高性能PCB設計--CDN2008文章
摘要：
本文以IT行業的高性能的PCB設計爲主線，結合Cadence在高速PCB設計方面的強大功能，全面剖析高性能PCB設計的工程實現。
正文：
電子產業在摩爾定律的驅動下，產品的功能越來越強，集成度越來越高、信號的速率越來越快，產品的研發週期也越來越短，PCB的設計也隨之進入了高速PCB設計時代。PCB不再僅僅是完成互連功能的載體，而是作爲所有電子產品中一個極爲重要的部件。本文從高性能PCB設計的工程實現的角度，全面剖析IT行業高性能PCB設計的方方面面。
實現高性能的PCB設計首先要有一支高素質的PCB設計團隊。
一、PCB設計團隊的組建建議
自從PCB設計進入高速時代，原理圖、PCB設計由硬件工程師全權負責的做法就一去不復返了,專職的PCB工程師也就應運而生。
一個成熟的大、中型PCB設計團隊的構成應包括以下幾個工種：
封裝庫工程師：專職建庫，熟知當今主流板廠、貼片廠商的工藝能力、技術參數，結合本公司的產品實際，並據此完成當前高速高密條件下的PCB封裝建庫工作。
PCB設計工程師：設計人員必須具備廣泛的PCB周邊知識，諸如電子線路的基本知識，PCB的生產、貼片加工的基本常識，DFX（DFM/DFC/DFT）設計，同時還需要掌握高速PCB的層疊設計、阻抗設計、信號完整性知識、EMC知識等，綜合考慮現代PCB設計的各項要求，完成PCB的佈局、佈線工作。
SI工程師：揭開隱藏在PCB傳輸線裏的“隱性原理圖”，直面高速時代的反射、串擾、時序問題。通過前後仿真，確保信號質量，提升產品的一次成功率，確保PCB穩定、可靠的工作。
EMC工程師：作爲EMC設計的源頭考慮，負責包括電路、器件、PCB相關的板級EMC設計。降低自身的對外輻射，並提高抗外界干擾的能力。
熱設計工程師：在追求精美、小巧的產品研發團隊裏，熱設計工程師不可或缺。通過熱源分佈分析、設計合理的風道系統，控制系統的溫升，確保產品的穩定、可靠工作。很難想象一個筆記本的設計團隊沒有熱設計工程師的參與能做出可靠、穩定的筆記本產品。（注：部分公司由結構工程師兼負PCB的熱仿真、熱設計）。
工藝工程師：針對本公司的PCB加工廠商、貼片設備/廠商的工藝能力，制定本公司PCB設計的工藝參數。參與具體單板、PCB的設計，確保PCB的可生產性、可加工性。
考慮到自身交流、技術提升、人員備份的需要，以上每個工種至少不低於3人。對於自身團隊規模有限、研發需求起伏較大的公司，適當儲備一些複合型的多面手並根據自身需要適當尋求外部資源是解決自身研發短木板的明智之舉。
我們來看看IT行業巨頭們的PCB設計團隊組建歷程：
1980年，公司內部硬件工程師兼做PCB設計；
1990年，CAD工程師作爲專門的部門逐漸獨立出來；
1995年，專業的PCB DESIGN HOUSE在北美、日本開始流行
2000年，專業化分工越來越細，建庫、PCB設計、SI、EMC、熱設計、工藝等工種逐漸獨立；北美、日本的PCB設計有50％以上由專業的設計公司完成；SI、EMC等工種逐漸自成體系；
2003年，一博科技爲首的專業設計公司把PCB設計外包理念帶入中國；
2008年，公司內部分工明確，工種齊全。併合理採用資源外包、錯峯設計、技術外包成爲潮流。
二、高性能PCB設計的硬件必備基礎
自從PCB設計進入高速時代，以傳輸線理論爲基礎的信號完整性知識勢頭蓋過了硬件基礎知識。有人提出，十年後的硬件設計只有前端和後端（前端指的是IC設計，後端指的是PCB設計）。只要有一個系統工程師把他們整合一下就夠了。這很容易讓人懷疑學習硬件基礎知識的必要性。事實上，不管是IC工程師還是PCB工程師，都必須具備諸如R、L、C以及基本的門電路知識。
高性能的PCB設計離不開電源基礎知識，少不了FPGA常識。即使以傳輸線理論爲基礎的信號完整性分析也是從研究以R、L、C爲基礎的微元考慮。
PCB設計工程師必須具備基本的電路基本知識，如高頻、低頻、數字電路、微波、電磁場與電磁波等。熟悉並瞭解所設計產品的基本功能及硬件基礎知識，是完成一個高性能的PCB設計的基本條件。
