè)別重點(diǎn)的高速網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)行布線預(yù)約。在“Design”菜單“rules”中的“Routing Topology”中選擇shortest.
　?。?）高頻電路器件管腳間的引線層間交替越少越好。即元件連接過程中所用的過孔越少越好。
　　一個(gè)過孔可帶來(lái)約0.5pF的分布電容，減少過孔數(shù)能顯著提高速度。
　　（4）高頻電路布線，要注意信號(hào)線進(jìn)距離平行走線所引入的“交叉干擾”即串?dāng)_。若無(wú)法避免平行分布，可在平行信號(hào)線的反面布置大面積“地”
　　來(lái)大幅度減少干擾。同一個(gè)層內(nèi)的平行走線幾乎無(wú)法避免，但是在相鄰的兩個(gè)層，走線的方向務(wù)必取為相互垂直，這在PROTEL中不難做到但卻容易忽視。在“Design”菜單“rules”中的“RoutingLayers”中Toplayer選擇Horizontal，BottomLayer選擇Vertical.除此之外，在“place”中提供了“Polygonplane”
　　的功能，即多邊形柵格銅箔面，如果在放置時(shí)，就把多邊形取為整個(gè)印制電路板的一個(gè)面，并把此敷銅與電路的GND連通，這樣就能提高高頻抗干擾能力，還對(duì)散熱、印板強(qiáng)度等有較大的好處。
　?。?）對(duì)特別重要的信號(hào)線或局部單元實(shí)施地線包圍的措施。在“Tools”中提供了“outline selectedobjects”，利用此功能可以自動(dòng)地對(duì)所選定的重要信號(hào)線進(jìn)行“包地”處理（如振蕩電路LT和X1）。
　　（6）一般電路電源線與接地線設(shè)置要比信號(hào)線寬，可以利用“Design”菜單中的“Classes”對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類，分為電源網(wǎng)絡(luò)與信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合布線規(guī)則的設(shè)置就可以方便的進(jìn)行電源線與信號(hào)線的線寬切換。
　?。?）各類走線不能形成環(huán)路，地線也不能形成電流環(huán)路。如果產(chǎn)生環(huán)路電路，將在系統(tǒng)中產(chǎn)生很大的干擾。對(duì)此可以采用菊花鏈的布線方式，能有效避免布線時(shí)形成環(huán)路、分枝或者形成樹樁，但是也會(huì)帶來(lái)不容易布線的問題。
　?。?）根據(jù)各種芯片的資料和設(shè)計(jì)，估算該電源線路所通過的電流，確定所需要的導(dǎo)線寬度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可以得到：W（線寬）≥L（mm/A）×I（A）。
　　根據(jù)電流大小，盡量加大電源線寬度，減少環(huán)路電阻。同時(shí)，使電源線、地線的走向與數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。需要時(shí)，電源線、接地線上可加用銅線繞制鐵氧體而成的高頻扼流器件，用來(lái)阻斷高頻噪聲的傳導(dǎo)。
　?。?）同一網(wǎng)絡(luò)的布線寬度應(yīng)該保持一致，線寬的變化會(huì)導(dǎo)致線路特性阻抗的不均勻，當(dāng)傳輸?shù)乃俣容^高時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)反射，在設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量避免。同時(shí)加大平行線的線寬，當(dāng)線的中心距不超過3倍線寬時(shí)，則可保持70％的電場(chǎng)不互相干擾，稱為3W原則。這樣可以克服平行線帶來(lái)的分布電容與分布電感的影響。