第12章布线设计
在PCB的设计流程中,布线设计的地位绝对是重中之重设计软件的高效与否就体现在布线的各种操作中,需要快速、有效地达到设计师的目的,走出合乎约束规则的信号路径。
布线,行业中又叫“走线、拉线、 Layout”,是将PCB上有网络连接关系的Pin(引脚)用细铜线或平面铜箔连接起来,使其具有电气导通关系的过程。EDA软件在布线的过程中,通过多种智能算法与智能工具,大大简化工程师的布线过程,由最原始的手工画线到如今让成千上万的Pin自动连接EDA软件为电子工业的蓬勃发展做出了巨大贡献。
Mentor Xpedition继承原 Mentor Expedition软件的优良特点,再一次通过多方优化的特色功能,领先了整个EDA行业。在PCB设计中,其流畅的动态敷铜、线路动态优化与推挤、总线的通道布线(也称规划组)、草图布线、抱线布线等特色功能使其一骑绝尘,再加上优秀的分布式中心库管理,使其深受大型(尤其是跨国型)电子企业的喜爱。
2.1布线基础
12.1.1鼠标笔画
在本书讲述建库或新建PCB的章节中,尽管已经介绍了许多相关的快捷操作,但读者在使用过程中会发现,一些常用命令的出现频次远远高于其他命令,且频次高到就算是使用快捷键,也会觉得不甚快捷,因此 Mento公司的 Xpedition/ Expedition系列软件在很早的时候,便引入了鼠标笔画( Stroke)功能,即通过按住鼠标右键画出不同的图形,软件就会执行相关命令或进入某种模式,以此提高工作效率。
另外,使用鼠标笔画的优势还在于鼠标笔画可以在操作中进行,如移动的器件还附着在鼠标上,或走线还吸附在鼠标上时,同样能画出鼠标笔画,如切换单层/多层显示等。
通过软件的官方帮助(F1)搜索 Mouse Strokes(鼠标笔画),即可查看所有的笔画命令。软件会将笔画按照如下列所示的3×3矩阵进行识别满足要求即执行相应命令。
笔者在此不再一一赘述所有的命令,希望读者能够自行査阅帮助文档养成学习软件的良好习惯。笔者仅根据大量的工程实践,推荐读者牢记以下使用频次最高的鼠标笔画,如表12-1所示。
表12-1鼠标笔画
注意:关于单层显示切换命令, Xpedition版本比以往版本有所改进,版本中, Assembly(装配)与 Silkscreen(丝印)层的对象是不随当前层一起切换的,现在 Pedi-tion中改为随顶层与底层一起显示,即切换到内层的单层显示时,不会再出现装配层或丝印层的信息了。
另外还有模式切换命令,使用频次也非常高,如表12-2所示。
表12-2模式切换命令
12.1.2对象的选择与高亮
Xpedition版本中新加入的“选择模式”,是 Mentor Graphics公司历时两年研发才推出的全新功能,该模式下可以通过全局交互过滤器,任意选择需要的对象并对其进行操作,该模式下的【F1】~【F12】快捷键会根据所选对象自行切换命令,熟悉该切换之后,工程师可以在“选择模式下完成绝大部分布局布线操作,免去在各个模式间切换的烦恼。
在“选择模式”下,显示控制窗口会激活“全局显示与交互选择”窗口的选择过滤项,如图12-1所示,可以通过该勾【 Selection】的选项,可以决定该对象是否能在“选择模式”中被鼠标选中选择模式的该项特性多应用于电路的区域选择与精确移动、复制操作(见本章第12.2.15节内容),是原版本一些选择功能的“进化”版本。
‘’Visibi1ity”(可见性)选项下为各对象的全局显示开关,该开关的引入虽在一定程度上起到了便捷作用,但与此同时,意味着同一对象的显示会同时被两处开关控制,非常容易造成混淆,因此请读者特别注意这点,编者建议仅在必要的情况下使用全局开关,而平时对各对象单独进行开关控制,保持全局显示开关的开启。
在“ Visibility”(可见性)与“ Selection”(可选择性)下方有一个全局控制按钮,单击可以一次性设置所有选择对象,如图12-2所示,合理使用“ Unset All”(取消所有选中)、Set A11(选中所有)。另外,Save(保存)与 Restore(恢复)可以“保存”一个现有状态,随时使用“恢复”退回到这个设置状态。