三、高性能PCB設計面臨的挑戰和工程實現
PCB設計是一門沒有最好只有更好的藝術，一個性能優良的PCB設計，常常面臨以下挑戰。
1. 研發週期的挑戰
統計數據表明，一臺筆記本的設計，從立項到上市，一般只有半年的時間。一款手機的研發，從立項到上市，平均只有3個月的時間。作爲產品研發中的重要一環，PCB設計時間也逐漸被壓縮、壓縮再壓縮。
1985年4月，東芝公司溝口哲也工程師設計出了一臺命名爲T1100袖珍的機器，引領了計算機行業的興起。自那以後，計算機主板的研發週期也明顯加快了節奏。
設計週期（天數）
圖1：計算機主板設計週期的變遷
在EDADOC，筆記本的PCB設計基本控制在三週以內，手機的PCB設計時間一般客戶的預期時間是10天。
面臨市場不斷縮短的研發預期，PCB工程師如何面臨這一挑戰呢？
首先，要採用一流的EDA工具軟件
高效的EDA工具軟件帶來的不僅僅是效率的提高，更是設計理念的革命。在衆多的EDA工具軟件中，Cadence的PSD系列無疑佔據着行業旗艦的角色。從10年前的單兵作戰，到後來的“sub-drawing”，再到如今的“partition”，Cadence Allegro提供的多人並行設計把原本不可能的研發週期變成現實。在EDADOC，92％的PCB設計都會用到並行設計。
舉例來說，EDADOC曾在6天的時間裏完成20000PIN的某XDSL單板的前後仿真、佈局、佈線工作，這其中，並行設計居功至偉。
以一個常規的筆記本主板PCB設計爲例，我們來看看傳統的“單兵作戰”（一個PCB工程師負責）以及在部分公司採納的3班倒的工作模式以及採用並行設計的工作方式下的主體PCB設計數據：
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工作方式 |
單兵作戰 |
3人接力3班倒 |
並行設計 |
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設計時間 |
30天 |
18天 |
15天 |
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優點 |
單人負責，中途無交接，溝通成本低 |
交期較快、多人智慧 |
交期靈活，容易控制，多人同時工作，易於溝通。多人智慧。 |
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缺點 |
週期長，知識面受限 |
工程師難以接受，夜班效率低，與周邊資源溝通不便，3次交接，傳遞效率低 |
要求具備一定的團隊規模，人員效率略爲下降。 |
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適用範圍 |
適用於小型公司或簡單單板。 |
無需與周邊資源的溝通，複雜單板，特例情況下和並行設計配合使用 |
複雜或較複雜單板，設計週期短。廣泛應用於大中型EDA團隊 |
其次，提前介入產品研發流程，減少後續返工。
在總體方案設計階段，PCB工程師即介入研發，重點參與產品的系統架構設計、論證；在總體設計階段，開展初期PCB設計可行性評估；在詳細設計階段，同步原理方案設計，參與器件選型、結構設計、熱設計，這樣當研發進入PCB設計流程後，主體工作便簡化了，同時減少了因器件體積過大、驅動能力不夠、拓撲方案不可行以及結構散熱等問題帶來的PCB設計過程中的返工。
第三，“一板成功”的設計理念
IBM的高級顧問曾指出國內某研發團隊存在的問題：“沒有時間把事情一次性做好，但卻有時間把事情一做再做”，在當前的市場競爭環境下，擁有經驗豐富的PCB設計工程師，健全設計流程，並藉助各種工具軟件，力爭一板成功。節省的不僅僅是少做了一板PCB的費用，更是節省了一個全流程的研發週期。爲產品贏得市場機會窗。不管是PCB工程師自身，還是產品研發主管，都必須具備PCB研發“一板成功”的理念。
最後，模塊重用，重視技術沉澱
