应用Expedition进行复杂PCB系统设计

当前电子产品体积越来越小,速度越来越快,大量的FPGA应用到系统中,要求设计人员必须掌握各种设计工具和方法,特别是高速电路设计工具、FPGA设计工具等。本文从系统设计、系统验证、PCB布局布线、生产数据输出四个方面对Mentor Graphics公司的Expedition软件进行了简要介绍。

电子设计自动化(Electronic Design Automation)简称EDA。利用EDA工具,电子工程师可以将电子产品的由电路设计、性能分析到IC设计版图或PCB设计版图整个过程在计算机上自动处理完成。近年来,电子产品几何工艺尺寸的日益缩小、电路复杂度提高,以及对更快更灵活器件(如FPGA器件)的需求,推动电子设计自动化技术不断发展和创新。

EDA工具软件众多,在板级系统领域全球最有影响力的EDA公司当属Mentor Graphics公司。

Mentor Graphics公司成立于1981年,1988年首次进入中国市场。其EDA技术和软件覆盖面广,产品包括从设计输入、数字电路分析、模拟电路分析、数模混合电路分析、故障模拟测试分析、印刷电路板自动设计与制造、全定制及半定制IC设计软件与IC验证软件等广泛的领域。Mentor Graphics公司的ExpeditionTM系列是面向复杂PCB系统设计的优秀解决方案,包含原理图设计工具DesignView、布局布线工具Expedition PCB以及高速PCB设计和分析技术ICX。

软件通过通用数据库(Common Database)建立内部联系,实现软件之间的无缝接口。其友好的用户界面以及规则驱动技术减轻了用户管理各种软件所带来的负担。Expedition Series为用户提供了一个高度集成的设计环境,使得设计团体能够高效地工作,缩短产品的开发周期。设计过程中自始至终要保证数据的完整性,Expedition的高级综合能够显著缩短执行ECOs(Engineering Change Order)所需时间,避免出现因数据不完整而导致的错误。

Expedition Series按照主要功能或应用场合,分为系统设计工具、系统验证工具、布局布线工具以及生产数据管理工具。各个软件之间的关系如图1所示。

图1:Expedition Series 设计流程。

系统设计

DesignView是系统设计工具。作为Expedition Series的工程平台,具有原理图输入工具DesignCapture的全部功能,并管理后续工具如ExpeditionPCB、Signal Vision、CAM Output Manager、FPGA Advantage 以及HDL Series所需的设计数据。支持层次化设计,简化了原理图和规模和复杂度。DesignView通过通用数据库(Common Database)把设计规则、设计数据完整地传递给布局布线工具ExpeditionPCB。在从产品的构思到生产,数据库与设计保持同步,将设计过程中所做的任何修改提示给工程师和设计人员,保证设计过程中设计数据是完整性的,避免不必要的代价高昂的重复设计。

Expedition Series 提供了业界领先的板上FPGA(FPGA-on-board)设计的解决方案。FPAG BoardLink能够自动将FPGA设计中的符号与电路板原理图中的符号联系起来,将设计过程从几天缩短到几分钟。当修改FPGA设计时,FPGA BoardLink能够使原理图中的符号同步地变化,保持其正确的连接关系。DesingView集成了FPGA BoardLink,还可以直接调用FPGA Advantage和HDL Series,实现FPGA和PCB综合设计。

图2:系统仿真和验证。

FPGA Advantage和HDL Series是Mentor Graphic推出的完整FPGA设计流程的解决方案,它基于速度进行设计,设计者在设计时不必考虑板上信号的时延。

系统验证

系统验证在这里主要指系统的功能验证、时序分析以及信号完整性分析。应用Expedition Series,可以在设计过程中及早发现和纠正时序、信号完整性问题,而不必等到设计过程结束时。减少重复设计的次数,争取设计能够一次成功。Expedition Series用于系统验证的软件有:Analog Designer,Modelsim,Signal Vision,ICX。

Analog Designer用于进行模拟电路或数字/模拟混合电路的系统级或者板级的功能验证。它兼容Pspice模型,提供给用户6100多个模型和模拟HDL模型。该软件被嵌入到了DsignView,生成激励文件,进行仿真,对电路进行分析、验证。

