集成系統(tǒng)PCB板設計的新技術

概述

目前的電子設計大多是集成系統(tǒng)級設計,整個項目中既包含硬件整機設計又包含軟件開發(fā)。這種技術特點向電子工程師提出了新的挑戰(zhàn)。首先,如何在設計早期將系統(tǒng)軟硬件功能劃分得比較合理,形成有效的功能結構框架,以避免冗余循環(huán)過程;其次,如何在短時間內設計出高性能高可靠的PCB板。因為軟件的開發(fā)很大程度上依賴硬件的實現(xiàn),只有保證整機設計一次通過,才會更有效的縮短設計周期。本文論述在新的技術背景下,系統(tǒng)板級設計的新特點及新策略。

眾所周知,電子技術的發(fā)展日新月異,而這種變化的根源,主要一個因素來自芯片技術的進步。半導體工藝日趨物理極限,現(xiàn)已達到深亞微米水平,超大規(guī)模電路成為芯片發(fā)展主流。而這種工藝和規(guī)模的變化又帶來了許多新的電子設計瓶頸,遍及整個電子業(yè)。板級設計也受到了很大的沖擊,最明顯的一個變化是芯片封裝的種類極大豐富,如BGA,TQFP,PLCC等封裝類型的涌現(xiàn);其次,高密度引腳封裝及小型化封裝成為一種時尚,以期實現(xiàn)整機產(chǎn)品小型化,如：MCM技術的廣泛應用。另外,芯片工作頻率的提高,使系統(tǒng)工作頻率的提高成為可能。

而這些變化必然給板級設計帶來許多問題和挑戰(zhàn)。首先,由于高密度引腳及引腳尺寸日趨物理極限,導致低的布通率;其次,由于系統(tǒng)時鐘頻率的提高,引起的時序及信號完整性問題;第三,工程師希望能在PC平臺上用更好的工具完成復雜的高性能的設計。由此,我們不難看出,PCB板設計有以下三種趨勢：

· 高速數(shù)字電路(即高時鐘頻率及快速邊沿)的設計成為主流。

· 產(chǎn)品小型化及高性能必須面對在同一塊板上由于混合信號設計技術(即數(shù)字、模擬及射頻混合設計)所帶來的分布效應問題。

· 設計難度的提高,導致傳統(tǒng)的設計流程及設計方法,以及PC上的CAD工具很難勝任當前的技術挑戰(zhàn),因此,EDA軟件工具平臺從UNIX轉移到NT平臺成為業(yè)界公認的一種趨勢。

高速數(shù)字系統(tǒng)PCB板解決方案

一般情況下,當信號的互連延遲大于邊沿信號翻轉閥值時間的20%時,板上的信號導線就會顯示出傳輸線效應,即連線不再是顯示集總參數(shù)的單純的導線性能,而是呈現(xiàn)分布參數(shù)效應,這種設計即為高速設計。

在高速數(shù)字系統(tǒng)設計中,設計者必須解決由寄生參數(shù)所導致的錯誤翻轉及信號失真問題-即時序和信號完整性問題。目前這也是高速電路設計者必須解決的瓶頸問題。

傳統(tǒng)的物理規(guī)則驅動

我們可以發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)的高速電路設計中,電氣規(guī)則設定和物理規(guī)則設定是分開的。這就帶來了以下的缺陷：

· 在設計早期工程師不得不花費很多精力進行詳盡的前后端(即,邏輯建立-物理實現(xiàn))分析,以規(guī)劃出滿足電氣需求的物理布線策略。

·高速效應是一個復雜的課題,不能簡單的通過布線長度及并行線的控制達到預期的效果。

· 設計者必然會面對這樣的困境,帶有假象成分的物理規(guī)則在實際布線中根本不適用,他不得不反復進行規(guī)則修改,使其具有實用價值。

· 當布線完成之后,可以用后驗證工具進行分析。但如果發(fā)現(xiàn)問題,工程師必須返回到設計中,進行結構或規(guī)則的調整。這是一個循環(huán)的冗余過程。必然會影響產(chǎn)品上市時間。

· 當設計中僅有幾根或幾十根關鍵線網(wǎng)時,物理規(guī)則驅動可以很好的完成設計任務;但當設計中幾百根,甚至幾千根線網(wǎng)時,物理規(guī)則驅動的方法就根本無法勝任設計任務。

電子技術的發(fā)展呼喚新方法、新工具出現(xiàn),來解決設計面臨的瓶頸問題。為解決物理規(guī)則驅動高速設計的缺陷,業(yè)界從事高速數(shù)字電路設計EDA工具研發(fā)的有識之士,在三年前提出了實時電氣規(guī)則驅動物理布局布線的構想,從設計思想上對高速數(shù)字設計流程進行了改革。

全新的電氣規(guī)則驅動：互連綜合

· 互聯(lián)綜合是實時電氣規(guī)則驅動方法的一個典型術語,即在物理布局布線過程中,互聯(lián)綜合器實時根據(jù)電氣規(guī)則約束條件,進行分析,提取出滿足設計者要求的布線策略,使設計一次通過成功。這種方法通過互聯(lián)綜合將電氣需求和物理實現(xiàn)精確的集成起來,從根本上消除物理規(guī)則驅動方法的缺陷。

互聯(lián)綜合流程如下：

· 在工具中輸入噪聲約束及時序約束規(guī)則;

· 時序控制布局,使之滿足時序約束要求;

· 執(zhí)行信號完整性預優(yōu)化;

· 板級綜合,確保關鍵線網(wǎng)滿足電氣需求;

· 完成普通線網(wǎng)的布線;

