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集成系統(tǒng)PCB板設(shè)計(jì)的新技術(shù)
目前的電子設(shè)計(jì)大多是集成系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，整個(gè)項(xiàng)目中既包含硬件整機(jī)設(shè)計(jì)又包含軟件開(kāi)發(fā),。這種技術(shù)特點(diǎn)向電子工程師提出了新的挑戰(zhàn)。首先,，如何在設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)框架,，以避免冗余循環(huán)過(guò)程,；其次，如何在短時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出高性能高可靠的PCB板,。因?yàn)檐浖拈_(kāi)發(fā)很大程度上依賴(lài)硬件的實(shí)現(xiàn),，只有保證整機(jī)設(shè)計(jì)一次通過(guò)，才會(huì)更有效的縮短設(shè)計(jì)周期,。本文論述在新的技術(shù)背景下,，系統(tǒng)板級(jí)設(shè)計(jì)的新特點(diǎn)及新策略。
*,，電子技術(shù)的發(fā)展日新月異,，而這種變化的根源，主要一個(gè)因素來(lái)自芯片技術(shù)的進(jìn)步,。半導(dǎo)體工藝日趨物理極限,，現(xiàn)已達(dá)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(lái)了許多新的電子設(shè)計(jì)瓶頸,，遍及整個(gè)電子業(yè),。板級(jí)設(shè)計(jì)也受到了很大的沖擊，zui明顯的一個(gè)變化是芯片封裝的種類(lèi)極大豐富,，如BGA,，TQFP，PLCC等封裝類(lèi)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(shí)尚，以期實(shí)現(xiàn)整機(jī)產(chǎn)品小型化,，如：MCM技術(shù)的廣泛應(yīng)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(jí)設(shè)計(jì)帶來(lái)許多問(wèn)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(dǎo)致低的布通率；其次,，由于系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的提高,，引起的時(shí)序及信號(hào)完整性問(wèn)題；第三,，工程師希望能在PC平臺(tái)上用更好的工具完成復(fù)雜的高性能的設(shè)計(jì),。由此，我們不難看出,，PCB板設(shè)計(jì)有以下三種趨勢(shì)：
高速數(shù)字電路（即高時(shí)鐘頻率及快速邊沿）的設(shè)計(jì)成為主流,。
產(chǎn)品小型化及高性能必須面對(duì)在同一塊板上由于混合信號(hào)設(shè)計(jì)技術(shù)（即數(shù)字、模擬及射頻混合設(shè)計(jì)）所帶來(lái)的分布效應(yīng)問(wèn)題,。
設(shè)計(jì)難度的提高,，導(dǎo)致傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程及設(shè)計(jì)方法，以及PC上的CAD工具很難勝任當(dāng)前的技術(shù)挑戰(zhàn),，因此,，EDA軟件工具平臺(tái)從UNIX轉(zhuǎn)移到NT平臺(tái)成為業(yè)界*的一種趨勢(shì)。
高速數(shù)字系統(tǒng)PCB板解決方案
一般情況下,，當(dāng)信號(hào)的互連延遲大于邊沿信號(hào)翻轉(zhuǎn)閥值時(shí)間的20%時(shí),，板上的信號(hào)導(dǎo)線(xiàn)就會(huì)顯示出傳輸線(xiàn)效應(yīng)，即連線(xiàn)不再是顯示集總參數(shù)的單純的導(dǎo)線(xiàn)性能，而是呈現(xiàn)分布參數(shù)效應(yīng),，這種設(shè)計(jì)即為高速設(shè)計(jì),。
在高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者必須解決由寄生參數(shù)所導(dǎo)致的錯(cuò)誤翻轉(zhuǎn)及信號(hào)失真問(wèn)題－即時(shí)序和信號(hào)完整性問(wèn)題,。目前這也是高速電路設(shè)計(jì)者必須解決的瓶頸問(wèn)題,。
傳統(tǒng)的物理規(guī)則驅(qū)動(dòng)
我們可以發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)的高速電路設(shè)計(jì)中，電氣規(guī)則設(shè)定和物理規(guī)則設(shè)定是分開(kāi)的,。這就帶來(lái)了以下的缺陷：
在設(shè)計(jì)早期工程師不得不花費(fèi)很多精力進(jìn)行詳盡的前后端（即,，邏輯建立－物理實(shí)現(xiàn)）分析,，以規(guī)劃出滿(mǎn)足電氣需求的物理布線(xiàn)策略。
高*應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的課題，不能簡(jiǎn)單的通過(guò)布線(xiàn)長(zhǎng)度及并行線(xiàn)的控制達(dá)到預(yù)期的效果,。
設(shè)計(jì)者必然會(huì)面對(duì)這樣的困境,，帶有假象成分的物理規(guī)則在實(shí)際布線(xiàn)中根本不適用，他不得*進(jìn)行規(guī)則修改,，使其具有實(shí)用價(jià)值,。