图12-1全局显示与动态选择
图12-2全局选择设置
关于对象的选择,无论在选择模式或是布局、布线、绘图模式edition的选择操作都是一致的,使用鼠标与键盘的控制键完成。单击鼠标左键或使用左键画出选择框,可完成所需对象的选择。在该基础上使用键盘的快捷键可以有不同的效果,各功能键描述如下。
【 Shift】 【点选/框选】:添加选择,将所有未选中的对象添加进选择中。
【ctr1】 【点选/框选】:添加选择,将所有未选中的对象添加进选择中,但若对象原本被选中,则从选中的对象中减去。
【Alt】 【点选】:直接进入“替代命令”模式,如在布线模式下按住±【Alt】 键再选择线或孔就是走线,在布局模式下按住 【At】 键直接选择就是移动器件。
【Alt】 【框选】:选中完全包含在选择框内部的器件,并且不会保留之前的选择。
【Ctr1 Alt】 【点选】:在选择模式下,强制选中被全局过滤器过滤掉的器件。
注意:关于更加灵活且精确的区域选择方式,请参见本章第12.2.15节区域选择与电路精确复制、移动”相关内容。
高亮命令与取消高亮的命令快捷图标位于“Edit”工具栏中,如图123所示。选中对象后可根据需要将其高亮。
图12-3高亮对象与取消全部高亮
被高亮与被选择对象的颜色或透明度设置，位于显示控制中，如图12-4所示，读者可根据图12-4所示的说明对其进行偏好设置。
图12-4被选择与被高亮器件的显示设置
另外， Xpedition中对于Trace(走线) 的选择， 有单击、双击、三击的区别。鼠标左键对Trace(走线) 单击， 选中的是当前所在的线段(请注意跨约束区域时Trace会被自动分段， 有分支时也会被分段) ， 可通过单击鼠标右键执行菜单命令【Selection】-【Selection List】(选择列表)查看被选中的对象，如图12-5所示，鼠标对ETH_MD 1_N网络的某段线单击选择时， 选择列表中明确显示， 仅有一段Trace被选中。
若鼠标左键对Trace双击， 则选中的是Trace当前连续路径上所有的Trace、Via与Pin， 若网络存在分支， 则分支部分不会被选中， 如图12-6所。
图12-5单击选中一段Trace
图12-6双击选中Trace分支
另外， 单击选中一段Trace时， 若在同一Trace的其他位置单击， 则可以选中两次单击之间的所有线段，可以方便进行分段推挤操作。
注意：在Xpedition版本中， 双击或三击网络时， 会将处于隐藏的对象也显示出来， 而在老的Expedition中是不会被显示的， 这项改进能够帮助工程师在PCB单层显示时，更好地了解信号走向，以及防止误删除。
图12-7三击全选网络的所有Trace、Via、Pin
12.1.3对象的固定与锁定
布线对象的固定与锁定操作与布局模式一致。实际上， 在Xpedition中，各模式下固定与锁定的命令图标已经统一， 而在老版本的Expedition中则是不同图标。布线对象的锁定与固定样式如图12-8所示，另外，值得注意的是， 在Xpedition版本中， 过孔(Via) 也能够被Semi-fix(半固定) 。
图12-8布线对象的锁定、固定与半固定
锁定与固定的级别关系也与布局模式相同，而半固定的对象自身可以移动，但是不受其他对象的推挤影响，且能够被删除。固定与锁定对象无法移动与删除，但锁定的级别更高，被锁定后只能使用解锁，否则其他命令均无效。
在老的Expedition 7.9.x版本中， 被锁定或固定的对象， 能够通过Circuit Move& Copy】(电路移动或复制) 命令或【Move Circuit】【Circuit Move(移动电路) 命令进行移动操作， 而在新版本中， Locked(锁定) 的器件没有任何命令可以对其进行操作， 处于绝对锁定状态。而Fix固定的器件可以如图10-43所示更改设置，强行进行移动。