在筆者接觸的多家國內知名公司，他們非常重視模塊重用，在確保技術沉澱的同時，也有效的縮短了PCB設計時間。
總之，我們要在設計理念上，提前介入研發，採用並行設計，採納一板成功、減少研發次數的理念，加上諸如Cadence PSD的先進工具軟件，我們不需要過度加班，更不需要兩班乃至三班倒即可解決PCB的研發週期問題。
2. 成本的挑戰
PCB的成本包括顯性成本和隱性成本
顯性成本主要包括PCB的生產、貼片成本。
對於顯性成本的控制，我們可以通過熟悉、瞭解常規板廠的工藝能力、貼片設備的工藝要求，選擇合理的層數、設置合理的層疊結構、設計參數來降低PCB設計的顯性成本。
隱性成本包括PCB設計期間的人員投入、技術風險、時間成本尤其是上市機會窗的機會成本。
而事實上，PCB設計的隱性成本遠遠大於其顯性成本。
舉例來說，一般手機的市場機會窗也就是半年左右，如果因爲PCB設計的問題增加一次研發，對於流行時尚的手機產品來說帶來的不僅僅是1－2個月的時間損失，更是整個產品的失敗。
對於隱性成本的控制，公司高層和研發主管要具備抓緊核心、放開周邊、強強組合、一次成功的理念，在設計之初考慮成本。合理藉助外部資源，解決自身研發的短木板問題，降低產品研發的隱性成本。
3. 高速的挑戰
隨着信號速率的不斷提升，信號完整性不斷困擾着研發人員，包括總線驅動能力、信號的反射、串擾、過沖、振盪、回溝、衰減等；有時也把時序劃歸到信號完整性範圍內。Allegro中基於IBIS模型的仿真模塊Signoise，可以方便地搭建拓撲進行仿真。
Allegro的這個仿真工具與佈線平臺有良好的接口，在PCB佈線完成以後，還可以從PCB板上直接提取佈線參數到Signoise平臺中，進行後仿真以驗證佈線的效果。
仿真提取的佈線約束可以直接導入到Allegro的電氣規則管理器中，這個管理器可以方便地對時序要求的等長規則進行約束，在佈線時，當長度不符合所規定的規則時，Allegro可以實時進行告警。
4. 高密的挑戰
我們來看看一組數據：
近年來器件封裝的變遷：
圖2：規則管理器示例
過去20年IT行業單個器件PIN數目以及單塊單板PIN總數的變遷：
圖3：單個器件PIN數目以及單塊單板PIN總數的變遷
過去20年IT行業單板層數的變遷：
圖4：單板層數的變遷
過去20年單板PIN密度（Pin density， Pins/sq in):的變遷：
圖5：單板PIN密度的變遷
上述的數據裏面我們能深刻的感受到PCB設計密度越來越高的壓力，從20年前的跳線滿板飛，發展到後來的雙面板、多層板，再到器件封裝的變遷，以及近幾年手機產業推動的HDI技術興起，包括近期Intel推出的Menlow平臺，更是把HDI技術帶到了PC行業。
面對PCB設計的密度的不斷提升，PCB工程師必須緊跟業界前沿，瞭解新材料、新工藝，採用能支撐高密PCB設計的一流EDA軟件，這樣才能滿足產品研發過程中面臨的密度越來越高的挑戰。據稱，即將推出的PSD 16.2在HDI的設計上將有較大的突破，期待中。
5. 電源、地噪聲的挑戰
電源、地平面作爲信號線的參考平面、迴流通道，電源、地的噪聲會直接串入以其爲參考平面的信號。解決電源、地噪聲的問題，不僅僅是考慮供電電源的自身電平穩定問題，還是解決高速信號的可靠性問題的重要因素。
高速PCB的電源設計首先要理清電源樹，分析電源通道合理性。
首先，在大電流的載流能力上，必須在考慮裕量的前提下分配恰當的佈線寬度；同時，因爲實際佈線有電阻，從電源輸出端到實際負載的路線上有壓降，而高速電路器件的電壓特別是core電壓往往很低，壓降對供電效果有直接的影響。電流的載流能力，與線寬、內外層、銅厚度、允許溫升相關。
其次，在電源的濾波效果上，需要考慮電源的阻抗。因爲電源通道實際上不是一個理想的通道，而是有電阻和阻抗的，高速電路在門電路翻轉時需要瞬間的電源供給，而電流從電源模塊給各個門電路翻轉提供能量是需要各級路徑分配的，需要時間，這可理解爲一個分級充電的過程，
圖6：門電路翻轉供電路徑
