胡宗海，趙 彥，王立平，曹立勇，姚程寬(.安慶醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校 公共基礎(chǔ)部，安徽 安慶 4605；.福州瑞星微電子有限公司，福州 350003)

PCB設(shè)計(jì)流程的改進(jìn)研究

胡宗海1，趙 彥2，王立平1，曹立勇1，姚程寬1
(1.安慶醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校 公共基礎(chǔ)部，安徽 安慶 246052；2.福州瑞星微電子有限公司，福州 350003)

為更好地適應(yīng)集成電路產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，針對(duì)傳統(tǒng)的印刷電路板設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了改進(jìn)，引入中心庫并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)在原理圖設(shè)計(jì)和印刷電路板設(shè)計(jì)之間引入了一個(gè)公共數(shù)據(jù)庫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法在縮短印刷電路板的設(shè)計(jì)周期和降低設(shè)計(jì)成本方面有明顯改善。

原理圖設(shè)計(jì)；印刷電路板設(shè)計(jì)；混沌理論；蔡氏電路

印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)是電子元器件的支撐體，是電子元器件電氣連接的載體。電子元器件在PCB的支撐下協(xié)同工作[1]。PCB采用電子印刷技術(shù)制作，在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的背景下，可以極大降低人工生產(chǎn)的接線差錯(cuò)，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的插裝、焊接以及檢測等，在降低成本的同時(shí)，提高了質(zhì)量，也提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，PCB的設(shè)計(jì)也面臨了更多的挑戰(zhàn)。本文針對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了改進(jìn)，引入中心庫并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

1 PCB設(shè)計(jì)的總體流程

PCB的設(shè)計(jì)流程可以分為2個(gè)階段(如圖1所示)。第1個(gè)階段主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)原理圖的設(shè)計(jì)，創(chuàng)建原理模型環(huán)境，屬于邏輯設(shè)計(jì)，在此過程中，設(shè)計(jì)人員完成對(duì)PCB原型的邏輯實(shí)現(xiàn)，并在其中完成相關(guān)約束條件設(shè)置。第2個(gè)階段要完成對(duì)PCB模型的物理實(shí)現(xiàn)，針對(duì)原型的不同具體物理情況，進(jìn)行針對(duì)性的布局和布線設(shè)計(jì)。在此過程中，為了實(shí)現(xiàn)相關(guān)的電器特性，需要對(duì)設(shè)計(jì)中的網(wǎng)絡(luò)圖或IC等進(jìn)行約束設(shè)置，才能輸出最終的設(shè)計(jì)文件[2-3]。

隨著IC技術(shù)的不斷發(fā)展，在促進(jìn)PCB設(shè)計(jì)發(fā)展的同時(shí)，也對(duì)PCB設(shè)計(jì)提出了新的要求，比如差分對(duì)布線、BGA封裝、低壓元器件設(shè)計(jì)和高速接口設(shè)計(jì)等，元器件的數(shù)量在不斷增加，導(dǎo)致了更多的緊密容差電路的高速約束。這些要求都對(duì)PCB的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程增加了不確定性。

設(shè)計(jì)人員如果在PCB物理實(shí)現(xiàn)的第2階段才發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的缺陷或者錯(cuò)誤，將付出較高的代價(jià)來修正，甚至需要重新開始一個(gè)設(shè)計(jì)周期，因?yàn)樵谌莶铍娐返木o密布線中，一個(gè)信號(hào)的改變會(huì)造成多個(gè)信號(hào)的影響，大量的返工會(huì)直接導(dǎo)致成本上升和時(shí)間延遲[4-5]。

2 改進(jìn)的PCB設(shè)計(jì)流程

2.1 總體設(shè)計(jì)思想

為改善上文中提到的這些缺陷，在設(shè)計(jì)流程中主要進(jìn)行了4個(gè)方面的改進(jìn)[6-7]：

1)引入中心庫(Central Library)，中心庫包含設(shè)計(jì)需要的各種資源，如Symbol，Cell以及Part等，為了更好地使用這些資源，采用蔡氏混沌系統(tǒng)(Chua’s Chaotic System)，得到了含參控制系統(tǒng)為資源的使用提供決策支持。

2)將邏輯設(shè)計(jì)過程及其與中心庫的各種關(guān)聯(lián)規(guī)范化為一個(gè)單元，命名為DxDesigner(以下簡稱DxD)，主要用于實(shí)現(xiàn)原理圖設(shè)計(jì)。

