详解PCB 设计中的功能性分区

本文要点：

• 为什么在 PCB 设计中需要使用功能性分区
• 设置功能性分区时的注意事项
• 利用 PCB 设计工具的功能和特性来创建分区

在PCB的设计中，往往采用了分区原理，即有不同的电路组来完成不同的功能，从而防止不同组电路之间产生干扰，使电路板正常运行。让我们来仔细了解一下 PCB 设计中的功能性分区，以及 CAD 工具如何帮助我们实现这一目标。

PCB 设计中功能分区的用途

一块电路板是由不同类型的电路组成的，所有的电路都聚集在一个相对较小的区域内。我们通常会发现，同一块电路板会同时使用模拟、数字和电源电路。即使是以数字操作为主的电路板，通常也会有一些需要管理的电源，以及需要将模拟信号转换为数字信号，然后再转换回来的接口。

在电路板上指定功能性分区的目的就是让这些不同的区域相互隔离。以下是混合信号电路板中存在的一些问题，而分区将有助于避免这些问题：

• 串扰：攻击性 (aggressive) 信号可能会与其他信号耦合在一起，应该尽可能将其与潜在的受害者 (victim) 信号隔离开来。
• 电磁干扰：为了防止电磁干扰，需要防止不同区域的返回信号混合在一起，并且需要阻止它们穿过分裂的地面或电源平面。
• 信号完整性差：时钟等敏感信号需要紧贴相关电路，而不是在整个电路板上游走。
• 电源噪音：这些部件应该靠近它们供电的元件，并在同一层上运行，为它们提供一个隔离的相邻参考平面。

隔离这些区域有助于防止一种类型的电路产生的噪声影响另一种类型的电路。但问题是，不能简单地在电路板的中间画一条线来分离数字和模拟电路。这些电路组需要彼此互动，而且还必须接入电路板不同位置的连接器和其他接口器件。

因此，要想设计出能正确隔离这些区域的 layout，就需要制定良好的功能分区计划并妥当放置部件。

功能分区还有其他一些好处。通过提前对分区进行布局规划，layout 设计团队在进行组件放置时将会更有条理。此外，设置分区还有助于 layout 团队在放置用于 DFM、测试和返工的部件时做出更好的选择。

平衡功能分区的需求和其他元件的放置需求，听起来好像一下子要完成很多任务，但对于 PCB layout 专家来说，这些都是工作的一部分。那么，让我们深入了解一下如何在 PCB 设计中有效划分功能分区。

在 layout 设计开始之前，制定完善的功能分区计划将为 PCB 设计带来很多益处。

在规划分区的同时规划部件的放置位置

与任何 PCB 设计一样，在开始放置部件之前，必须先确定物理电路板的配置。首先，必须确定电路板的尺寸和形状，以及任何固定部件的位置，如连接器、支架或开关。这对于电路板的分区来说是必不可少的，因为在 layout 设计过程中，电路板轮廓发生改变会导致部件偏离规划的分区。

同时，必须确定电路板层的堆叠。对于高速设计，很多布线必须包含在特定的层对之间，这些层对是为带状线布线而设置的。要规划出分区，就必须根据层堆叠配置来评估布线密度。

在确定了电路板的物理配置后，我们就可以开始绘制设计的功能分区。这期间所做的许多决定与放置部件时的决定类似，所以我们来回顾一下必须满足的要求：

使放置部件的模拟和数字区域彼此分离

分离这两种电路是分区设计的主要目的，然而，在部件放置过程中，它们往往会被混在一起。在过渡到 layout 之前，在原理图上根据零件的功能进行分组将对绘制分区很有帮助。

