如何優化 PCB 布線規則？

在 PCB 布線中不使用規則可能會出現的問題。

設計中可使用的不同類型 PCB 布線規則。

如何在 PCB 布線中應用規則和約束。

“限制”一詞通常具有負面色彩，會引起人們的警惕。但實際上，對于整體的正向發展而言，限制或是規則非常重要；一如我們從小就要學會遵守社會與法律規則。

同理，為 PCB 制定規則應當受到重視。雖然為此需要花費時間進行研究并投入精力，但設置這些限制條件并按照規則布線，可以避免設計以失敗告終。下文中，我們將探討 PCB 布線規則的重要性，以及使用這些規則對于設計有何益處。

在 PCB 布線中不使用規則和約束會出現哪些問題？

在 PCB 設計中使用約束和規則有很多原因。約束和規則可以讓設計變得更有條理，它們可以在原理圖和 layout 之間傳遞重要信息。不過最重要的是避免制造問題，確保電路板的電氣性能。設計規則可以解決的問題包括——

1

制造問題

如果器件之間擺放距離太近或方向不正確，可能難以正確組裝或焊接。此外，自動插件機可能無法根據需求放置元件，而進行人工組裝的技術人員則可能無法將工具和焊接材料放入狹小的區域。這些元件之間的距離越近，就越有可能造成不良影響，因為熱烙鐵或其他工具會影響到附近的器件。

電路板上的金屬如果過于靠近其他金屬元素，也可能在制造過程中引發問題。例如形成焊料碎片，導致間歇性短路，并且這種短路很難被發現和糾正。焊料還可能使走線或焊盤之間橋接，造成直接短路。如果連接到大面積金屬的元件（如連接到接地平面的小型表面貼裝旁路電容器）沒有正確的熱風焊盤，則可能無法正確焊接。

2

電氣性能問題

如果用于導電的走線寬度不夠，則可能無法滿足電流承載能力。有些走線還必須具有精確的寬度，以控制走線阻抗。其他走線需要按特定長度布線，或與類似網絡的長度相匹配。差分對必須整齊地并排布線。還有一些走線可能需要按特定的模式或“拓撲結構”布線。所有走線和與之并排、位于其上方或下方的其他走線之間，可能有間距要求。

過去，我們可以將 PCB 設計圖導入自動布線器，最后得到一塊完整布線且運行完美的電路板。但這種方法如今不再適用。如果在走線布線寬度、間距、長度和拓撲結構方面稍有疏忽，最終可能出現大量的信號完整性問題，包括串擾、反射、接地反彈和電磁干擾。

遵守 PCB 設計規則和約束不再是一種“高級需求”，而是滿足各種設計制造和電氣性能要求的必要條件。因此，接下來的問題是，設計工具中有哪些約束條件可以幫助我們達成這一目標。

在 Cadence Allegro X Design Platform 的規則管理器中，可以針對很多方面設置 PCB 設計規則和約束，例如差分對。

有哪些不同的 PCB 布線規則？

針對 PCB 設計布線，可以設置許多不同的規則和約束。我們先介紹器件的一些非布線規則，這些規則即便并不針對布線，最終也會對布線產生影響。

器件

可以為器件設置的規則包括與其他元件、設計元素和電路板輪廓特征（如切口）之間的間隙。此類元件間隙可以是與單個器件之間的間隙，也可以是與一組（類）器件之間的間隙。還可以設置約束條件，規定元件可以放置在電路板的哪一面，或因高度或性能原因不能將元件放置在某些特定區域。

走線寬度

可以為設計中的大部分網絡、特定網絡或網絡類別設置默認的走線寬度。可為受控阻抗布線寬度、差分對寬度或其他敏感網絡（如時鐘線路）附加這些約束條件。

在某些情況下，可能需要減少走線寬度，以實現狹小區域布線，這就是所謂的“走線縮頸”。

可能還需要以超大寬度布線，以滿足電源要求，或針對射頻設計頻繁更改走線寬度。

走線間隙

可以設置走線間隙約束，來控制走線到走線、走線到焊盤、走線到過孔、走線到其他金屬以及走線到其他元素（如鉆孔或電路板邊緣）的間隙。根據設計要求，還可為電路板的特定區域或層設置額外的間隙規則。

走線布線

除了基本的寬度和間隙設置外，可能還需要更精細地控制走線的布線方式。其中可能包括走線的最小和最大長度，或使用蛇形布線使一條走線的長度與其他走線的長度相匹配。可能還需要對走線設置拓撲約束，以確保走線遵循特定的模式，如用于 DDR 內存布線模式的“T 型拓撲”或“Fly-By 飛越拓撲。

過孔

通過規則，可以在 Allegro X Design Platform 中指定過孔類型。Allegro X 中的差分對規則設置將用于單個網絡或不同網絡類別。其中包括通孔、盲孔、埋孔和微孔。還可以指定這些過孔的結構，例如盲孔和埋孔的層跨度。此外，還可以控制過孔與電路板上的器件和其他元素之間的間隙。

平面

通過規則，可以控制電源平面和接地平面如何通過熱風焊盤連接到走線和器件。可以指定平面中的最小金屬寬度，以及平面是由實心圖案還是交叉圖案組成。與其他約束一樣，也可以控制平面與走線、過孔和其他電路板元素的間隙。

以上我們僅列舉了其中的一部分規則，可以利用它們輔助進行電路板布線。下一步是將這些規則添加到設計中。

在原理圖中將網絡分配到對應的類別，可以省去很多麻煩。

設置規則和約束的設計技巧

可以在原理圖或 layout 中為 PCB 布線設置設計約束和規則。在 Allegro X 等工具中，我們可以輕松地在原理圖中創建和分配網絡類別，如上圖所示。使用該工具，我們可以設置特定的寬度和間隙規則，然后將這些規則附加到我們創建的網絡類別上。

對于 layout，我們可以使用同一套規則條件。許多設計人員會設置各種不同的寬度和間隙值，以及長度和拓撲結構。Allegro X 提供不同的仿真(Taiwan:模擬)和分析工具，允許我們根據信號的時序確定需要的走線長度。高級規則（如走線長度）可通過專門的布線功能進行控制，允許我們在 layout 中創建蛇形布線。

另一個技巧是充分使用工具的所有功能來幫助我們設置規則。Allegro X 的 Constraint Manager （規則管理器）中有許多功能，可以設置整套規則的默認值，免去手動輸入每個值的麻煩。

我們還可以復制和粘貼各種規則。操作完成后，不要忘了保存規則，以便后續重復使用。這樣，我們就可以為規則和約束文件建立一個資源庫，方便在以后的設計中使用。

如圖所示，在 Allegro X 中，可通過約束來設置接地平面的連通圖。

在 Allegro X 中使用規則驅動的布線功能

如果沒有設置適當的走線布線寬度、間隙、長度和拓撲結構，我們的 PCB 設計可能很快會面臨大量的信號完整性問題。再加上還必須遵循其他設計要求，建立一個完整而全面的設計約束和規則系統很有必要。