3)將物理設(shè)計(jì)過程及其與中心庫的各種關(guān)聯(lián)規(guī)范化為一個(gè)單元，命名為Expedition(以下簡稱ExP)，主要作用是實(shí)現(xiàn)布局布線設(shè)計(jì)。

4)在原理圖設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)之間加入一個(gè)公共數(shù)據(jù)庫，各種網(wǎng)絡(luò)連接信息和元器件信息存放在這個(gè)公共數(shù)據(jù)庫中，便于提高數(shù)據(jù)的完整性和有效性。

設(shè)計(jì)流程被定義為3個(gè)模塊和1個(gè)數(shù)據(jù)庫。3個(gè)模塊分別是中心庫、DXD和EXP，模塊之間相互聯(lián)系，互為支撐，形成無縫連接[8-9]。設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 引入中心庫的3模塊PCB設(shè)計(jì)流程

2.2 中心庫(Central Library)

從圖2中可以看到，整個(gè)設(shè)計(jì)流程由3個(gè)部分組成。第1步，創(chuàng)建中心庫，包括庫內(nèi)的資源和管理；第2步，創(chuàng)建PCB的原理圖(DxD)；第3步，進(jìn)行PCB的布局布線設(shè)計(jì)。貫穿整個(gè)流程的中心工作是對(duì)中心庫的操作[10-11]。

2.2.1 中心庫的管理層次

中心庫按照資源類別進(jìn)行分類管理，分類規(guī)則滿足數(shù)據(jù)完整性和連續(xù)性，其管理層次圖如圖3所示。2.2.2 中心庫中引入混沌系統(tǒng)

對(duì)于中心庫中各種資源的需求是非線性的，采用經(jīng)典蔡氏混沌系統(tǒng)(Chua’s chaotic system)[12-13]來模擬這種非線性現(xiàn)象。蔡氏混沌系統(tǒng)的無量綱方程為：

合理設(shè)定蔡氏混沌系統(tǒng)的期望值，將其鎮(zhèn)定到期望的目標(biāo)軌跡上來，同時(shí)要確保跟蹤誤差的界。通過蔡氏混沌系統(tǒng)的非線性模擬，實(shí)現(xiàn)對(duì)中心庫的優(yōu)化模擬。

圖3 中心庫管理層次

2.3 原理圖設(shè)計(jì)(DxDesigner)和PCB設(shè)計(jì)(Expedition)

從圖2可以看到，首先需要將CentralLibrary中的各種資源，如Symbol、Part及Cell等調(diào)入DxD環(huán)境中，才能進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)。這里有2個(gè)途徑，從DxDataBook數(shù)據(jù)庫中調(diào)入，或者是從CentralLibrary中調(diào)入[14-15]。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程為：原理圖設(shè)計(jì)→封裝→PCB設(shè)計(jì)。新的設(shè)計(jì)流程是：增加一個(gè)公共數(shù)據(jù)庫(CommonDataBase，CDB)，公共數(shù)據(jù)庫的作用則是為DxD和ExP之間提供了有效、完整、無縫的數(shù)據(jù)交換。CDB中的文件格式需要滿足兩邊的模塊都能讀取，在CDB編譯之后，就對(duì)設(shè)計(jì)過的原理圖進(jìn)行封裝。之后ExP從文件中獲得CDB中的各種元器件信息和相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)信息，進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)[16]。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

采用MentorGraphices的ExpeditionPCB設(shè)計(jì)軟件，實(shí)驗(yàn)過程包括設(shè)計(jì)到打樣。在信號(hào)完整性要求為100%，布通率要求分別在90%，95%，100%時(shí)，主要比較2個(gè)指標(biāo)：設(shè)計(jì)周期和設(shè)計(jì)成本。在布通率為90%時(shí)普通設(shè)計(jì)流程測定的2個(gè)指標(biāo)值為初始值100%。結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 設(shè)計(jì)成本比較

圖5 設(shè)計(jì)周期比較

從圖4和圖5可以看出，經(jīng)過改進(jìn)的PCB設(shè)計(jì)流程在提高布通率的同時(shí)，縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成本。