灵活地对布线对象进行固定与半固定，可以在布线后期的修线、挤线阶段， 配合Xpedition强大的动态优化功能， 让工作效率大大提升， 如图12-9所示， 在需要挤出一条通道的路径两侧， 半固定两根Trace， 然后再走线，可以将其余的走线控制在一定区域内优化，如图12-9右侧所示，该操作尤其适用于涉及多个层面的Trace与Via推挤。
图12-9使用固定或半固定灵活控制优化范围
12.1.4飞线的动态显示
网络线(Netline) 又称飞线、鼠线， 起到指示Pin与Pin之间网络连接的作用。
Xpedition中对网络飞线的显示控制如图12-10所示， 位于“DisplayControl”的“Objects”栏目下。
在老的Expedition版本中， 飞线默认以Pin为连接端点， 需要单独设置才会跟随连接该Pin的Trace末端变动，即飞线端点在Trace末端。Xpedition版本已经取消该项设置， 所有飞线默认跟随连接的Trace变动，
一直显示在Trace的末端。“Dynamic Filtering”为飞线在当前编辑界面的动态过滤， 打开该选项后， 选择“Both ends”表示飞线所在的两个Pin都在PCB界面中时， 才显示该飞线， 而“One end”表示只要有一个Pin在界面中即可显示飞线， 如图12-11所示。在任意时刻都可使用“Freeze”冻结当前界面显示的飞线。
图12-10飞线的显示控制
图12-11Bothends与One end的区别
“Netline Types”为修改网络拓扑结构(参见下一节内容) 后， 所有非“MST”结构的网络飞线的显示控制。Open表示开路， 即未连接的网络。Ordered为指定过网络连接顺序(拓扑结构) 的网络， 如差分对(差分对默认为Custom拓扑结构) ， 因此受Ordered显示控制。所有未连接(即开路状态， Open) 的网络中， 未被指定过拓扑结构的网络(即MST类网络) 均属于“Non-Ordered Open”类， 而被指定过拓扑结构的则为“0rdered Open”类。另外，读者会发现，在设置完差分对后，就算差分对完成了布线，差分对的网络飞线还是会显示出来，导致常常误以为差分对还未连接，实际上就是此处的“Ordered All”选项是默认打开的， 因此哪怕连接完毕的差分对， 其网络飞线还是会显示出来的， 所以一般建议将“Ordered All”项飞线显示取消勾选。
“Net lines for Marked Compsand Nets”项可控制被“Mark(标记) ”的器件或网络的飞线显示。Xpedition全新引入了“Mark”这一属性，只有器件和网络可以被标记，标记方法为选中器件或网络后，使用鼠标右键菜单的【Mark】命令即可。请注意， 对Pin、Trace、Via或Netline进行标记时，被标记的对象仅为网络。
完成对器件或网络的标记后， 在器件浏览器(Component Explorer)或网络浏览器(Net Explorer， 详见12.2.1节) 中， “Marked”一栏会显示出“*”号，表示该对象具有标记属性，如图12-12所示。器件浏览器或网络浏览器中， 直接使用如图12-12所示的“Mark/Unmark”快捷图标，对所选对象进行标记/取消标记。
图12-12器件或网络的Mark操作
“Between Marked Comps”：仅显示被标记的器件之间的飞线。
“From Marked Comps”：仅显示被标记过的器件的飞线。
“From Marked Nets”：仅显示被标记过的网络的飞线。
“Class lines”：器件包含的Net Class飞线， 即属于同一器件的Net Class的飞线会以粗的线段进行显示， 如图12-13所示， Class line以器件的中心进行连接提示。
图12-13 Class line的显示
