本文重點

PCB layout 約束管理在設計中的重要性

Layout 約束有助避免一些設計問題

設計中可以使用的不同約束

在 PCB 設計規則和約束管理方面，許多設計師試圖采用“一刀切”的方法，認為同樣的規則設定可以進行被反復利用。但對于電路板來說，通用的間距規則和其他設計約束可能會帶來過大的誤差。要設計出既能按預期工作又易于制造的電路板，layout 約束管理必須精確貼合相關設計。

設置正確的走線寬度和間距值是 PCB 設計的重要部分。

PCB layout 約束管理的重要性

電路板是電子工程時代的奇跡，其運行穩定性取決于設計精確性。30 年前的電路板在電氣和制造要求方面對設計規格的容忍度還相對較高，但如今情況已大為不同。電路板上金屬特征之間以及器件等電路板元素之間的間距必須受到嚴格控制，金屬走線的寬度、連接方式以及 PCB 電氣連接的許多其他方面亦是如此。

Layout 約束管理中的電氣考量

在電路板設計中，控制設計規則和約束的重要性可從以下幾個電氣因素考量：

電源：設計中某些金屬走線傳輸的電流高于比電路板上其他信號線更高。為了防止因電流過大而被燒毀，這些走線通常較寬。

阻抗：為了實現最佳性能，某些信號線必須保持非常精確的阻抗，這要求它們必須位于電路板的特定層上，并具有特定的寬度。

時序：其他走線將用于在處理器芯片及其相關存儲設備之間傳輸數據、地址和時鐘信號。為了確保這些器件正常運行，走線上的信號必須在特定時間到達目的地。為此，必須按特定長度進行布線，以確保走線之間相互匹配。

信號完整性：電路板上的許多走線都會輻射能量，從而給電路板上的其他電路甚至板外其他設備造成噪聲干擾。為了防止這種情況發生，并保護這些電路或設備免受 EMI 干擾的影響，必須將它們放置在電路板內部的接地平面之間，以實現屏蔽效果。

高速：高速信號路徑中的許多信號必須按特定的模式進行傳輸。此外，還必須對這些信號加以控制，以便其按照既定順序到達不同的目的地。

Layout 約束管理中的制造考量

設計規則和約束管理不僅關乎電路板的電氣性能，也在制造環節發揮著關鍵作用，具體原因如下：

組裝：電路板上的器件需合理排列，以便自動組裝設備輕松安裝。此外，還需預留足夠的空間，以便返修技術員手動組裝較大或更多非標準器件。

可焊性：制造商使用的自動焊接系統要求器件在電路板上保持一定的方向和間距，以實現高良率的焊接效果。此外，器件與大面積金屬的連接方式也很重要，可防止熱失衡對焊接工藝產生影響。

可訪問性：電路板上的器件必須便于自動測試和手動返修。此外，連接器、開關等器件也必須方便技術員操作。

由此可見，在電路板設計過程中，設計規則和約束管理至關重要。接下來，我們將分析如果缺乏此類管理，可能會遇到的一些問題。

PCB layout 的約束管理器顯示電源網絡設置

設計約束未完全配置可能引發的問題

正如前文所說，在 PCB 設計中精確控制設計規則和約束至關重要，原因有很多。因此，PCB 設計工具通常配備多種規則和約束，以便在電路板 layout 期間為設計人員提供指導。如果未使用這些約束，問題就會隨之而來，這通常是因為設計團隊沒有花時間配置必要的規則。

實際上，PCB 設計 CAD 工具中的設計規則歷來較為復雜。為了盡快開始工作，設計人員往往不愿意被額外的步驟拖慢進度，因此常常依賴默認的約束設置。但這是一把雙刃劍，因為設計人員不得不依靠記憶去判斷哪些走線需要加寬，或者哪些器件需要增加間距。如果設計尺寸較小，這種方法或許可行，但即使是較小的設計，也存在一些不容忽視的重要規則和約束。

另一個問題是，隨著設計進度的推進，手動更改可能會失效。例如，如果在后續使用布線工具編輯已加寬的走線，該走線可能會恢復到原始寬度。如果另一位設計人員接手同一設計，問題可能會進一步加劇。由于缺乏原設計人員的背景知識，他們可能會無意中引入錯誤，或撤銷某些關鍵手動更改。

為了避免此類問題，最佳做法是使用配備先進約束管理系統的 PCB 設計工具集。這樣不僅能簡化約束設置流程，還能促進 PCB 設計工程師遵循它們。

PCB 原理圖的約束管理器顯示相同的電源網絡設置。

應該使用的設計約束功能

由于早期 PCB 設計系統使用起來較為復雜，設計人員習慣于在沒有設計規則和約束的情況下工作也就不足為奇了。但現在情況已有所不同，Cadence 的 Allegro X PCB Designer 等 CAD 工具配備強大的約束管理系統，大大減輕了設計師的工作負擔。以下是約束系統中的一些功能，可以幫助您提升工作效率：

電子表格格式以及復制粘貼、多個單元格輸入和搜索功能，可供輕松輸入數據

可配置電子表格單元，按需顯示數據

能夠從原理圖或 layout 中輸入規則和約束，如前文圖中所示

用戶可定義類別，根據需要對網絡和器件進行分組

不同類別的規則，涵蓋設計的電氣、物理和制造方面

可以針對器件間距、走線寬度和間距、走線長度和拓撲、過孔類型等設置特定規則

能夠將規則應用到單個項目和類別，以及單個或多個板層

導入和導出功能，有助管理約束集

正如設計工具中的多重布線功能可提升 PCB 網絡布線效率，約束管理系統中的多種功能同樣能優化設計工作流程。關鍵在于如何利用這些功能，接下來我們將通過一個示例進行說明。

恰當的設計規則和約束管理

Constraint Manager 顯示分配給網絡的過孔

在上圖中，一些時鐘網絡被歸為一組。這些網絡需要使用特定的過孔，相關過孔在“Vias”列下進行了分配。一旦完成分配，布線過程中就能直接調用指定的過孔，無需手動切換其他過孔。不過，Allegro X 的約束管理器不僅能控制走線寬度和過孔分配，還提供了更強大的控制能力。您可以設置多種電氣約束，包括反射與邊緣失真、串擾、時序、阻抗和傳播延遲，而這些僅僅是入門級設置。