PCB设计流程的改进研究

胡宗海，赵 彦，王立平，曹立勇，姚程宽(.安庆医药高等专科学校 公共基础部，安徽 安庆 4605；.福州瑞星微电子有限公司，福州 350003)

PCB设计流程的改进研究

胡宗海1，赵 彦2，王立平1，曹立勇1，姚程宽1
(1.安庆医药高等专科学校 公共基础部，安徽 安庆 246052；2.福州瑞星微电子有限公司，福州 350003)

为更好地适应集成电路产业的高速发展，针对传统的印刷电路板设计方法进行了改进，引入中心库并对其进行优化，同时在原理图设计和印刷电路板设计之间引入了一个公共数据库。实验结果表明：该方法在缩短印刷电路板的设计周期和降低设计成本方面有明显改善。

原理图设计；印刷电路板设计；混沌理论；蔡氏电路

印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的载体。电子元器件在PCB的支撑下协同工作[1]。PCB采用电子印刷技术制作，在大规模工业化生产的背景下，可以极大降低人工生产的接线差错，并实现自动化的插装、焊接以及检测等，在降低成本的同时，提高了质量，也提高了劳动生产率。随着集成电路产业的高速发展，PCB的设计也面临了更多的挑战。本文针对传统的设计方法进行了改进，引入中心库并对其进行优化。

1 PCB设计的总体流程

PCB的设计流程可以分为2个阶段(如图1所示)。第1个阶段主要是实现对原理图的设计，创建原理模型环境，属于逻辑设计，在此过程中，设计人员完成对PCB原型的逻辑实现，并在其中完成相关约束条件设置。第2个阶段要完成对PCB模型的物理实现，针对原型的不同具体物理情况，进行针对性的布局和布线设计。在此过程中，为了实现相关的电器特性，需要对设计中的网络图或IC等进行约束设置，才能输出最终的设计文件[2-3]。

随着IC技术的不断发展，在促进PCB设计发展的同时，也对PCB设计提出了新的要求，比如差分对布线、BGA封装、低压元器件设计和高速接口设计等，元器件的数量在不断增加，导致了更多的紧密容差电路的高速约束。这些要求都对PCB的传统设计流程增加了不确定性。

设计人员如果在PCB物理实现的第2阶段才发现设计中的缺陷或者错误，将付出较高的代价来修正，甚至需要重新开始一个设计周期，因为在容差电路的紧密布线中，一个信号的改变会造成多个信号的影响，大量的返工会直接导致成本上升和时间延迟[4-5]。

2 改进的PCB设计流程

2.1 总体设计思想

为改善上文中提到的这些缺陷，在设计流程中主要进行了4个方面的改进[6-7]：

1)引入中心库(Central Library)，中心库包含设计需要的各种资源，如Symbol，Cell以及Part等，为了更好地使用这些资源，采用蔡氏混沌系统(Chua’s Chaotic System)，得到了含参控制系统为资源的使用提供决策支持。

2)将逻辑设计过程及其与中心库的各种关联规范化为一个单元，命名为DxDesigner(以下简称DxD)，主要用于实现原理图设计。

3)将物理设计过程及其与中心库的各种关联规范化为一个单元，命名为Expedition(以下简称ExP)，主要作用是实现布局布线设计。

4)在原理图设计和PCB设计之间加入一个公共数据库，各种网络连接信息和元器件信息存放在这个公共数据库中，便于提高数据的完整性和有效性。

设计流程被定义为3个模块和1个数据库。3个模块分别是中心库、DXD和EXP，模块之间相互联系，互为支撑，形成无缝连接[8-9]。设计流程图如图2所示。

图2 引入中心库的3模块PCB设计流程

2.2 中心库(Central Library)

从图2中可以看到，整个设计流程由3个部分组成。第1步，创建中心库，包括库内的资源和管理；第2步，创建PCB的原理图(DxD)；第3步，进行PCB的布局布线设计。贯穿整个流程的中心工作是对中心库的操作[10-11]。

2.2.1 中心库的管理层次

中心库按照资源类别进行分类管理，分类规则满足数据完整性和连续性，其管理层次图如图3所示。2.2.2 中心库中引入混沌系统

对于中心库中各种资源的需求是非线性的，采用经典蔡氏混沌系统(Chua’s chaotic system)[12-13]来模拟这种非线性现象。蔡氏混沌系统的无量纲方程为：

合理设定蔡氏混沌系统的期望值，将其镇定到期望的目标轨迹上来，同时要确保跟踪误差的界。通过蔡氏混沌系统的非线性模拟，实现对中心库的优化模拟。

图3 中心库管理层次

2.3 原理图设计(DxDesigner)和PCB设计(Expedition)

从图2可以看到，首先需要将CentralLibrary中的各种资源，如Symbol、Part及Cell等调入DxD环境中，才能进行原理图设计。这里有2个途径，从DxDataBook数据库中调入，或者是从CentralLibrary中调入[14-15]。

传统的设计流程为：原理图设计→封装→PCB设计。新的设计流程是：增加一个公共数据库(CommonDataBase，CDB)，公共数据库的作用则是为DxD和ExP之间提供了有效、完整、无缝的数据交换。CDB中的文件格式需要满足两边的模块都能读取，在CDB编译之后，就对设计过的原理图进行封装。之后ExP从文件中获得CDB中的各种元器件信息和相关的网络互联信息，进行PCB设计[16]。