Modelsim是业界应用最广、最为流行的HDL仿真工具之一,它支持VHDL仿真和VHDL/Verilog混合仿真具有强大的交互DEBUG功能、ModelSim高性能的单一内核技术广泛应用于FPGA、ASIC以及班机系统的仿真和验证,与此同时支持业界最广泛的标准,并且可以和Matlab的Simulink实现协同仿真。

Signal Vision提供高度集成的假设分析环境,通过显示每一个网络的信号传输路径分析信号的完整性和时序。如图2所示。

ICX具有强大的信号完整性分析功能,为了提高仿真的精度和简化混合信号的仿真,它包含了业界领先的仿真模型。ICX能够在布线的同时进行信号完整性分析,避免了布线结束后再进行分析而导致的重复设计。

布局布线

Expedition PCB是一款非常优秀的布局布线工具,它独特的交互布局功能使得布局更加合理,避免丢失器件。打开交互功能时,Expedition PCB自动启动DesingView打开原理图,如图所示,当用鼠标单击原理图中的某一器件后,把鼠标焦点移动到Expedition PCB上时该器件在PCB图中的封装会自动粘附到光标上。反之,如果用鼠标单击PCB图中的某一元件时,该元件对应的符号会在原理图中反色显示。如图3所示。

除此外,ExpeditionPCB还有许多诱人的功能:

* 支持交互、自动、半自动布线功能,支持差分布线对和蛇行布线,真正的45度布线。

* 区域规则。区域规则指在某一区域执行不同于全局的布线规则,包括线宽、线间距、过孔尺寸等。当布线穿入或穿出该区域时软件会自动调整线宽,线间距,以提高布通率。这一功能适合于BGA封装或者其他小间距封装器件周围区域的交互或者自动布线。

图3:交互布局。

* 定义约束。为了适应高速电路的要求,Expedition PCB能够在自动或者交互布线时对相同层、相邻层上的差分对线、阻抗时序及延时进行约束。为保证在整个设计过程的信号完整性,在原理图设计阶段和布局布线阶段都能进行约束的定义。

* 高级互连技术。在BGA、CSP、COB和DCA封装广泛使用的今天,高密度互连情况随处可见,堆焊和微过孔结构使得布线变得非常复杂。Expedition PCB为高密度互连技术提供了先进的解决方案。支持复杂形状的过孔、微过孔、以及在焊盘上走过孔。在设计中,过孔可跨越任意的两层。

* 设计复用。在中心库里可以存储能够复用的模块,包括原理图、布局、布线的数据等。这些模块可以在相同或者不同的设计中被调用或修改,降低设计工作量。

生产数据输出

生产数据的产生和输入到生产设备是设计的非常关键的一步。稍有疏忽即可能导致严重的错误,造成经济损失。CAM Output Manager能使设计数据输出、输入过程变得更加自动化,允许用户定制数据的格式,使之更加准确、快速。CAM Output Manager增强了Expedition PCB对输出数据的处理能力,支持现有的CAM格式,比如Gerber、ATE以及AIS Drill等。使得设计输出更加多样化,简化了生产过程。

本文小结

Expedition Series是一款非常优秀的复杂PCB设计解决方案,适合于个人独立设计和小型团队设计。从系统的设计、验证,到PCB的布局布图、生产数据的输出,其高度集成化降低了用户的工作量,加速了设计流程,缩短了产品的开发周期。而且Mentor Graphic公司还提供全方位的技术支持和培训,使得新用户也能很快熟悉、使用Expedition Series。

参考文献:

[1] Mentor Graphics TION SERIES-The technology leader for today's most complex PCB systems design.2003

[2] Mentor Graphics Corporation. WG2004 Expedition series Documentations.2004

[3] 曾峰,巩海洪,曾波.PowerPCB高速电子电路设计与应用.电子工业出版社.北京.2004.1

1 张计恒(1977- )现就读于北京理工大学,主要从事信号采集、处理方面的研究 jihengzhang@

2 李晓峰(1979— )北京理工大学在读博士,主要从事激光成像技术研究

作者: 张计恒,李晓峰,刘明杰

北京理工大学国防科技重点实验室