开启“Class lines”时会默认关闭其“Net lines of Class lines”如图12-13所示， 网络的飞线被Class line替代， 若单独打开则可同时显示。另外， 请读者注意， 若要显示Class line， 必须在如图12-14所示的位置，开启所需Net Class的颜色显示， 否则Class line不会显示出来。
图12-14打开Net Classes的显示
Class line的作用在于从复杂的布局关系中， 以器件和Net Class为中心，理清重要信号网络的流向，方便规划布线路径，避免出现路径瓶颈。
12.1.5拓扑结构与虚拟引脚
拓扑结构(Topology Type) 是PCB中对复杂网络的连接顺序进行规划的一种方式，通过设置网络的拓扑结构，可以精确地指定网络(飞线)的连接顺序，以此来指导布线。
拓扑结构的设置在约束管理器章节有过介绍，是在网络属性中进行设置，如图12-15所示。网络的拓扑结构分为以下几类。
图12-15修改网络的拓扑结构
MST：Minimum Spanning Tree，即最小跨越树状拓扑结构，所有网络的默认拓扑结构， 其飞线取默认最短路径显示， 可以对网络内的Pin进行任意连接。
Chained：链式拓扑结构， 即所有Pin串联成锁链式进行连接， 网络内无分支。
TShape：T形拓扑结构，由一个主分支与两个平衡的次分支构成。
Star：星形拓扑结构，即所有分支单独连接至星形点，再由该星形点连至主分支。
HTree：Hierarchical Tree，等级树状拓扑结构，类似T形拓扑结构，不同之处在于该T形的分支可由其他拓扑结构代替。
Custom/Complex：Custom为用户自定义拓扑结构， 在该模式下可以对连接关系做任意修改; Complex同为用户自定义拓扑结构,它与 Custom的区别在于, Complex类型拓扑结构包含 Pin sets,即Star结构或 HTree结构中每簇分支的组合,当 Custom结构中定义了 Pin sets时,拓扑结构会自动变为 Complex。
对于普通的拓扑结构修改,将其网络属性改为 Custom后,使用如图12-16所示的飞线手工调整工具(可使用快捷图标、快捷键 【Ctr1 W】 或或“ Route”菜单栏打开),进入调整模式。
图12-16飞线手工调整工具
在调整模式下,未被选中的网络与Pin脚都会被置为灰色。此时选中需要调整的网络Pin脚,该网络所有飞线与Pin脚都会被点亮,此时有两种办法调整飞线(即网络顺序)。
方法一:依次单击需要连接的Pin脚,软件会自动在两次单击的Pin脚上建立飞线连接。注意,使用此种方法时,不要产生闭环飞线,否则无法完成设置,对于多出的飞线可以选中后使用【 Delete】键删除。
方法二:使用鼠标拖动已存在的飞线,放至要连接的Pin即可调整完毕后可以使用【Esc】键退出,或按【F12】键结束调整命令调节飞线完成后如图12-17所示。
图12-17飞线的手工调整示意
一般的网络可使用上述方法进行调整。但是对于复杂网络连接,如形或星形网络,则需要引入 Pin sets(引脚组)和 Virtua1Pin(虚拟引脚)才能完成。
在飞线的手工调整模式下,选中网络后,可使用【F3】键( Place VP)放置 Virtual pin(虚拟引脚),放置后按照上述手工调整飞线的方法,对网络的连接顺序做出相应调整,如图12-18所示。从图中读者可以看出,常规Pin脚在调整模式下会显示完整名称,如R0214-1:L,其中L表示引脚类型为负载Load,由于本教程建库时并未详细设置引脚的类型(因为在大多数工程中都未用到该属性),因此引脚类型可以忽略,但是虚拟引脚的类型可供读者辨识,如VP1:V,其中VP1是自动命名,V代表虚拟引脚。
虚拟引脚在每层都有,仅起到提示连接位置作用,可将其置于普通Pin内,或在虚拟Pin位置打过孔,以方便布线连接。虚拟引脚的移动或删除均需要在飞线手工调整模式下才能进行。另外,也可在显示控制中搜索Virtual pin将其显示关闭,读者可以自行尝试。
