共同的目標(biāo)：印制電路板設(shè)計(jì)工具

1、共同的目標(biāo)：印制電路板設(shè)計(jì)工具共同的目標(biāo)：印制電路板設(shè)計(jì)工具類(lèi)別：EDA/PLD  盡管集成電路（IC）設(shè)計(jì)師取得了很大業(yè)績(jī)，但是印制電路板設(shè)計(jì)師將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用在制作方法之中已經(jīng)有很多年了，而IC設(shè)計(jì)師僅僅才開(kāi)始采用。 要點(diǎn)  IC設(shè)計(jì)師現(xiàn)在才采用的一種設(shè)計(jì)方法，印制電路板設(shè)計(jì)師業(yè)已使用了很多年。  盡管公司合并和收購(gòu)削弱了這一領(lǐng)域，但工程師在選用印制電路板設(shè)計(jì)工具時(shí)仍有很多選擇。  系統(tǒng)驗(yàn)證是設(shè)計(jì)過(guò)程中要求最嚴(yán)格的階段。  印制電路板設(shè)計(jì)師面臨的主要挑戰(zhàn)是信號(hào)完整性、功耗和熱輻射。 設(shè)計(jì)自動(dòng)化會(huì)議（DAC）是EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）行業(yè)

2、的主要活動(dòng)。這是制造商展出其產(chǎn)品、設(shè)計(jì)師縱覽最新技術(shù)、所有行業(yè)參與者學(xué)習(xí)和討論最新設(shè)計(jì)方法的最佳機(jī)會(huì)。在其存在的大部分時(shí)間里，DAC一直專(zhuān)注用于IC開(kāi)發(fā)的工具和方法。你可以找到印制電路板設(shè)計(jì)工具，不過(guò)它們屬于少數(shù)，而且在提供IC和印制電路板兩類(lèi)工具的制造商的展臺(tái)上處于次要地位。似乎IC設(shè)計(jì)方法和工具引導(dǎo)著EDA的進(jìn)展，而印制電路板設(shè)計(jì)在產(chǎn)品的技術(shù)方案中雖是必不可少的，但卻是起著低級(jí)功能。 對(duì)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一次更深入的考察表明，情況正好相反。IC設(shè)計(jì)師只是現(xiàn)在才開(kāi)始嘗試結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分層開(kāi)發(fā)和DFM（可制造設(shè)計(jì)）三種方法，而印制電路板設(shè)計(jì)師采用這三種技術(shù)已經(jīng)有一段時(shí)間了。IC設(shè)計(jì)師僅僅是現(xiàn)在

3、才開(kāi)始試圖模仿印制電路板設(shè)計(jì)師多年來(lái)所做的事情。在設(shè)計(jì)一塊印制電路板時(shí)，工程師根據(jù)電氣和電子設(shè)計(jì)規(guī)則選擇經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的功能模塊并將其連接起來(lái)。在使用分立元件時(shí)，設(shè)計(jì)師進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，而制造問(wèn)題和測(cè)試問(wèn)題則始終是印制電路板設(shè)計(jì)師考慮的重點(diǎn)。 在開(kāi)發(fā)一塊印制電路板時(shí)，設(shè)計(jì)師通常遵循以下的四步流程：系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)驗(yàn)證、布局和制作數(shù)據(jù)生成（圖1）。其中每一步都可能涉及到許多工具和規(guī)則。特別是工程師不得不擴(kuò)大系統(tǒng)驗(yàn)證的范圍，將諸如信號(hào)完整性、高速設(shè)計(jì)、電源要求與分配以及射頻（RF）設(shè)計(jì)等問(wèn)題包含在內(nèi)。另一個(gè)需要注意的方面是連接器和電纜的設(shè)計(jì)和布局，尤其在印制電路板是較大系統(tǒng)中的一個(gè)組件，而該系統(tǒng)要在沒(méi)

4、有公共底板的各種印制電路板之間傳送數(shù)據(jù)時(shí)更是如此。  圖1，設(shè)計(jì)師在開(kāi)發(fā)印制電路板時(shí)遵循分層方法。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及到繪制電路原理圖。原理圖不僅是印制電路板的邏輯表示，而且還在設(shè)計(jì)過(guò)程中演變成印制電路板技術(shù)規(guī)范。工程師利用計(jì)算機(jī)輔助的原理圖編輯器輸入設(shè)計(jì)的邏輯功能和連接性。他們還輸入許多封裝特性、指導(dǎo)布線(xiàn)程序的設(shè)計(jì)規(guī)則和指導(dǎo)分析引擎的電氣規(guī)則。設(shè)計(jì)輸入驅(qū)動(dòng)所有其它應(yīng)用程序。 系統(tǒng)驗(yàn)證使工程師能夠驗(yàn)證封裝和印制線(xiàn)兩者的功能、連接性和物理特性的選擇是否滿(mǎn)足技術(shù)規(guī)范。根據(jù)所要解決的問(wèn)題，設(shè)計(jì)師在驗(yàn)證中使用多種工具。一般而言，工程師需要驗(yàn)證時(shí)序、信號(hào)完整性、電磁干擾、電源以及發(fā)熱等