4 結(jié)語

按照摩爾定律的預(yù)計(jì)，集成電路中晶體管的數(shù)量還會(huì)繼續(xù)不斷增加，同時(shí)器件運(yùn)行速度的提升和脈沖沿上升周期縮短，以及管腳數(shù)量的不斷增加，這些都加劇了PCB設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期延長，設(shè)計(jì)成本增加。在缺乏一整套系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下，本文提出的設(shè)計(jì)方法能有效提高一般設(shè)計(jì)流程的設(shè)計(jì)效率。PCB作為高端電子行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，又屬于多學(xué)科的行業(yè)，隨著更多的科研和設(shè)計(jì)人員加入進(jìn)來，PCB領(lǐng)域的發(fā)展會(huì)不斷前進(jìn)。

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“計(jì)量”是“將數(shù)字用于加、減、乘、除運(yùn)算”嗎？

問：“計(jì)量”定義為“將數(shù)字用于加、減、乘、除運(yùn)算”正確嗎？

答：GB/T 15835—2011《出版物上數(shù)字用法》3.1節(jié)中確實(shí)將術(shù)語“計(jì)量”定義為“將數(shù)字用于加、減、乘、除運(yùn)算”。這里混淆了“計(jì)量”和“計(jì)算”2個(gè)含義不相同的概念。

《現(xiàn)代漢語詞典》的普及性釋義：“計(jì)量，把一個(gè)暫時(shí)未知的量與一個(gè)已知的量比較，如用尺量布，用溫度計(jì)量體溫?！备鼮榭茖W(xué)的定義是：“實(shí)現(xiàn)單位統(tǒng)一和量值準(zhǔn)確可靠的測量”稱為“計(jì)量”?？梢姡?jì)量的目的是為了確定被計(jì)量對(duì)象的量值，計(jì)量本身是一種測量。這里的“量”是物理量的簡稱，指的“是現(xiàn)象、物體或物質(zhì)可以定性區(qū)別和定量確定的一種屬性”，不同于日常生活中常用的數(shù)事物的個(gè)數(shù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)目的術(shù)語“計(jì)數(shù)”。計(jì)量使用的是計(jì)量單位，如米、千克、秒、安[培]等；而計(jì)數(shù)量使用的是計(jì)數(shù)單位，如個(gè)、只、次、條、種、根、件、遍等。計(jì)量的普及性定義中的“一個(gè)已知的量”，其實(shí)就是計(jì)量單位，凡是測量得到的量值，都應(yīng)包含有計(jì)量單位。而“將數(shù)字用于加、減、乘、除運(yùn)算”的結(jié)果，仍然是數(shù)字，并不是量。很顯然，“將數(shù)字用于加、減、乘、除運(yùn)算”作為“計(jì)量”的定義是錯(cuò)誤的，它僅可以作為純數(shù)學(xué)的術(shù)語“計(jì)算”的定義。

——摘自http://zhaodal.blog.163.com

Research on the Designing Process for PCB

HUZonghai1，ZHAOYan2，WANGLiping1，CAOLiyong1，YAOChengkuan1

(1.Department of Common Basic，Anqing Medical and Pharmaceutical College，Anqing 246052，China；2.Fuzhou Rockchip Electronics Co.，Ltd.，F(xiàn)uzhou 350003，China)

With the rapid development of IC， PCB， as the carrier of IC， is facing more challenges. In this paper，the traditional designing process is modified by the import of Central Library，and is optimized . Meanwhile，a public database is introduced between schematic designing and PCB designing. The experimental results demons trate that the method presented in this paper has good effects both on shortening designing cycle and cost reduction.

schematic designing； PCB design； chaos theory； chua’s circuit

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2017.01.004

2016-10-18

安徽省教育廳高校優(yōu)秀青年人才支持計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(gxyqZD2016508)；安徽省教育廳高校優(yōu)秀中青年骨干人才國外訪學(xué)研修重點(diǎn)項(xiàng)目(gxfxZD2016337)；安徽省教育廳省級(jí)質(zhì)量工程重點(diǎn)教學(xué)研究項(xiàng)目(2016jyxm0632) 第一作者簡介：胡宗海(1983—)，男，講師，碩士，研究方向：動(dòng)力系統(tǒng)控制、同步、混沌。 通信作者簡介：姚程寬(1974—)，男，副教授，碩士，研究方向：PCB編程研究，電子郵箱：yaochengkuan@sohu.com。

TN402

A

2095-5383(2017)01-0016-04