与虚拟引脚类似的还有一个“引导引脚( Guide pin)”,如图12-18中的快捷键【F4】(P] ace GP)。注意,引导引脚也是虚拟引脚,也要进入飞线手工调整模式才能放置,需要先选中飞线(或引脚),再使用快捷键【H4】放置引导引脚,放置好后单击鼠标右键执行菜单命令【 Accept Guide pin(s)】即可,如图12-19所示,通过引导引脚指引飞线的布线路径。另外,读者也会发现,虚拟引脚与引导引脚的符号互为90°,用以区分其引脚类型。
图12-18在飞线手工调整模式下放置虚拟Pin
图12-19使用指引引脚规划飞线路径
注意:虚拟引脚与引导引脚在MsT结构的网络中是无法放置的,使用飞线手工调整工具对任何MST网络操作后,软件都会将其拓扑结构改为 Custom,此时才能放置虚拟引脚与引导引脚。
仅凭上述手工指定引拟引脚与网络的方法,还不足以完成复杂的网络设置,复杂的拓扑网络需要在约束管理器中单独设置,如图12-20所示,打开约束管理器,显示“ Topology”工具栏,选中需要修改的网络后,使用“ Topology”工具栏的“ Netline order”(飞线顺序指定),对复杂的拓扑结构进行设置。相关设置由于本书篇幅有限,在此不再赘述,读者可以自观看工具提示的视频,学习如何设置 Pin sets与复杂拓扑结构。请注意,该工具仅能指定 Custom或 Complex拓扑类型的网络,并能自动生成平衡/非平衡位置的虚拟引脚。
图12-20飞线顺序指定工具
拓扑结构指定后,在对虚拟引脚进行布线时常常会出现“ stub rulelation”的提示,即“树桩线的约束规则冲突导致无法布线”(该树状线的最大长度可在约束管理器的“ Stub Length Max”中设置),此时需要在“ Editor control”-“ Route”-”Net rules 0n/0ff”中取消对Stub的约束,即能以任意长度的树桩线进行连接设计,如图12-21所示。请读者注意,该处取消stub长度检査,并不意味着后期DRC时也査不出该项违规,做DRC检査时同样能够定位超出的Stub,此处的取消仅是为了布线方便。
图12-21取消Stub的长度约束检查
12.1.6网络的选择过滤
在以往的 Expedition版本中,没有Mark属性来动态过滤飞线,而整板密密麻麻的飞线肯定会影响布线效率,因此工程师需要使用网络过滤器对所需网络进行过滤,而该过滤方法在 Xpedition版本中同样起着非常大的作用,如图12-22所。
图12-22使用网络过滤器
选择过滤器窗口,如图12-23所示,左侧窗口中为被过滤( Excluded,被排除)的网络,可以通过双击 Net classi或使用图示的 Include(包含)图标,将需要过滤的网络移动到右侧“ Included”栏。另外,一般需勾选Apply filter to Netlines”项,即网络过滤器就能够将飞线也过滤掉。
设置好需要保留的网络,勾选 Editor contro1的网络过滤器,即可应用过滤,如图12-24所示,注意应用过滤后只有被保留的网络及飞线能够被选中,其他的网络对象被完全屏蔽。
图12-23设置不被过滤掉的网络
图12-24应用网络过滤器后的结果
12.1.7网络着色与网络名显示
在工程实践中,为布线考虑,常将包含多个电源引脚的网络进行着色以颜色或花纹来进行区分,能够非常快速地识别同属性网络,方便进行布线、铺铜等操作。
在 Xpedition中为网络着色非常方便,如图12-25所示,在显示控制窗口的“ Graphic”下的“ Color by Net or c1ass”(为网络或类着色)栏目中,使用【 Add selected】(添加选中的网络)或【Add】(添加)按钮将需要的电源网络添加进列表,然后单击网络名前的颜色块,逐一设置颜与显示模式即可。另外,“网络类”与“约束类”也能够设置颜色,还可以根据需要在颜色设置中设置不同的透明度与填充纹路,以方便布线时区分
图12-25在PCB中为网络着色