5、問(wèn)題（圖2）。在布局期間，工程師放置并連接他們?cè)谠韴D中示出的封裝和器件。完成這項(xiàng)任務(wù)的主要工具是以全自動(dòng)模式或交互模式工作的布線(xiàn)程序。通常情況下，設(shè)計(jì)師利用一個(gè)交互式布線(xiàn)程序來(lái)人工完成最關(guān)鍵的布局與連接功能。他們一旦完成并驗(yàn)證了這部分設(shè)計(jì)，自動(dòng)布線(xiàn)程序就可以處理剩下的布局布線(xiàn)功能。由于布線(xiàn)程序無(wú)法全部完成電路板布局，某些設(shè)計(jì)需要最終的交互式對(duì)話(huà)。交互式布局布線(xiàn)是一個(gè)嚴(yán)格而又乏味的過(guò)程。成品的質(zhì)量常常是進(jìn)行布局的工程師經(jīng)驗(yàn)的直接結(jié)果。工程師一旦完成了電路板設(shè)計(jì)，就必須給出制造所需的各種文件和文檔。很多印制電路板制造商都提供按所需格式輸出信息的工具。  圖2，大多數(shù)印制電路板設(shè)計(jì)師必須處

6、理5個(gè)主要的系統(tǒng)驗(yàn)證領(lǐng)域。 可用的EDA工具 通過(guò)一系列公司的合并和收購(gòu)，針對(duì)印制電路板應(yīng)用的EDA市場(chǎng)在過(guò)去幾年中已經(jīng)成熟。Cadence公司和Mentor Graphics公司分別收購(gòu)了歷史悠久的Orcad公司和Pads公司。這些收購(gòu)行動(dòng)使得Cadence公司和Mentor公司能夠采取雙重定價(jià)結(jié)構(gòu)來(lái)擴(kuò)大其市場(chǎng)影響，并為其客戶(hù)提供選擇范圍更寬的產(chǎn)品。這兩家公司的年收入占印制電路板市場(chǎng)年收入的75%左右。Zuken公司和Electronics Workbench公司在該市場(chǎng)的幾個(gè)領(lǐng)域中占有很大的份額，并在力爭(zhēng)奪取印制電路板收入第三的位置。 系統(tǒng)驗(yàn)證重要性的不斷提高已經(jīng)為

7、以前只專(zhuān)注于IC設(shè)計(jì)的公司打開(kāi)了印制電路板的市場(chǎng)。信號(hào)完整性產(chǎn)品和熱分析產(chǎn)品就是這種交叉的例子。其余的印制電路工具制造商滿(mǎn)足于在該市場(chǎng)的幾部分中得到認(rèn)可，其中大多數(shù)公司的年收入低于1千萬(wàn)美元。表1列出了印制電路板工具制造商及其服務(wù)的應(yīng)用系統(tǒng)。雖然本文不可能一一描述這些工具，但你可以在這些制造商的網(wǎng)站上找到所有的資料。Altium公司經(jīng)銷(xiāo)很多品牌工具，其中包括Protel、P-CAD、Nexar和nVisage。 在過(guò)去三年中，無(wú)線(xiàn)設(shè)備已成為EDA市場(chǎng)的主要推動(dòng)力。因此，電磁分析的重要性業(yè)已提高。Agilent公司和Cadence公司在這個(gè)市場(chǎng)上處于領(lǐng)先地位。它們的實(shí)力來(lái)源于其在IC設(shè)計(jì)

8、市場(chǎng)上同類(lèi)設(shè)備的長(zhǎng)期領(lǐng)先地位。今年四月，為了進(jìn)一步加強(qiáng)在RF設(shè)計(jì)上的技術(shù)力量，Cadence公司宣布了收購(gòu)Neolinear Technology 公司的意向。Agilent Eesoft公司在RF-IC設(shè)計(jì)市場(chǎng)上扮演了主要角色，它在這一市場(chǎng)上的領(lǐng)先地位同樣也使它在印制電路板市場(chǎng)上成為舉足輕重的角色。 大多數(shù)設(shè)計(jì)輸入工具具有類(lèi)似的功能，但價(jià)格更高的工具往往理所當(dāng)然地具有更大的靈活性，并且支持更大更復(fù)雜的設(shè)計(jì)。布局布線(xiàn)產(chǎn)品也是如此，但Mentor Graphics公司似乎在這個(gè)領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)。布線(xiàn)程序之間的主要差別就在于完全支持高速設(shè)計(jì)規(guī)則和模擬設(shè)計(jì)的能力。 FPGA器件的執(zhí)行速度

