PCB 設計流程簡介

2021-07-19

PCB 設計流程簡介

PCB設計中所涉及的工具條款過程中，基本電磁特性對輸電線路，信號完整性，電源傳輸設計和許多其他PCB設計相關的主題。但是，最重要的基礎之一是充分了解被認為具有最快設計流程的因素。此信息涵蓋總線和信號類型，包括工作頻率和終端類型；Vdd 電壓；每個 Vdd 軌的阻抗，DC 到 DC 轉換器的選擇，計算旁路電容器的數量和值，并創建這些元件的原理圖，這些元件成為交付給電路板制造商的整個原理圖集的一部分。

這個過程的基礎來自我們在設計數百個 PCB 方面的多年經驗，從 PC 主板到太比特路由器的交換結構，以及介于兩者之間的各種產品。本文介紹了構成流程的特定步驟，有助于確保最終產品構建與設計的電路板相匹配。

步驟

正如需要有一個完整的計劃和一套規范來正確建造房屋一樣，PCB 產品的設計由許多具有特定細節的步驟組成。這個過程的具體步驟如下：

步驟 1 — 構建框圖

框圖包括所有總線和其他信號類型。要構建綜合框圖，必須顯示以下元素：

每條總線中的信號數量。

每輛巴士的技術

其工作頻率。

它的終止類型。

圖 1 中作為示例提供的完整框圖成為原理圖集的第 1 頁。 

圖 1. 顯示框圖的典型原理圖的第 1 頁

步驟 2 — 列出所有 Vdd 電壓

Vdd 電壓信息包括：

他們提供的 IC

計算每個電壓和允許紋波的峰值電流。

允許紋波是通過查閱每個 IC 數據表來計算的。

對于那些具有單端 CMOS 輸出驅動器的 IC，最大允許紋波將通過獲取輸入的噪聲容限并將部分噪聲容限分配給紋波、串擾、Vdd/地彈和反射來確定。

前面的數字來自本文末尾的參考文獻 1 中詳細介紹的設計規則創建過程的噪聲容限分析部分。

正如之前的文章所述，許多應用說明都指定了在各種電路（如 SERDES 和鎖相環 (PLL)）的電源引線中使用鐵氧體磁珠。這些珠子通常被稱為“因為我們一直是這樣做的”。正如我在關于此主題的文章中所述，正確的方法是將所有相同電壓的電源線連接到單個電壓軌，而不是添加會降低電路板性能的鐵氧體磁珠。

步驟 3 — 計算每個 Vdd 軌的阻抗

每個 Vdd 軌的阻抗是通過將最大紋波除以最大增量 I 獲得的。這將是該電壓下整個 PDS 的目標阻抗。

注意：通常，無法從組件供應商處獲得最大增量 I 信息。在這種情況下，唯一安全的做法是假設最大增量 I 從零電流擺動到峰值電流。

步驟 4 — 選擇 DC 到 DC 轉換器

此步驟包含以下信息：

DC-DC 轉換器提供最大 I 并具有滿足上述步驟 3 中計算出的目標阻抗的輸出阻抗。

對于任何電源，DC-DC 轉換器可以是開關模式或線性的。

開關模式電源總是更高效。

當應用筆記僅提及線性穩壓器時，就像在 FPGA 上經常發生的那樣，這是因為作者不知道如何抑制在選擇不正確電容器時經常出現在此類穩壓器輸出端的開關瞬變。本文檔中的方法解決了這一問題，因此不需要線性電源。

