高性能PCB设计的工程实现

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高性能PCB设计的工程实现 [复制链接]

正文：
电子产业在摩尔定律的驱动下，产品的功能越来越强，集成度越来越高、信号的速率越来越快，产品的研发周期也越来越短，PCB的设计也随之进入了高速PCB设计时代。PCB不再仅仅是完成互连功能的载体，而是作为所有电子产品中一个极为重要的部件。本文从高性能PCB设计的工程实现的角度，全面剖析IT行业高性能PCB设计的方方面面。
实现高性能的PCB设计首先要有一支高素质的PCB设计团队。
一、PCB设计团队的组建建议
自从PCB设计进入高速时代，原理图、PCB设计由硬件工程师全权负责的做法就一去不复返了,专职的PCB工程师也就应运而生。
一个成熟的大、中型PCB设计团队的构成应包括以下几个工种：
封装库工程师：专职建库，熟知当今主流板厂、贴片厂商的工艺能力、技术参数，结合本公司的产品实际，并据此完成当前高速高密条件下的PCB封装建库工作。
PCB设计工程师：设计人员必须具备广泛的PCB周边知识，诸如电子线路的基本知识，PCB的生产、贴片加工的基本常识，DFX（DFM/DFC/DFT）设计，同时还需要掌握高速PCB的层叠设计、阻抗设计、信号完整性知识、EMC知识等，综合考虑现代PCB设计的各项要求，完成PCB的布局、布线工作。
SI工程师：揭开隐藏在PCB传输线里的“隐性原理图”，直面高速时代的反射、串扰、时序问题。通过前后仿真，确保信号质量，提升产品的一次成功率，确保PCB稳定、可靠的工作。
EMC工程师：作为EMC设计的源头考虑，负责包括电路、器件、PCB相关的板级EMC设计。降低自身的对外辐射，并提高抗外界干扰的能力。
热设计工程师：在追求精美、小巧的产品研发团队里，热设计工程师不可或缺。通过热源分布分析、设计合理的风道系统，控制系统的温升，确保产品的稳定、可靠工作。很难想象一个笔记本的设计团队没有热设计工程师的参与能做出可靠、稳定的笔记本产品。（注：部分公司由结构工程师兼负PCB的热仿真、热设计）。
工艺工程师：针对本公司的PCB加工厂商、贴片设备/厂商的工艺能力，制定本公司PCB设计的工艺参数。参与具体单板、PCB的设计，确保PCB的可生产性、可加工性。
考虑到自身交流、技术提升、人员备份的需要，以上每个工种至少不低于3人。对于自身团队规模有限、研发需求起伏较大的公司，适当储备一些复合型的多面手并根据自身需要适当寻求外部资源是解决自身研发短木板的明智之举。
我们来看看IT行业巨头们的PCB设计团队组建历程：
1980年，公司内部硬件工程师兼做PCB设计；
1990年，CAD工程师作为专门的部门逐渐独立出来；
1995年，专业的PCB DESIGN HOUSE在北美、日本开始流行
2000年，专业化分工越来越细，建库、PCB设计、SI、EMC、热设计、工艺等工种逐渐独立；北美、日本的PCB设计有50％以上由专业的设计公司完成；SI、EMC等工种逐渐自成体系；
2003年，一博科技为首的专业设计公司把PCB设计外包理念带入中国；
2008年，公司内部分工明确，工种齐全。并合理采用资源外包、错峰设计、技术外包成为潮流。


二、高性能PCB设计的硬件必备基础
自从PCB设计进入高速时代，以传输线理论为基础的信号完整性知识势头盖过了硬件基础知识。有人提出，十年后的硬件设计只有前端和后端（前端指的是IC设计，后端指的是PCB设计）。只要有一个系统工程师把他们整合一下就够了。这很容易让人怀疑学习硬件基础知识的必要性。事实上，不管是IC工程师还是PCB工程师，都必须具备诸如R、L、C以及基本的门电路知识。
高性能的PCB设计离不开电源基础知识，少不了FPGA常识。即使以传输线理论为基础的信号完整性分析也是从研究以R、L、C为基础的微元考虑。
PCB设计工程师必须具备基本的电路基本知识，如高频、低频、数字电路、微波、电磁场与电磁波等。熟悉并了解所设计产品的基本功能及硬件基础知识，是完成一个高性能的PCB设计的基本条件。


