作者:ERIN GOWDY, MENTOR GRAPHICS CORPORATION

正如我们在近期发布的白皮书《影响 PCB 工程团队工作效率的三大难题》中指出的,人口结构的剧变导 致了电气工程师工作范围的转变。特别是,工程师被迫要肩负过去由资深专家执行的任务。需要重申一下,电子系统开发方式的这一根本改变是由三大挑战造成的:

1. 首先是持续呈加速度式上升的设计复杂性。在解决复杂性问题的同时,还需要满足上市时间、成本 降低以及质量提高等业务驱动因素的要求。
2. 其次是 PCB 设计人员和设计工程师人才储备的萎缩。其结果是,剩余的人员需要用更少的资源实现 更大的产出。
3. 最后一项是,企业在开发项目中采用了更加“依赖于系统”的方案。项目不再是以 PCB 为中心的单 个设计,而是跨多个领域的整体系统。

我们认为,正是这三项挑战,导致了系统开发方法以及确保获得最大成功所需的工具发生重大的变革。

越来越多的领先设计创建工具供应商正在潜心研究软件可用性的提升,以帮助企业应对这些挑战。无论 采用何种设计规程,软件设计都应满足用户的期望,说到底,就是应该易于使用。
本白皮书探讨了易于使用的 EDA 软件的价值,并且提出了一套有助于实现此目标的重要原则。而后,我们 还会提供一系列示例来展示 Mentor Graphics 公司如何将功能落实到 Xpedition® 设计创建工具中,以满足 这些易用原则。

易用的六大原则:

通常来说,设计工程师可以花在 EDA 工具上的时间非常的少,因此我们总结了工具应遵循的六大原则, 以便帮助工程师充分利用设计创建流程中的每一分钟。

1. 清晰易辨：清晰易辨不仅限于应用程序中的文本;包括文本、图片以及 Layout 在内的整个界面都必须“清晰可辨”。如果各项功能清楚明了,则可以最大限度减少寻求外部资源(如培训或其他文档)的需要。
2. 行为可预测 工具行为应当贴合用户的预期。功能布局应合理妥当,并以最自然的方式发挥作用。
3. 简约：人们常说“简约成就非凡”,这是对简约原则的最佳描述。如果有多种方式可实现同一个目标,工具就 会显得混乱而难以记忆。
4. 高度自动化 这类易用性更强的工具可以自动完成简单的任务,从而加快设计的输入过程,并帮助设计人员避免出错。
5. 流程引导：工具应能引导用户完成隐含的工作流程,而不会造成任何障碍。此流程中的每一步都应明确界定,但同时,工具不应限制工作流程。
6. 高效：通过采用上述原则,设计工具可实现更高的效率,并为用户提供更高的质量。

通过根据您的期望和行为设计工具,对新手和生手的要求也就相应降低了,因此他们可以将更多注意力 放在工程设计任务上,而不是用于执行任务的工具上。这样就能够提升效率和质量,同时降低拥有成 本,因为所需的培训减少了,并且不常使用软件的人也不必花费大量时间重新学习他们的工具。

原则付诸实践:XPEDITION 设计创建 某个工具集要想在设计创建领域成为名副其实的标准,必须具备一系列特性。

一方面,它应该易于使用,易于部署,并且可以随时取用,以便用户立即投入工作。另一方面,该解决 方案还应该具备可扩展性,从而适应不同的设计复杂性和设计团队规模。随着设计复杂性的提高,该工 具应支持更强大的功能,以实现高效的团队设计,同时保持其易用性。

Mentor Graphics 公司将这些看似矛盾的需求整合在一起,最终打造出强大的 Xpedition 设计创建工具。在 打造 Xpedition 时,我们充分考虑了这六大指导原则。凭借其诸多特性,专业设计工程师不仅能完成自己 的设计,而且还能实现效率最大化,同时还不会牺牲功能性和可扩展性。

高级工具提示可及时提供帮助

凭借增强型工具提示,用户能够在不退出工具的情况下了解命令的工作方式。与传统的帮助系统不同, 工具提示可提供包括详细说明和功能视频在内的丰富内容。

■ Xpedition 工具提示是渐进显示的,也就是说只有当用户将鼠标较长时间悬停在工具栏按钮上时才会 显示,因此不会中断资深用户的工作流程。
■ 工具提示可最大限度地加快您的学习速度,省去大量的培训工作。