9、將加快，容量將增大。設(shè)計(jì)師在印制電路板設(shè)計(jì)中更加頻繁地使用這些器件，因?yàn)樗鼈儾坏菍?duì)膠合邏輯，而且也是設(shè)計(jì)師以前用ASIC芯片實(shí)現(xiàn)的重要功能模塊的很好替代品。Mentor Graphics正在提供一種能使工程師同時(shí)開(kāi)發(fā)FPGA和印制電路板的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。FPGA BoardLink能自動(dòng)完成電路板原理圖內(nèi)一個(gè)FPGA符號(hào)的放置和連線(xiàn)。它首先生成具有合適引出線(xiàn)的符號(hào)，并且在對(duì)印刷電路板或FPGA進(jìn)行任何修改時(shí)保留所要求的連接性。將高速封裝連接到印制電路板上也是一個(gè)日益復(fù)雜的問(wèn)題。電氣連接不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生信號(hào)完整性問(wèn)題和電磁干擾問(wèn)題。在高性能設(shè)計(jì)中，大型多層電路板、復(fù)雜的多端IC封裝以及芯片上的三維無(wú)源

10、結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越常見(jiàn)。包括符號(hào)間干擾和地電位跳動(dòng)在內(nèi)的常見(jiàn)失效模式需要電磁分析。此外，工程師常常進(jìn)行頻域功率完整性分析，而這在幾年前是不需要進(jìn)行的。標(biāo)準(zhǔn)元件制造商現(xiàn)在都提供IBIS（I/O緩沖器信息技術(shù)規(guī)范）模型，然而僅僅在5年之前，獲得具有某一部件技術(shù)信息的IBIS模型還是很罕見(jiàn)的。 在高速差分或者源同步設(shè)計(jì)中，信號(hào)必須同時(shí)到達(dá)接收器。由于空間有限，封裝中的大多數(shù)信號(hào)跡線(xiàn)具有不同的長(zhǎng)度。設(shè)計(jì)師必須在印制電路板上補(bǔ)償這些差別。當(dāng)設(shè)計(jì)師因空間限制而必須引導(dǎo)信號(hào)繞很多彎和拐角時(shí)，就會(huì)縮短信號(hào)傳播延遲，因而必須通過(guò)延長(zhǎng)跡線(xiàn)來(lái)對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償。例如，在90彎曲的情況下，信號(hào)就會(huì)“切割拐角”，而且每個(gè)

11、拐角會(huì)加快0.10.5ps。盡管金屬遷移問(wèn)題在IC中更為普遍，但印制電路板和封裝引腳之間的不良機(jī)械連接性也會(huì)存在這個(gè)問(wèn)題。  圖3，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)允許由分散在各地的工程師和在某個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域有專(zhuān)長(zhǎng)的工程師同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 討論團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的工程師和分析師往往意指不同的事情。有些人描述的是一種把一個(gè)項(xiàng)目分配給許多工程師，并保持工作一致和同步的方法（圖3），而另一些人描述的則是PLM（產(chǎn)品壽命管理）工具（圖4）。  圖4，電子設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理是部件生命周期管理集的一個(gè)子集。 Mentor Graphics公司提供的TeamPCB能使一個(gè)設(shè)計(jì)小組并行地設(shè)計(jì)電路板。工程師（通常是項(xiàng)目帶頭人

12、）將設(shè)計(jì)分成很多部分，每一位設(shè)計(jì)師完成自己那部分的工作，并能查看整塊電路板。項(xiàng)目帶頭人雖然能根據(jù)諸如數(shù)字、模擬、電源等功能區(qū)域來(lái)劃分電路板，但也能把這些部分在設(shè)計(jì)師之間劃分。工程師可以利用自動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)更新以設(shè)計(jì)人員對(duì)設(shè)計(jì)人員的方式共享進(jìn)展，或者可以用他們的進(jìn)展更新主數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)一家公司外購(gòu)設(shè)計(jì)的某些部分或其設(shè)計(jì)小組分散在各地時(shí)，這種方法很適用。 通過(guò)與MatrixOne的新合作關(guān)系，Cadence公司支持另一種“團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)”概念。隨著電子系統(tǒng)變得越發(fā)復(fù)雜，合作的需求相應(yīng)增加。在很多情況下，公司不再?gòu)念^至尾開(kāi)發(fā)一個(gè)系統(tǒng)。它們需要與擅長(zhǎng)于某部分設(shè)計(jì)或者制造工藝的公司合作。此外，項(xiàng)目的復(fù)雜性還需要

13、使用先進(jìn)的項(xiàng)目管理工具。由于實(shí)現(xiàn)了支持鏈的印制電路板部分，Cadence公司開(kāi)始支持PLM，并且計(jì)劃支持整個(gè)電子子系統(tǒng)。與Cadence公司一起，F(xiàn)lomerics公司、Ohio-DA公司和Zuken公司也在提供對(duì)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的支持。  圖 隨著電子系統(tǒng)日益復(fù)雜和越來(lái)越分散，工程師實(shí)現(xiàn)印制電路板之間的連接不僅需要利用底板，而且還要通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)來(lái)進(jìn)行并行的連接和高速串行連接。越來(lái)越重要的是，要能根據(jù)兩個(gè)子系統(tǒng)的I/O描述，把兩個(gè)子系統(tǒng)的部件綜合在一起，由此來(lái)開(kāi)發(fā)電纜和配線(xiàn)。Mentor Graphics公司已在一段時(shí)間內(nèi)在這個(gè)市場(chǎng)上保持了領(lǐng)先地位，不過(guò)Zuken公司和新創(chuàng)辦的TurboTools公司