三、高性能PCB设计面临的挑战和工程实现
PCB设计是一门没有最好只有更好的艺术，一个性能优良的PCB设计，常常面临以下挑战。
1.研发周期的挑战
统计数据表明，一台笔记本的设计，从立项到上市，一般只有半年的时间。一款手机的研发，从立项到上市，平均只有3个月的时间。作为产品研发中的重要一环，PCB设计时间也逐渐被压缩、压缩再压缩。
1985年4月，东芝公司沟口哲也工程师设计出了一台命名为T1100袖珍的机器，引领了计算机行业的兴起。自那以后，计算机主板的研发周期也明显加快了节奏。


图1：计算机主板设计周期的变迁
在EDADOC，笔记本的PCB设计基本控制在三周以内，手机的PCB设计时间一般客户的预期时间是10天。
面临市场不断缩短的研发预期，PCB工程师如何面临这一挑战呢？
首先，要采用一流的EDA工具软件
高效的EDA工具软件带来的不仅仅是效率的提高，更是设计理念的革命。在众多的EDA工具软件中，Cadence的PSD系列无疑占据着行业旗舰的角色。从10年前的单兵作战，到后来的“sub-drawing”，再到如今的“partition”，Cadence Allegro提供的多人并行设计把原本不可能的研发周期变成现实。在EDADOC，92％的PCB设计都会用到并行设计。
举例来说，EDADOC曾在6天的时间里完成20000PIN的某XDSL单板的前后仿真、布局、布线工作，这其中，并行设计居功至伟。
以一个常规的笔记本主板PCB设计为例，我们来看看传统的“单兵作战”（一个PCB工程师负责）以及在部分公司采纳的3班倒的工作模式以及采用并行设计的工作方式下的主体PCB设计数据：

工作方式	单兵作战	3人接力3班倒	并行设计
设计时间	30天	18天	15天
优点	单人负责，中途无交接，沟通成本低	交期较快、多人智慧	交期灵活，容易控制，多人同时工作，易于沟通。多人智慧。
缺点	周期长，知识面受限	工程师难以接受，夜班效率低，与周边资源沟通不便，3次交接，传递效率低	要求具备一定的团队规模，人员效率略为下降。
适用范围	适用于小型公司或简单单板。	无需与周边资源的沟通，复杂单板，特例情况下和并行设计配合使用	复杂或较复杂单板，设计周期短。广泛应用于大中型EDA团队

其次，提前介入产品研发流程，减少后续返工。
在总体方案设计阶段，PCB工程师即介入研发，重点参与产品的系统架构设计、论证；在总体设计阶段，开展初期PCB设计可行性评估；在详细设计阶段，同步原理方案设计，参与器件选型、结构设计、热设计，这样当研发进入PCB设计流程后，主体工作便简化了，同时减少了因器件体积过大、驱动能力不够、拓扑方案不可行以及结构散热等问题带来的PCB设计过程中的返工。
第三，“一板成功”的设计理念
IBM的高级顾问曾指出国内某研发团队存在的问题：“没有时间把事情一次性做好，但却有时间把事情一做再做”，在当前的市场竞争环境下，拥有经验丰富的PCB设计工程师，健全设计流程，并借助各种工具软件，力争一板成功。节省的不仅仅是少做了一板PCB的费用，更是节省了一个全流程的研发周期。为产品赢得市场机会窗。不管是PCB工程师自身，还是产品研发主管，都必须具备PCB研发“一板成功”的理念。
最后，模块重用，重视技术沉淀
在笔者接触的多家国内知名公司，他们非常重视模块重用，在确保技术沉淀的同时，也有效的缩短了PCB设计时间。
总之，我们要在设计理念上，提前介入研发，采用并行设计，采纳一板成功、减少研发次数的理念，加上诸如Cadence PSD的先进工具软件，我们不需要过度加班，更不需要两班乃至三班倒即可解决PCB的研发周期问题。


2.成本的挑战
PCB的成本包括显性成本和隐性成本
显性成本主要包括PCB的生产、贴片成本。
对于显性成本的控制，我们可以通过熟悉、了解常规板厂的工艺能力、贴片设备的工艺要求，选择合理的层数、设置合理的层叠结构、设计参数来降低PCB设计的显性成本。
隐性成本包括PCB设计期间的人员投入、技术风险、时间成本尤其是上市机会窗的机会成本。
而事实上，PCB设计的隐性成本远远大于其显性成本。
举例来说，一般手机的市场机会窗也就是半年左右，如果因为PCB设计的问题增加一次研发，对于流行时尚的手机产品来说带来的不仅仅是1－2个月的时间损失，更是整个产品的失败。
对于隐性成本的控制，公司高层和研发主管要具备抓紧核心、放开周边、强强组合、一次成功的理念，在设计之初考虑成本。合理借助外部资源，解决自身研发的短木板问题，降低产品研发的隐性成本。