· 布線綜合優(yōu)化。

通過電氣規(guī)則驅動的方法就能有效的在設計布局布線之前進行質量評估,檢測信號失真情況,確定匹配的線網(wǎng)拓撲結構及恰當?shù)慕K端匹配結構和阻值。在完成布局布線后,可進行后驗證,用軟件示波器直觀的檢測波形。對于這時所發(fā)現(xiàn)的時序及失真問題,可用布線綜合優(yōu)化功能予以解決。

黃金工具組合及設計流程

現(xiàn)在有許多EDA 廠商均可以提供高速系統(tǒng)PCB設計的EDA工具,幫助用戶在這一領域中有效的提高設計質量,縮短設計周期。在應用電氣規(guī)則驅動方法的EDA系統(tǒng)板級工具中最具代表性的當數(shù)美國Mentor Graphics公司ICX軟件包。它最早提出了互聯(lián)綜合概念,也是目前業(yè)界最成熟的工具組合。該軟件包有目前業(yè)界流行的即插即用的特點,它可以集成在許多廠商的PCB經(jīng)典EDA設計流程中。

混合信號設計解決方案

由于設計小型化成為時尚,消費者需要高性能、低價位的商品,廠商為適應市場競爭,要求研發(fā)人員在盡可能短的時間內,開發(fā)出不同種類、不同功能配置的高性能低成本的產(chǎn)品,占領市場。這就帶給設計者許多新的設計挑戰(zhàn)。例如：在同一塊基板上利用數(shù)?；旌霞夹g,甚至射頻技術,來實現(xiàn)設計小型化及提高產(chǎn)品功能的目的。風靡世界的手機就是一個最典型的例子。

業(yè)界同樣已有相應的解決方案-設計小組、并行設計、派生及設計復用是最典型的策略。

· 傳統(tǒng)的串行設計

即電子工程師在完成全部前端電路設計之后,轉交給物理板級設計者完成后端實現(xiàn)。設計周期是電路設計及板級設計時間之和。

新穎的并行設計

在小型化成為設計主流思想及混合技術被廣泛采納之后,串行設計方法就有些落伍了。我們必須從設計方法上進行革新,同時利用功能強大的EDA工具來輔助設計者進行設計,才能適應及時上市的要求。眾所周知,我們每個人不可能成為所有領域的專家,也不可能在短時間內將所有工作完成得最好、最快。設計小組的概念,在這種背景下提出,并得以廣泛的應用。目前許多公司均采取設計小組的方法,合作進行產(chǎn)品開發(fā)。[!--empirenews.page--]

即根據(jù)設計復雜程度及功能模塊的不同,將整個設計劃分成不同功能BLOCK塊,由不同的設計開發(fā)人員并行進行邏輯電路和PCB板設計;然后在設計頂層,將各個BLOCK塊最終的設計結果,以“器件”的方式調入,合成一塊整板設計。這種方法稱為PCB板設計復用。

通過這種方法我們不難看出,它可以極大的縮短設計周期,設計時間僅為用時最多的BLOCK塊的設計時間和后端接口連接處理的時間之和。

工具標準化和第三方工具集成

目前有許多廠商從事電子設計自動化(EDA)工具的開發(fā)工作,如Cadence,Synopsis,Mentor Graphics為主要的EDA工具供應商;除此之外,還有許多其他EDA廠商。EDA所涉及的領域很廣泛,包括網(wǎng)絡、通信、計算機、航天航空等。產(chǎn)品則涉及系統(tǒng)板極設計、系統(tǒng)數(shù)字/中頻模擬/數(shù)?；旌?射頻仿真設計、系統(tǒng)IC/ASIC/FPGA的設計/仿真/驗證、軟硬件協(xié)同設計等。任何一家EDA供應商均很難提供滿足各類用戶的不同設計需求的最強的設計流程。從市場占有來看,Cadence的強項產(chǎn)品為IC板圖設計和服務,Synopsis的強項產(chǎn)品為邏輯綜合,Mentor Graphics的強項產(chǎn)品為PCB設計和深亞微米IC設計驗證和測試等。

毫無疑問,現(xiàn)代電子設計越來越依賴EDA工具和技術,EDA廠商則采用產(chǎn)品標準化的方法來適應用戶的這種需求,許多設計者在他的設計流程中采取多家公司的強項產(chǎn)品,組成最佳的設計流程。

各EDA廠商紛紛提高自己的強項產(chǎn)品的兼容性和集成第三方產(chǎn)品的能力,來適應用戶的潛在需求。

派生技術

以民用產(chǎn)品為主的廠商,為適應不同層次用戶的需求,往往需要開發(fā)不同功能、不同檔次的產(chǎn)品去占有市場。過去針對不同功能的產(chǎn)品開發(fā),我們經(jīng)常采用不同的設計流程來分別實現(xiàn),即用不同設計數(shù)據(jù)生產(chǎn)不同功能的板子來實現(xiàn)產(chǎn)品。缺點是成本加大及設計周期延長,同時增加了產(chǎn)品人為的不可靠因素。

現(xiàn)在許多廠家采用派生技術來解決以上問題,即用同一個設計流程數(shù)據(jù)派生出不同功能系列的產(chǎn)品,從而達到降低成本、提高質量的目的。

為了適應用戶的這種需求,許多EDA 廠商均在自己的產(chǎn)品中增加了派生規(guī)則檢查(DRC)功能,如：Mentor Graphics的Board Station,Zuken-Redac等,以Board Station為例,它提供了完整的,從前端電路設計的派生功能模塊分配,到后端的物理布局規(guī)則檢查、產(chǎn)生不同派生產(chǎn)品的元器件清單表、生產(chǎn)加工數(shù)據(jù)、光繪數(shù)據(jù)及加工裝配圖等,從而徹底結束了這類設計困擾。