环境感知界面仅在有用时显示信息

Xpedition 用户界面已经过优化,可以最大限度地减少混乱情况。通过感知环境,工具仅在必要时才为用户 呈现相关信息。

■ 利用层次化模块的工具提示,用户可以预览内容,并通过双击缩略图来导航到所需图纸。
■ 将一个多管脚元器件插入到一组已命名网络后,将会高亮显示并选中网络名称,以便根据需要将其 一键重新分配到其他网络。

功能触手可及

无需离开绘图区域便可获得输入设计所需的诸多功能,使得设计流程更加高效。

■ 内置文本编辑允许用户方便地插入或替换文本,或者执行更改字体或颜色等编辑功能。
■ 系统内总线/网络布线允许通过鼠标的上下文菜单方便地访问重要的布线功能。
■ 利用键盘快捷键,您可以快捷地更改选择模式,从选择框到重叠,甚至智能选择特定的元素,所有 这些操作都不需要更改全局设置。

按您的思考方式设计

插件式对话框可用于快速访问收藏的元件、特殊元器件和最近使用的元件,以帮助设计人员快速输入设 计。与有助于布局符号的动态对齐标记结合在一起后,用户能够创建明确记录的原理图,并且只需要极 少的返工或清理工作即可。

通过设计自动化提高效率

强大的设计自动化可最大限度地减少连接多管脚符号所需的工作量和鼠标点击次数。

■ 按单个管脚或管脚组进行管脚选择,可提供自动管脚到管脚连接的灵活性,同时让您仍保持对网络 布线的控制。
■ 将多个串行元器件快速插入到现有网络中,或将多管脚元件插入到现有布线中,支持自动网络分 割,并且方便用户重新分配网络名称。

不同领域采用统一的图形界面

设计人员和库管理员采用通用环境,可一致地呈现包括字体、分层图形和配色方案在内的图形对象。两种 环境使用相同的图形设置,并且共用相同的自动化层。

流程引导

设计流程中的每一步都会提示用户相关的选项和后续步骤,将易用性扩展到包含设计创建任务和与 PCB Layout 集成的整个流程。

■ 经过优化的用户界面可帮助用户完成流程中的所有步骤,从项目管理到约束输入和PCB的集成状态。 ■ 教程、在线帮助及其他资源均可随时从起始页获取,并且提供可转至应用说明和技术说明的快速链接。

无缝集成

约束管理已内置到设计创建工具集中,能够将工程设计意图无缝地传递到 Layout 中,并能管理双向变更。 只要将网络添加到原理图,用户便可添加约束,同时为多用户并行输入提供全面支持。

■ 利用交通灯系统,可根据需要将变更传递到PCBLayout中。可以选择将设计变更与约束变更一起传递, 也可以选择仅传递约束变更,如此一来,大大提高了设计流程的灵活性。用户还可以将复杂的 FPGA 快速集成到设计中,并根据电路板环境优化布线。
■ 内置的向导可协助元件和封装的选择以及 HDL 接口的导入,因此只需点击几下鼠标,便可将 FPGA包括在设计中。双向接口可确保任何设计变更都会反馈到 FPGA 流程。

结论

在打造 Xpedition 设计创建工具的过程中,Mentor Graphics 始终坚持贯彻六大易用原则。凭借简约、清晰 且行为符合预期的界面,并与高度自动化和流程引导相结合,Mentor Graphics 让高产、高效的设计流程变 得简单易行。利用 Xpedition,工程师可以将时间和精力集中在手里的设计任务上。

接地层的使用与上文讨论的星型接地系统相关。为了实施接地层，双面PCB（或多层PCB的一层）的一面由连续铜制造，而且用作地。其理论基础是大量金属具有可能最低的电阻。由于使用大型扁平导体，它也具有可能最低的电感。因而，它提供了最佳导电性能，包括最大程度地降低导电平面之间的杂散接地差异电压。

请注意，接地层概念还可以延伸，包括 电压层。电压层提供类似于接地层的优势—极低阻抗的导体—但只用于一个（或多个）系统电源电压。因此，系统可能具有多个电压层以及接地层。

虽然接地层可以解决很多地阻抗问题，但它们并非灵丹妙药。即使是一片连续的铜箔，也会有残留电阻和电感；在特定情况下，这些就足以妨碍电路正常工作。设计人员应该注意不要在接地层注入很高电流，因为这样可能产生压降，从而干扰敏感电路。

保持低阻抗大面积接地层对目前所有模拟电路都很重要。接地层不仅用作去耦高频电流（源于快速数字逻辑）的低阻抗返回路径，还能将EMI/RFI辐射降至最低。由于接地层的屏蔽作用，电路受外部EMI/RFI的影响也会降低。

