高性能PCB设计的工程实现

2.成本的挑战

PCB的成本包括显性成本和隐性成本

显性成本主要包括PCB的生产、贴片成本。

对于显性成本的控制，我们可以通过熟悉、了解常规板厂的工艺能力、贴片设备的工艺要求，选择合理的层数、设置合理的层叠结构、设计参数来降低PCB设计的显性成本。

隐性成本包括PCB设计期间的人员投入、技术风险、时间成本尤其是上市机会窗的机会成本。

而事实上，PCB设计的隐性成本远远大于其显性成本。

举例来说，一般手机的市场机会窗也就是半年左右，如果因为PCB设计的问题增加一次研发，对于流行时尚的手机产品来说带来的不仅仅是1－2个月的时间损失，更是整个产品的失败。

对于隐性成本的控制，公司高层和研发主管要具备抓紧核心、放开周边、强强组合、一次成功的理念，在设计之初考虑成本。合理借助外部资源，解决自身研发的短木板问题，降低产品研发的隐性成本。

3.高速的挑战

随着信号速率的不断提升，信号完整性不断困扰着研发人员，包括总线驱动能力、信号的反射、串扰、过冲、振荡、回沟、衰减等；有时也把时序划归到信号完整性范围内。Allegro中基于IBIS模型的仿真模块Signoise，可以方便地搭建拓扑进行仿真。

Allegro的这个仿真工具与布线平台有良好的接口，在PCB布线完成以后，还可以从PCB板上直接提取布线参数到Signoise平台中，进行后仿真以验证布线的效果。

仿真提取的布线约束可以直接导入到Allegro的电气规则管理器中，这个管理器可以方便地对时序要求的等长规则进行约束，在布线时，当长度不符合所规定的规则时，Allegro可以实时进行告警。



图2：规则管理器示例

4.高密的挑战

我们来看看一组数据：

近年来器件封装的变迁：



过去20年IT行业单个器件PIN数目以及单块单板PIN总数的变迁：



图3：单个器件PIN数目以及单块单板PIN总数的变迁

过去20年IT行业单板层数的变迁：



图4：单板层数的变迁

过去20年单板PIN密度（Pindensity，Pins/sqin):的变迁：



图5：单板PIN密度的变迁

上述的数据里面我们能深刻的感受到PCB设计密度越来越高的压力，从20年前的跳线满板飞，发展到后来的双面板、多层板，再到器件封装的变迁，以及近几年手机产业推动的HDI技术兴起，包括近期Intel推出的Menlow平台，更是把HDI技术带到了PC行业。

面对PCB设计的密度的不断提升，PCB工程师必须紧跟业界前沿，了解新材料、新工艺，采用能支撑高密PCB设计的一流EDA软件，这样才能满足产品研发过程中面临的密度越来越高的挑战。据称，即将推出的PSD16.2在HDI的设计上将有较大的突破，期待中。

5.电源、地噪声的挑战

电源、地平面作为信号线的参考平面、回流通道，电源、地的噪声会直接串入以其为参考平面的信号。解决电源、地噪声的问题，不仅仅是考虑供电电源的自身电平稳定问题，还是解决高速信号的可靠性问题的重要因素。

高速PCB的电源设计首先要理清电源树，分析电源通道合理性。

首先，在大电流的载流能力上，必须在考虑裕量的前提下分配恰当的布线宽度；同时，因为实际布线有电阻，从电源输出端到实际负载的路线上有压降，而高速电路器件的电压特别是core电压往往很低，压降对供电效果有直接的影响。电流的载流能力，与线宽、内外层、铜厚度、允许温升相关。

其次，在电源的滤波效果上，需要考虑电源的阻抗。因为电源通道实际上不是一个理想的通道，而是有电阻和阻抗的，高速电路在门电路翻转时需要瞬间的电源供给，而电流从电源模块给各个门电路翻转提供能量是需要各级路径分配的，需要时间，这可理解为一个分级充电的过程，



图6：门电路翻转供电路径

可以看到，在高频状态下，器件管脚上的电流首先是由电源、地平面组成的平板电容来供电的，因为由他们组成的供电系统阻抗最低。供电速度最快，但是，这个平板电容存储的电量太小，他们的电荷由小的滤波电容提供，小滤波电容的电荷再由大的BULK储能电容提供，然后开关电源通过电流通道给BULK电容充电，之所以这样，是因为开关电源仅在几K的频率下是低阻抗的、BULK电容仅在几兆的频率下是低阻抗的，小滤波电容仅在几十兆到几百兆的频率下是低阻抗的，电流只有通过层层充电，才能到达器件管脚，满足瞬时供电的需要。Cadence也提供了一个PI分析模块，来分析在不同的功耗下电源平面的阻抗，以及滤波电容的选择是否合理。

这个PI仿真工具的理论基础是传输线，采用有限元的方式对电源平面进行划分，把电源和相应的地平面匹配成一对平板电容，并划分成几个区域，如图所示：



工具采用频域分析的方式，板上各个小块的阻抗进行分析，最后得到各点的阻抗图：



如果发现某个区域的点的阻抗在目标阻抗以上，就通过重新分配电源平面，或增加滤波电容，降低这个点的目标阻抗，增强对器件管脚的滤波能力。