3 实验设计及结果

采用MentorGraphices的ExpeditionPCB设计软件，实验过程包括设计到打样。在信号完整性要求为100%，布通率要求分别在90%，95%，100%时，主要比较2个指标：设计周期和设计成本。在布通率为90%时普通设计流程测定的2个指标值为初始值100%。结果如图4和图5所示。

图4 设计成本比较

图5 设计周期比较

从图4和图5可以看出，经过改进的PCB设计流程在提高布通率的同时，缩短了设计周期，降低了设计成本。

4 结语

按照摩尔定律的预计，集成电路中晶体管的数量还会继续不断增加，同时器件运行速度的提升和脉冲沿上升周期缩短，以及管脚数量的不断增加，这些都加剧了PCB设计的复杂程度，导致设计周期延长，设计成本增加。在缺乏一整套系统的经验数据的情况下，本文提出的设计方法能有效提高一般设计流程的设计效率。PCB作为高端电子行业的关键技术，又属于多学科的行业，随着更多的科研和设计人员加入进来，PCB领域的发展会不断前进。

[1]郭土华，徐晓.基于高速嵌入式系统的信号完整性分析[J].电子技术应用，2011，37(1)：55-57.

[2]毛忠宇.PCB设计软件未来5～10年发展趋势预测[J].印制电路信息，2016，24(9)：43-45.

[3]李俊杰，曹旭东，梁华庆，等.嵌入式应用系统中高速PCB设计技术的研究及实现[J].计算机测量与控制，2016(6)：268-270.

[4]王爱珍.高速数字PCB板设计中的信号完整性分析[J].现代电子技术，2009，32(1)：177-180.

[5]周彩霞，易江义.浅析PCB设计中的电磁兼容性[J].价值工程，2014(6)：39-40.

[6]李伟权.抗静电干扰的PCB设计[J].数字技术与应用，2015(2)：168-168.

[7]杨章平.高速PCB设计中的差分等长处理及仿真验证[J].通信技术，2015，48(5)：626-630.

[8]余娟.硬件电路设计流程与方法[J].电子世界，2014(16)：117-118.

[9]文开壹.串扰问题分析及对PCB设计的指导[J].电子技术，2014(2)：64-67.

[10]谢永祥.电子产品PCB设计及其可制造性分析[J].工程技术(文摘版)，2016(11)：88.

[11]刘东.PCB设计要点分析[J].科技传播，2014(21)：95.

[12]唐利.非线性电路的非线性特性及在混沌保密通信中应用的研究[D].湘潭：湖南科技大学，2015.

[13]鲍林云，周尚波，虞继敏，等.蔡氏电路的混沌仿真研究[J].山东工业技术，2015(1)：254-256.

[14]闫利平，陈庆奎.一种基于布局布线协同的PCB设计算法[J].计算机工程，2014，40(5)：309-312.

[15]万胜前.PCB设计工具升级问题探讨[J].鄂州大学学报，2016，23(5)：107-109.

[16]杨明亚，杨颖洁.基于VRML的虚拟现实研究[J].唐山师范学院学报，2013(2)：56-58.

“计量”是“将数字用于加、减、乘、除运算”吗？

问：“计量”定义为“将数字用于加、减、乘、除运算”正确吗？

答：GB/T 15835—2011《出版物上数字用法》3.1节中确实将术语“计量”定义为“将数字用于加、减、乘、除运算”。这里混淆了“计量”和“计算”2个含义不相同的概念。

《现代汉语词典》的普及性释义：“计量，把一个暂时未知的量与一个已知的量比较，如用尺量布，用温度计量体温。”更为科学的定义是：“实现单位统一和量值准确可靠的测量”称为“计量”。可见，计量的目的是为了确定被计量对象的量值，计量本身是一种测量。这里的“量”是物理量的简称，指的“是现象、物体或物质可以定性区别和定量确定的一种属性”，不同于日常生活中常用的数事物的个数、统计数目的术语“计数”。计量使用的是计量单位，如米、千克、秒、安[培]等；而计数量使用的是计数单位，如个、只、次、条、种、根、件、遍等。计量的普及性定义中的“一个已知的量”，其实就是计量单位，凡是测量得到的量值，都应包含有计量单位。而“将数字用于加、减、乘、除运算”的结果，仍然是数字，并不是量。很显然，“将数字用于加、减、乘、除运算”作为“计量”的定义是错误的，它仅可以作为纯数学的术语“计算”的定义。

——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.，Fuzhou 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

安徽省教育厅高校优秀青年人才支持计划重点项目(gxyqZD2016508)；安徽省教育厅高校优秀中青年骨干人才国外访学研修重点项目(gxfxZD2016337)；安徽省教育厅省级质量工程重点教学研究项目(2016jyxm0632) 第一作者简介：胡宗海(1983—)，男，讲师，硕士，研究方向：动力系统控制、同步、混沌。 通信作者简介：姚程宽(1974—)，男，副教授，硕士，研究方向：PCB编程研究，电子邮箱：yaochengkuan@sohu.com。

TN402

A

2095-5383(2017)01-0016-04