集成系统PCB板设计的技术(一)

　　目前的电子设计大多是集成系统级设计，整个项目中既包含硬件整机设计又包含软件开发。这种技术特点向电子工程师提出了新的挑战。首先，如何在设计早期将系统软硬件功能划分得比较合理，形成有效的功能结构框架，以避免冗余循环过程；其次，如何在短时间内设计出高性能高可靠的PCB板。因为软件的开发很大程度上依赖硬件的实现，只有保证整机设计一次通过，才会更有效的缩短设计周期。 本文论述在新的技术背景下，系统板级设计的新特点及新策略。
　　众所周知，电子技术的发展日新月异，而这种变化的根源，主要一个因素来自芯片技术的进步。半导体工艺日趋物理极限，现已达到深亚微米水平，超大规模电路成为芯片发展主流。而这种工艺和规模的变化又带来了许多新的电子设计瓶颈，遍及整个电子业。板级设计也受到了很大的冲击，最明显的一个变化是芯片封装的种类极大丰富，如BGA，TQFP，PLCC等封装类型的涌现；其次，高密度引脚封装及小型化封装成为一种时尚，以期实现整机产品小型化，如：MCM技术的广泛应用。另外，芯片工作频率的提高，使系统工作频率的提高成为可能。
　　而这些变化必然给板级设计带来许多问题和挑战。首先，由于高密度引脚及引脚尺寸日趋物理极限，导致低的布通率；其次，由于系统时钟频率的提高，引起的时序及信号完整性问题；第三，工程师希望能在PC平台上用更好的工具完成复杂的高性能的设计。由此，我们不难看出，PCB板设计有以下三种趋势：
　　---高速数字电路（即高时钟频率及快速边沿）的设计成为主流。
　　---产品小型化及高性能必须面对在同一块板上由于混合信号设计技术（即数字、模拟及射频混合设计）所带来的分布效应问题。
　　---设计难度的提高，导致传统的设计流程及设计方法，以及PC上的CAD工具很难胜任当前的技术挑战，因此，EDA软件工具平台从UNIX转移到NT平台成为业界公认的一种趋势。
　　高速数字系统PCB板解决方案
　　一般情况下，当信号的互连延迟大于边沿信号翻转阀值时间的20%时，板上的信号导线就会显示出传输线效应，即连线不再是显示集总参数的单纯的导线性能，而是呈现分布参数效应，这种设计即为高速设计。
　　在高速数字系统设计中，设计者必须解决由寄生参数所导致的错误翻转及信号失真问题－即时序和信号完整性问题。目前这也是高速电路设计者必须解决的瓶颈问题。
　　传统的物理规则驱动
　　我们可以发现在传统的高速电路设计中，电气规则设定和物理规则设定是分开的。这就带来了以下的缺陷：
　　---在设计早期工程师不得不花费很多精力进行详尽的前后端（即，逻辑建立－物理实现）分析，以规划出满足电气需求的物理布线策略。
　　---高速效应是一个复杂的课题，不能简单的通过布线长度及并行线的控制达到预期的效果。
　　---设计者必然会面对这样的困境，带有假象成分的物理规则在实际布线中根本不适用，他不得不反复进行规则修改，使其具有实用价值。
　　---当布线完成之后，可以用后验证工具进行分析。但如果发现问题，工程师必须返回到设计中，进行结构或规则的调整。这是一个循环的冗余过程。必然会影响产品上市时间。
　　---当设计中仅有几根或几十根关键线网时，物理规则驱动可以很好的完成设计任务；但当设计中几百根，甚至几千根线网时，物理规则驱动的方法就根本无法胜任设计任务。
　　电子技术的发展呼唤新方法、新工具出现，来解决设计面临的瓶颈问题。为解决物理规则驱动高速设计的缺陷，业界从事高速数字电路设计EDA工具研发的有识之士，在三年前提出了实时电气规则驱动物理布局布线的构想，从设计思想上对高速数字设计流程进行了改革。
　　全新的电气规则驱动：互连综合
　　---互联综合是实时电气规则驱动方法的一个典型术语，即在物理布局布线过程中，互联综合器实时根据电气规则约束条件，进行分析，提取出满足设计者要求的布线策略，使设计一次通过成功。这种方法通过互联综合将电气需求和物理实现精确的集成起来，从根本上消除物理规则驱动方法的缺陷。
　　互联综合流程如下：
　　---在工具中输入噪声约束及时序约束规则；
　　---时序控制布局，使之满足时序约束要求；
　　---执行信号完整性预优化；
　　---板级综合，确保关键线网满足电气需求；
　　---完成普通线网的布线；
　　---布线综合优化。
　　通过电气规则驱动的方法就能有效的在设计布局布线之前进行质量评估，检测信号失真情况，确定匹配的线网拓扑结构及恰当的终端匹配结构和阻值。在完成布局布线后，可进行后验证，用软件示波器直观的检测波形。对于这时所发现的时序及失真问题，可用布线综合优化功能予以解决。