基于PROTEL的高速PCB設計

　　探討使用PROTEL設計軟件實現高速電路印制電路板設計的過程中，需要注意的一些布局與布線方面的相關原則問題，提供一些實用的、經過驗證的高速電路布局、布線技術，提高了高速電路板設計的可靠性與有效性。結果表明，該設計縮短了產品研發周期，增強市場競爭能力。

　　1問題的提出

　　隨著電子系統設計復雜性和集成度的大規模提高，時鐘速度和器件上升時間越來越快，高速電路設計成為設計過程的重要部分。在高速電路設計中，電路板線路上的電感與電容會使導線等效成為一條傳輸線。端接元件的布局不正確或高速信號的錯誤布線都會引起傳輸線效應問題，從而使系統輸出不正確的數據、電路工作不正常甚至完全不工作。基于傳輸線模型，歸納起來，傳輸線會對電路設計帶來信號反射、串擾、電磁干擾、電源與接地噪聲等不良效應。

　　為了設計出能夠可靠性工作的高速PCB電路板，必須對設計進行充分細致的考慮，解決布局布線時可能產生的一些不可靠的問題，縮短產品的研發周期，提高市場競爭力。

　　2高頻系統的布局設計

　　在電路的PCB設計中，布局是一個重要的環節，布局結果的好壞將直接影響布線的效果和系統的可靠性，這在整個印制電路板設計中最耗時也最難。高頻PCB的復雜環境使得高頻系統的布局設計很難用學到的理論知識來進行，它要求布板的人必須有豐富的高速PCB制板經驗，這樣才能在設計過程中少走彎路，提高電路工作的可靠性與有效性。在布局的過程中，應當從機械結構、散熱、電磁干擾、將來布線的方便性、美觀性等方面綜合考慮。

　　首先，在布局之前先對整個電路進行功能劃分，將高頻電路與低頻電路分開、模擬電路與數字電路分開，每個功能電路以芯片為中心盡量靠近布置，其連線越短越好，以避免導線過長所導致的傳輸延遲，提高電容的去耦效果。此外，還要注意管腳與電路元件以及其他管子之間的相對位置和方向，以減少相互之間的影響。所有的高頻元器件應遠離機殼和其他金屬板以減小寄生耦合。

　　其次，布局時應注意元器件之間的熱影響和電磁影響，這些影響對高頻系統尤為嚴重，應采取遠離或隔離、散熱和屏蔽措施。大功率整流管和調整管等應該裝有散熱器，并要遠離變壓器。電解電容器之類的怕熱元件應該遠離發熱元件，否則電解液會被烤干，造成電阻增大、性能變差，影響電路的穩定性。在布局時應該留有足夠的空間來安排防護結構，并防止引入各種寄生耦合。為防止印刷電路板上線圈之間的電磁耦合，兩個線圈應呈直角放置，為了減小耦合系數。還可以采用立板隔離的方法。最好直接用其元件的引線焊接在電路上，引線越短越好，不要用接插件和焊片，因為相鄰焊片間存在分布電容和分布電感。晶體振蕩器、RIN、模擬電壓、參考電壓信號走線周圍避免放置高噪聲元器件。

　　最后，在保證內在質量和可靠性的同時，兼顧整體的美觀，進行合理的電路板規劃，元器件應平行或垂直板面，并和主要的板邊平行或垂直。元器件在板面上分布應盡量均勻，密度一致。這樣，不但美觀而且裝焊容易，易于批量生產。

　　3高頻系統的布線

　　在高頻電路中，連接導線的電阻、電容、電感和互感的分布參數是不可忽視的，從抗干擾的角度考慮，合理布線就是要設法減小電路中的線阻、分布電容、雜散電感，把由此產生的雜散磁場降低到最小的程度，從而使電路的分布電容、漏磁通、電磁互感以及其他由噪聲所引起的干擾得到抑制。

　　PROTEL設計工具在國內的應用已經相當普遍，然而，不少設計者僅僅關注于“布通率”，對PROTEL設計工具為適應器件特性的變化所做的改進并未用于設計中，這不僅使得設計工具資源浪費較為嚴重，更使得很多新的器件的優異性能難以發揮。

　　下面介紹PROTEL99 SE工具能提供的一些特殊功能。

　　(1)高頻電路器件管腳間的引線彎折越少越好，最好采用全直線，需要彎折時，可用45°折線或圓弧彎折，這樣可以減少高頻信號對外發射和相互間的耦合。用PROTEL布線時可在“Design”菜單“rules”中的“Routing Corners”中選擇45-Degrees或Rounded.也可以用shift+space鍵進行線形的快速切換。

　　(2)高頻電路器件管腳間的引線越短越好。

　　PROTEL 99滿足布線最短化的最有效的手段是在自動布線前對個別重點的高速網絡的進行布線預約。在“Design”菜單“rules”中的“Routing Topology”中選擇shortest.

　　(3)高頻電路器件管腳間的引線層間交替越少越好。即元件連接過程中所用的過孔越少越好。

　　一個過孔可帶來約0.5pF的分布電容，減少過孔數能顯著提高速度。

　　(4)高頻電路布線，要注意信號線進距離平行走線所引入的“交叉干擾”即串擾。若無法避免平行分布，可在平行信號線的反面布置大面積“地”

　　來大幅度減少干擾。同一個層內的平行走線幾乎無法避免，但是在相鄰的兩個層，走線的方向務必取為相互垂直，這在PROTEL中不難做到但卻容易忽視。在“Design”菜單“rules”中的“RoutingLayers”中Toplayer選擇Horizontal，BottomLayer選擇Vertical.除此之外，在“place”中提供了“Polygonplane”

　　的功能，即多邊形柵格銅箔面，如果在放置時，就把多邊形取為整個印制電路板的一個面，并把此敷銅與電路的GND連通，這樣就能提高高頻抗干擾能力，還對散熱、印板強度等有較大的好處。

　　(5)對特別重要的信號線或局部單元實施地線包圍的措施。在“Tools”中提供了“outline selectedobjects”，利用此功能可以自動地對所選定的重要信號線進行“包地”處理(如振蕩電路LT和X1)。

　　(6)一般電路電源線與接地線設置要比信號線寬，可以利用“Design”菜單中的“Classes”對網絡進行分類，分為電源網絡與信號網絡，結合布線規則的設置就可以方便的進行電源線與信號線的線寬切換。

　　(7)各類走線不能形成環路，地線也不能形成電流環路。如果產生環路電路，將在系統中產生很大的干擾。對此可以采用菊花鏈的布線方式，能有效避免布線時形成環路、分枝或者形成樹樁，但是也會帶來不容易布線的問題。

　　(8)根據各種芯片的資料和設計，估算該電源線路所通過的電流，確定所需要的導線寬度。根據經驗公式可以得到：W(線寬)≥L(mm/A)×I(A)。