步驟 5 — 構建 PDS 的框圖

圖 2所示的電力傳輸系統框圖成為原理圖集的第 2 頁。

圖 2. 顯示電力輸送系統的典型原理圖的第 2 頁

步驟 6 — 計算旁路電容器的數量和值

此步驟涉及計算滿足上述步驟 3 中計算出的目標阻抗所需的旁路電容器的數量和值。這涉及覆蓋從 DC-DC 轉換器停止調節到至少 100 MHz的頻率范圍。選擇這個頻率范圍是知道處理器內核和網絡處理器內核可能會在該范圍內以任何速率從待機電流變為活動電流，具體取決于流量。有多種工具可用于此步驟，包括 Altera 網站上的 PDN_Tool_V10。注意：此工具現在稱為英特爾 PDN 工具 2.0。必須使用 X7R 或 X5R 等有損陶瓷電容器以確保 PDS 中不會出現不需要的諧振。

步驟 7 — 創建電容器頁面

此步驟涉及為步驟 6 中執行的計算得出的所有電容器創建一個電容器頁面。該頁面成為原理圖集的第 3 頁。重要的是不要將旁路電容器散布在元件旁邊的原理圖的各個表周圍，因為這種做法使得很難確定 PDS 中的電容器數量和類型。此外，整個原理圖中的散射電容器不會為設計增加任何價值。雖然一些應用筆記可能會使用諸如“盡可能靠近”的說明指定將電容器放置在組件旁邊，并且還指定任意數量的電容器，但這種建議已被證明是無效的。應忽略應用筆記中的電容器使用說明，并且應遵循參考文獻 1 中描述的 PDN 設計方法中闡明的程序。最終的電容器頁面顯示在圖3。

圖 3. 原理圖中的典型旁路電容器陣列

步驟 8 — 確定平面電容

這里，確定了來自步驟 2 的每個電源電壓所需的平面電容。該計算不像用于確定分立電容器數量那樣簡單。需要最多平面電容的電壓是那些提供寬單端數據總線的電壓。第 171 頁的參考文獻 1 中描述了一種計算所需平面電容近似值的方法。該公式已被證明是保守但可靠的。

步驟 9 — 構建主 PCB 疊層

重要的是提供足夠的平面對來創建在步驟 8 中計算的平面間電容，并提供足夠的信號層來包含預期的導線負載。典型的疊層圖如圖 4所示。

圖 4. 典型的 PCB 堆疊

步驟 10 到 12 包括以下內容：

第 10 步：

針對串擾、反射、Vdd/接地彈跳和紋波要求，對框圖中的每種邏輯類型執行噪聲容限分析。

第 11 步：

模擬框圖中顯示的每種網絡類型的至少一個成員，以確定終止和排序要求。

第 12 步：

構建技術表，如圖 5所示，其中列出了每一類網絡的布線、頻率、間距和端接要求。

圖 5. 典型技術表

步驟 13 到 19 包括以下內容：

第 13 步： 

完成原理圖。

第 14 步： 

向原理圖添加可測試性功能，例如阻抗測試跡線和平面電容訪問測試點。

第 15 步： 

將元件放置在 PCB 表面，評估可布線性并進行熱分析。這包括根據需要調整布局和堆疊以滿足兩組需求。此外，沿 PCB 的一個邊緣添加堆疊條紋，以允許檢查成品 PCB 的最終堆疊。

第 16 步： 

確定焊盤堆疊尺寸和孔的最小間距，以確保平面中的間隙孔之間有平面腹板，并滿足絕緣要求、縱橫比要求和孔環要求。

第 17 步： 

建造鉆臺和制造圖。

第 18 步： 

使用生成的檢查表布線 PCB，以確保設計過程中的所有步驟都以令人滿意的方式完成。

第 19 步： 

將藝術品運送到制造商。

概括

一套完整的工藝設計步驟有助于確保設計和制造電路板設計所需的所有信息都已為 PCB 指定，該 PCB 將在第一次以及整個產品生命周期中正常工作。此信息包含所有電路板特性，包括總線和信號、Vdd 電壓和 Vdd 軌阻抗、DC-DC 轉換器和旁路電容器。作為此過程的結果創建的原理圖成為交付的原理圖集的一部分。遵循這些步驟將確保 PCB 設計過程是徹底和優化的，以盡可能快地滿足調度和成本要求。