當(dāng)布線(xiàn)完成之后,，可以用后驗(yàn)證工具進(jìn)行分析,。但如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，工程師必須返回到設(shè)計(jì)中，進(jìn)行結(jié)構(gòu)或規(guī)則的調(diào)整,。這是一個(gè)循環(huán)的冗余過(guò)程,。必然會(huì)影響產(chǎn)品上市時(shí)間,。
當(dāng)設(shè)計(jì)中僅有幾根或幾十根關(guān)鍵線(xiàn)網(wǎng)時(shí)，物理規(guī)則驅(qū)動(dòng)可以很好的完成設(shè)計(jì)任務(wù),；但當(dāng)設(shè)計(jì)中幾百根,，甚至幾千根線(xiàn)網(wǎng)時(shí)，物理規(guī)則驅(qū)動(dòng)的方法就根本無(wú)法勝任設(shè)計(jì)任務(wù),。
電子技術(shù)的發(fā)展呼喚新方法,、新工具出現(xiàn)，來(lái)解決設(shè)計(jì)面臨的瓶頸問(wèn)題,。為解決物理規(guī)則驅(qū)動(dòng)高速設(shè)計(jì)的缺陷,，業(yè)界從事高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)EDA工具研發(fā)的有識(shí)之士,，在三年前提出了實(shí)時(shí)電氣規(guī)則驅(qū)動(dòng)物理布局布線(xiàn)的構(gòu)想,，從設(shè)計(jì)思想上對(duì)高速數(shù)字設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了改革,。
全新的電氣規(guī)則驅(qū)動(dòng)：互連綜合
互聯(lián)綜合是實(shí)時(shí)電氣規(guī)則驅(qū)動(dòng)方法的一個(gè)典型術(shù)語(yǔ),，即在物理布局布線(xiàn)過(guò)程中,，互聯(lián)綜合器實(shí)時(shí)根據(jù)電氣規(guī)則約束條件，進(jìn)行分析,，提取出滿(mǎn)足設(shè)計(jì)者要求的布線(xiàn)策略,，使設(shè)計(jì)一次通過(guò)成功。這種方法通過(guò)互聯(lián)綜合將電氣需求和物理實(shí)現(xiàn)的集成起來(lái),，從根本上消除物理規(guī)則驅(qū)動(dòng)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(shí)序約束規(guī)則；
時(shí)序控制布局,，使之滿(mǎn)足時(shí)序約束要求,；
執(zhí)行信號(hào)完整性預(yù)優(yōu)化,；
板級(jí)綜合,，確保關(guān)鍵線(xiàn)網(wǎng)滿(mǎn)足電氣需求,；
完成普通線(xiàn)網(wǎng)的布線(xiàn),；
布線(xiàn)綜合優(yōu)化。
通過(guò)電氣規(guī)則驅(qū)動(dòng)的方法就能有效的在設(shè)計(jì)布局布線(xiàn)之前進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估,，檢測(cè)信號(hào)失真情況,，確定匹配的線(xiàn)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及恰當(dāng)?shù)慕K端匹配結(jié)構(gòu)和阻值,。在完成布局布線(xiàn)后,，可進(jìn)行后驗(yàn)證,，用軟件示波器直觀(guān)的檢測(cè)波形。對(duì)于這時(shí)所發(fā)現(xiàn)的時(shí)序及失真問(wèn)題,，可用布線(xiàn)綜合優(yōu)化功能予以解決,。
黃金工具組合及設(shè)計(jì)流程
現(xiàn)在有許多EDA廠(chǎng)商均可以提供高速系統(tǒng)PCB設(shè)計(jì)的EDA工具，幫助用戶(hù)在這一領(lǐng)域中有效的提高設(shè)計(jì)質(zhì)量,，縮短設(shè)計(jì)周期,。在應(yīng)用電氣規(guī)則驅(qū)動(dòng)方法的EDA系統(tǒng)板級(jí)工具中代表性的當(dāng)數(shù)美國(guó)Mentor Graphics公司ICX軟件包。它zui早提出了互聯(lián)綜合概念,，也是目前業(yè)界zui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(diǎn)，它可以集成在許多廠(chǎng)商的PCB經(jīng)典EDA設(shè)計(jì)流程中,。
混合信號(hào)設(shè)計(jì)解決方案
由于設(shè)計(jì)小型化成為時(shí)尚,，消費(fèi)者需要高性能、低價(jià)位的商品,，廠(chǎng)商為適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),，要求研發(fā)人員在盡可能短的時(shí)間內(nèi)，開(kāi)發(fā)出不同種類(lèi),、不同功能配置的高性能低成本的產(chǎn)品,，占領(lǐng)市場(chǎng)。這就帶給設(shè)計(jì)者許多新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),。例如：在同一塊基板上利用數(shù)?；旌霞夹g(shù)，甚至射頻技術(shù),，來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)小型化及提高產(chǎn)品功能的目的,。的手機(jī)就是一個(gè)zui典型的例子。
業(yè)界同樣已有相應(yīng)的解決方案－設(shè)計(jì)小組,、并行設(shè)計(jì),、派生及設(shè)計(jì)復(fù)用是zui典型的策略,。