接地层还允许使用传输线路技术（微带线或带状线）传输高速数字或模拟信号，此类技术需要可控阻抗。

由于“总线(bus wire)”在大多数逻辑转换等效频率下具有阻抗，将其用作“地”完全不能接受。例如，#22标准导线具有约20 nH/in的电感。由逻辑信号产生的压摆率为10 mA/ns的瞬态电流，流经1英寸该导线时将形成200 mV的无用压降：

图2显示数字返回电流调制模拟返回电流的情况（顶图）。接地返回导线电感和电阻由模拟和数字电路共享，这会造成相互影响，最终产生误差。一个可能的解决方案是让数字返回电流路径直接流向GND REF，如底图所示。这显示了“星型”或单点接地系统的基本概念。在包含多个高频返回路径的系统中很难实现真正的单点接地。因为各返回电流导线的物理长度将引入寄生电阻和电感，所以获得低阻抗高频接地就很困难。实际操作中，电流回路必须由大面积接地层组成，以便获取高频电流下的低阻抗。如果无低阻抗接地层，则几乎不可能避免上述共享阻抗，特别是在高频下。对于具有2 V峰峰值范围的信号，此压降会转化为大约200 mV或10%的误差（大约“3.5位精度”）。即使在全数字电路中，该误差也会大幅降低逻辑噪声裕量。

所有集成电路接地引脚应直接焊接到低阻抗接地层，从而将串联电感和电阻降至最低。对于高速器件，不推荐使用传统IC插槽。即使是“小尺寸”插槽，额外电感和电容也可能引入无用的共享路径，从而破坏器件性能。如果插槽必须配合DIP封装使用，例如在制作原型时，个别“引脚插槽”或“笼式插座”是可以接受的。以上引脚插槽提供封盖和无封盖两种版本。由于使用弹簧加载金触点，确保了IC引脚具有良好的电气和机械连接。不过，反复插拔可能降低其性能。

应使用低电感、表面贴装陶瓷电容，将电源引脚直接去耦至接地层。如果必须使用通孔式陶瓷电容，则它们的引脚长度应该小于1 mm。陶瓷电容应尽量靠近IC电源引脚。噪声过滤还可能需要铁氧体磁珠。

这样的话，可以说“地”越多越好吗？接地层能解决许多地阻抗问题，但并不能全部解决。即使是一片连续的铜箔，也会有残留电阻和电感；在特定情况下，这些就足以妨碍电路正常工作。图3说明了这个问题，并给出了解决方法。

由于实际机械设计的原因，电源输入连接器在电路板的一端，而需要靠近散热器的电源输出部分则在另一端。电路板具有100 mm宽的接地层，还有电流为15 A的功率放大器。如果接地层厚0.038 mm，15 A的电流流过时会产生68 μV/mm的压降。对于任何共用该PCB且以地为参考的精密模拟电路，这种压降都会引起严重问题。可以割裂接地层，让大电流不流入精密电路区域，而迫使它环绕割裂位置流动。这样可以防止接地问题（在这种情况下确实存在），不过该电流流过的接地层部分中电压梯度会提高。

在多个接地层系统中，请务必避免覆盖接地层，特别是模拟层和数字层。该问题将导致从一个层（可能是数字地）到另一个层的容性耦合。要记住，电容是由两个导体（两个接地层）组成的，中间用绝缘体（PC板材料）隔离。

电子设备工作时产生的热量，使设备内部温度迅速上升，若不及时将该热量散发，设备会持续升温，器件就会因过热失效，电子设备的可靠性将下降。因此，对电路板进行散热处理十分重要。

一、印制电路板温升因素分析

引起印制板温升的直接原因是由于电路功耗器件的存在，电子器件均不同程度地存在功耗，发热强度随功耗的大小变化。

印制板中温升的2种现象：

（1）局部温升或大面积温升；

（2）短时温升或长时间温升。

在分析PCB热功耗时，一般从以下几个方面来分析。

1、电气功耗

（1）分析单位面积上的功耗；

（2）分析PCB电路板上功耗的分布。

2、印制板的结构

（1）印制板的尺寸；

（2）印制板的材料。

3、印制板的安装方式

（1）安装方式（如垂直安装，水平安装）；

（2）密封情况和离机壳的距离。

4、热辐射

（1）印制板表面的辐射系数；

（2）印制板与相邻表面之间的温差和他们的绝对温度；

5、热传导

（1）安装散热器；

（2）其他安装结构件的传导。

6、热对流

（1）自然对流；

（2）强迫冷却对流。

从PCB上述各因素的分析是解决印制板的温升的有效途径，往往在一个产品和系统中这些因素是互相关联和依赖的，大多数因素应根据实际情况来分析，只有针对某一具体实际情况才能比较正确地计算或估算出温升和功耗等参数。