将电源与敏感元件隔离

虽然电源需要足够接近相应的零件，以便为后者供电，但电源电路和它们为之供电的数字零件之间必须相距一定的空间。

规划集中在电路板上的大型 CPU 和内存元件

这些零件不应该靠近边缘，以便通过电路板散热。但与此同时，为了保证信号的完整性，它们的放置位置应该足够靠近相关电路。

相关电路应归入同一分区中

利用原理图中的逻辑流程来绘制分区。从连接器着手，根据电路图中的电路布局方式，从连接器开始放置部件。

我们所创建的大部分分区都将基于部件和部件之间的网状连接。然而，在绘制分区时，需要考虑一些布线问题，我们接下来将具体分析。

简单的PCB设计功能性分区示例。

走线布线和功能分区的其他考虑因素

当我们为设计规划分区时，请记住，除了它们将包含的部件外，分区还必须考虑到布线问题。大型数据和内存总线将占用大量的空间，尤其是在外部层上对其进行布线时。一些部件需要空间来进行逃逸布线，这样就不必为了缩小分区而把所有的零件挤在一起。我们还需要为不能通过某些电路区域进行布线的敏感网络留出空间，例如通过模拟电路区域运行数字网络。

绘制电路板分区最重要的一个方面是设计电源分配网络 (PDN)。以下是一些需要牢记的重要 PDN 准则：

• 尽量避免分割平面。如果必须分割一个平面，请一定不要让走线布线穿过分割处。电路板中最常见的电磁干扰源之一就是来自穿过分割处的走线，而它们的信号返回没有明确的路径。
• 让数字和模拟区域的电源和接地彼此分开。在接地平面被分割成模拟和数字接地的情况下，只允许两者之间有一个单点连接，以避免产生任何计划之外的回路或天线。
• 让电源平面彼此隔离。我们肯定不希望让电源噪声最终进入数字或模拟电路。
• 确保在分区中留出足够的空间来妥善设计 PDN。像 CPU 这样的大型耗电部件需要大量的电源滤波来控制其噪声尖峰。

对于 PCB 设计中的功能分区，还有其他一些需要注意的事项。要为电路板的散热留出空间。根据放置的位置，高大的部件（如连接器）可能会无意中阻挡处理器芯片等热运行部件所需的气流。请记住，一个分区中的热部件可能会给下一个分区造成问题，因此要做出相应的规划。

现在，我们已经准备好为 PCB 设计绘制分区了，那么让我们来看看设计工具会提供哪些帮助。

在 Cadence 的 Constraint Manager 中设置元件放置要求。

如何有效使用工具来规划分区

PCB 设计工具（如 Cadence^® Allegro^®系列软件）提供了很多功能，供我们在绘制功能分区时使用。下面来列举一些使用方法：

• 原理图：当捕捉原理图时，将需要位于同一分区的部件放在一起。这不仅有助于整理原理图，还可以使用这些原理图分组来帮助我们选择和整理 layout 中的部件。
• “房间”：在绘制分区图时，将“房间”画在设计上是很有帮助的。虽然该步骤可以通过一些简单的图形来完成，但 Allegro 提供的名为 “rooms” 的功能也可以提供帮助。在原理图中，将使用唯一的房间名称将房间属性附加到一个分区的部分。在 layout 中，将使用图形化的房间属性创建分区，并给它也起一个名字。然后可以配置这些房间，只允许具有相应房间名称的部件归入房间，从而将部件分配到所有已设置为房间的分区。
• 约束管理器：该实用工具可轻松将类分配给部件和网络，以及设置层布线约束和高速设计规则。这为 layout 设计人员提供了另一个用于整理设计数据的有用工具。
• 设计分区：Allegro 中的这个选项允许设计人员在 layout 中指定用于团队设计的分区。不同的设计人员可以在电路板中的不同分区上工作，然后将工作成果更新到主设计中。

开始放置部件之前，在 PCB 设计中设置功能分区将为我们提供成功 layout 所需的组织基础。请试想一下，在原本静态的分工作业模式中，需将layout分成数个区域交由工程师分别设计后再整合成一个完整的档案，其中如果有冲突或是需要讨论的部分就必须等到整合档案后才能确认，非常耗时耗力，特别是在高复杂高密度的PCB设计上。

现在，通过Allegro PCB Symphony Team Design功能可让您建立一个通用数据库以执行线上layout协同作业，且每个团队成员在执行设计时可在画面中实时查看到其他团队成员对layout所做的变更。 使用Symphony在线协同设计功能不只能够在本地区域网络中建立连线项目，甚至可与远程的工作伙伴建立连线，同步进行多人协同设计、实时确认，加速PCB设计流程、大幅减少返工时间。

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