可以看到，在高頻狀態下，器件管腳上的電流首先是由電源、地平面組成的平板電容來供電的，因爲由他們組成的供電系統阻抗最低。供電速度最快，但是，這個平板電容存儲的電量太小，他們的電荷由小的濾波電容提供，小濾波電容的電荷再由大的BULK儲能電容提供，然後開關電源通過電流通道給BULK電容充電，之所以這樣，是因爲開關電源僅在幾K的頻率下是低阻抗的、BULK電容僅在幾兆的頻率下是低阻抗的，小濾波電容僅在幾十兆到幾百兆的頻率下是低阻抗的，電流只有通過層層充電，才能到達器件管腳，滿足瞬時供電的需要。Cadence也提供了一個PI分析模塊，來分析在不同的功耗下電源平面的阻抗，以及濾波電容的選擇是否合理。
這個PI仿真工具的理論基礎是傳輸線，採用有限元的方式對電源平面進行劃分，把電源和相應的地平面匹配成一對平板電容，並劃分成幾個區域，如圖所示：
工具採用頻域分析的方式，板上各個小塊的阻抗進行分析，最後得到各點的阻抗圖：
如果發現某個區域的點的阻抗在目標阻抗以上，就通過重新分配電源平面，或增加濾波電容，降低這個點的目標阻抗，增強對器件管腳的濾波能力。
6. EMC問題：
隨着人們生活水平的提高以及對包括電磁污染在內的環保的關注，EMC問題成爲所有電子產品研發中繞不過去的彎。作爲一個“Black Magic”，EMC問題越來越困擾開發人員。
EMC要從源頭設計。作爲產品EMC的源頭，單板/PCB的EMC性能愈發引起關注，在EMC衆多的指標中，最讓硬件工程師頭痛的是RE指標問題。
出於模型的限制，即使業界公認的頂級EMC仿真軟件，至今也不能仿真出和實際測試數據可比擬的數據出來。其只能給出某些特定條件下的簡化了的單輻射源的輻射場分佈情況，進而提供設計參考。
EMC設計至今主要還是靠EMC工程師/硬件工程師的經驗來開展設計。作爲工程設計，我們無需作過多的理論分析，但我們必須具備一些常規的工程設計經驗。同時藉助一些近場探頭等輔助手段來解決EMC問題。上圖爲藉助近場探頭測出的RE指標以及特定頻率的EMI物理空間分部圖。
以筆者的意見，以PCB爲主的單板EMC問題，我們需要把主要精力集中在以下三個方面：
1） 電源
2） 時鐘（及其它強輻射源）
3） 接口電路
提及電源，我們考慮的是電源（地）的完整性問題以及作爲迴流通道的電源地設計；
時鐘作爲單板的主要EMI源，承擔了60％以上的主要EMI源；
疏忽任意一個接口的設計，你整個產品的EMC努力都有可能前功盡棄。
作爲工程實現，只要圍繞上述3點作文章，整個產品的EMC問題也就成功在望了。
7. DFM的挑戰
解決DFM問題，除了單板工藝工程師制定適合本公司的工藝標準外，需要對PCB設計工程師進行系統、全面的DFM常識培訓，PCB工程師需要不斷了解業界的PCB生產加工能力現狀，結合本公司的實際情況，選擇合適的工藝路線和設計參數。在電氣性能和DFM方面的取捨上，綜合考慮。此外，在PCB的封裝庫上，必須有專職的建庫人員，從源頭上解決DFM問題。
Allegro有一個專用的建庫模塊，可以按器件的datasheet方便地設計封裝庫，以及封裝庫的焊盤。良好的封裝設計是DFM設計的基礎。
作爲高性能的PCB設計，這些挑戰有時是互相矛盾的要求，PCB設計工程師需要利用自己的全面經驗，在這些挑戰面前折衷考慮，尋找一個最佳的結合點，最終完成高性能的PCB設計的工程實現。
四、工欲善其事，必先利其器
高性能的PCB設計離不開先進的EDA工具軟件的支撐。Cadence的PSD系列在高速PCB設計方面的強大功能，其前後仿真模塊，確保信號質量，提升產品的一次成功率；其物理、電氣規則的使用，可智能化的實現諸如差分佈線、等長控制等技術要求；支持並行設計、縮短研發時間；支持模塊重用、重視技術沉澱，保證了設計質量，提高設計效率。
擁有一個高性能的EDA工具軟件，配合經驗豐富的PCB設計工程師，高性能的PCB設計實現也就有了切實的保證。作爲擁有150餘名工程師的PCB設計公司，EDADOC致力於高速、高密、高性能的PCB設計。已逐漸成爲推動國內高性能PCB設計的一支生力軍。