二、电路板散热方式

1、高发热器件加散热器、导热板

当PCB中有少数器件发热量较大时（少于3个）时，可在发热器件上加散热器或导热管，当温度还不能降下来时，可采用带风扇的散热器，以增强散热效果。当发热器件量较多时（多于3个），可采用大的散热罩（板），它是按PCB板上发热器件的位置和高低而定制的专用散热器或是在一个大的平板散热器上抠出不同的元件高低位置。将散热罩整体扣在元件面上，与每个元件接触而散热。但由于元器件装焊时高低一致性差，散热效果并不好。通常在元器件面上加柔软的热相变导热垫来改善散热效果。

2、通过PCB板本身散热

目前广泛应用的PCB板材是覆铜/环氧玻璃布基材或酚醛树脂玻璃布基材，还有少量使用的纸基覆铜板材。这些基材虽然具有优良的电气性能和加工性能，但散热性差，作为高发热元件的散热途径，几乎不能指望由PCB本身树脂传导热量，而是从元件的表面向周围空气中散热。但随着电子产品已进入到部件小型化、高密度安装、高发热化组装时代，若只靠表面积十分小的元件表面来散热是非常不够的。同时由于QFP、BGA等表面安装元件的大量使用，元器件产生的热量大量地传给PCB板，因此，解决散热的最好方法是提高与发热元件直接接触的PCB自身的散热能力，通过PCB板传导出去或散发出去。

3、采用合理的走线设计实现散热

由于板材中的树脂导热性差，而铜箔线路和孔是热的良导体，因此提高铜箔剩余率和增加导热孔是散热的主要手段。

评价PCB的散热能力，就需要对由导热系数不同的各种材料构成的复合材料一一PCB用绝缘基板的等效导热系数（九eq）进行计算。

4、对于采用自由对流空气冷却的设备，最好是将集成电路（或其他器件）按纵长方式排列，或按横长方式排列。

5、同一块印制板上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列，发热量小或耐热性差的器件（如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等）放在冷却气流的最上流（入口处），发热量大或耐热性好的器件（如功率晶体管、大规模集成电路等）放在冷却气流最下游。

6、在水平方向上，大功率器件尽量靠近印制板边沿布置，以便缩短传热路径;在垂直方向上，大功率器件尽量靠近印制板上方布置，以便减少这些器件工作时对其他器件温度的影响。

7、对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域（如设备的底部），千万不要将它放在发热器件的正上方，多个器件最好是在水平面上交错布局。

8、设备内印制板的散热主要依靠空气流动，所以在设计时要研究空气流动路径，合理配置器件或印制电路板。空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动，所以在印制电路板上配置器件时，要避免在某个区域留有较大的空域。整机中多块印制电路板的配置也应注意同样的问题。

9、避免PCB上热点的集中，尽可能地将功率均匀地分布在PCB板上，保持PCB表面温度性能的均匀和一致。往往设计过程中要达到严格的均匀分布是较为困难的，但一定要避免功率密度太高的区域，以免出现过热点影响整个电路的正常工作。如果有条件的话，进行印制电路的热效能分析是很有必要的，如现在一些专业PCB设计软件中增加的热效能指标分析软件模块，就可以帮助设计人员优化电路设计。

10、将功耗最高和发热最大的器件布置在散热最佳位置附近。不要将发热较高的器件放置在印制板的角落和四周边缘，除非在它的附近安排有散热装置。在设计功率电阻时尽可能选择大一些的器件，且在调整印制板布局时使之有足够的散热空间。

11、高热耗散器件在与基板连接时应尽能减少它们之间的热阻。为了更好地满足热特性要求，在芯片底面可使用一些热导材料（如涂抹一层导热硅胶），并保持一定的接触区域供器件散热。

12、器件与基板的连接：

（1）尽量缩短器件引线长度；

（2）选择高功耗器件时，应考虑引线材料的导热性，如果可能的话，尽量选择引线横段面最大；

（3）选择管脚数较多的器件。

13、器件的封装选取：

（1）在考虑热设计时应注意器件的封装说明和它的热传导率；

（2）应考虑在基板与器件封装之间提供一个良好的热传导路径；

（3）在热传导路径上应避免有空气隔断，如果有这种情况可采用导热材料进行填充。

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