注意:在图12-25右侧,上方的格式刷与0ffice中的格式刷作用一致,可将该设置应用至其他对象颜色上。另外,请注意图中下方花纹栏第二项,对 Layer中的Pad应用该项可以将焊盘显示为边框线模式(同时保留 Trace的完整显示)。
Xpedition版本新加入了在 Trace上显示网络名的功能,需要读者在显示控制中自行开启。编者建议读者善用显示控制的搜索功能,如图12-26左侧所示,在显示控制中输入“ Net Name”,使用输入框右侧的下箭头找到“ Net Names on traces”项(或多次按【 Enter】键),可快速找到需要修改的项,勾选即可,效果如图12-26右侧所示。
图12-26在显示控制中搜索显示网络名选项
12.1.8保存常用的显示方案
在布线操作中,常常需要在各个层面的显示间进行切换,除了灵活运用单层显示外,还可以将常用的显示方案保存在预设里,如图12-27所示可单独将需要的1~3层显示打开,保存为“ Routing 1-3”,然后在需要时可直接调用。
图12-27保存与调用常用的显示设置
另外, pedition与以前的 Expedition版本相比有所改进,能够将7节所示的网络颜色也保存进显示方案中,以及在保存时可以选择是否将所有工具栏的位置也一并保存。
12.2布线
12.2.1网络浏览器
Xpedition新引入了网络浏览器方便工程师对网络进行选择与区分,网络浏览器可以通过在菜单“ Route”栏下执行菜单命令【 Net Explorer】开,或使用【 Route】快捷工具栏对应的图标。打开后如图12-28所示,左侧通过树状列表显示网络类或约束类,以及下方的差分对、长度调节网络、匹配网络、拓扑网络等,可以快速定位所需网络并选中。
图12-28网络浏览器
请读者注意，在选择时需要打幵左上角的交互式开关，才能与PCB进行 交互选择。
网络浏览器的列表中详细列出了网络的属性，包扌舌网络是否被标记 (Mark.)、所属网络类(Net Class)、约束类(Constraint Class)及拓 扑结构(Topology) 。另外,“User Group” 与 ”Shielding Rule"为左侧 树状浏览器中的“Planning Groups "(规划组)所用属性,在12.4.1节 “规划组的通道布线”中会有详细介绍。
12.2. 2布线模式
所有的推挤都是实时的，只要存在可推挤空间，软件就会自动对周边推线进行推挤，使其达到鼠标所在位置，如图12-32和图12-33所示，在不同模式下将鼠标移动到同一位置时产生的不同效果。
图12-32 Gloss Local模式下使用Real Trace/Dynamic布线
图12-33 Gloss0n模式下使用Rea11race/ ynamic布线
- Hockey Stick/ On click:曲棍式布线/单击模式,即最基本、最常用的布线模式,也是以前玊 xpedition版本的默认布线模式。在该模式下,走线先以曲棍球棒似的显示方式,指示走线能走到的位置,如图12-34所示,需要单击鼠标之后,中空的虚线路径才会变为实际的走线。若在G1ossocal和 Gloss On模式下走线,会对周围对象产生推挤优化效果。
在布线时,对于Pin脚位置离得较近的短网络,推荐使用Real Trace进行布线,可以极大减少单击鼠标的次数,提升布线效率。Real Trace是Xpedition版本推岀的全新布线模式,并且是布线的默认模式,读者只有熟悉它的操作之后才能体会到该模式的强大。
不过,对于常规的信号线,编者还是推荐使用 Hockey Stick模式,并合 Gloss 0n/Loca1/Off及固定与半固定操作,可以满足绝大多数布线需求。另外,有许多布线操作必须在 Hockey Stick模式下才能完成,如后续会介绍的弧线，以及使用Display Control换层打孔等操作。
图12-34 Hockey Stick/On Click模式线布线
（4）Segment/On Click：线段式布线/单击模式，在该模式下，布线以鼠标相邻单击的两点进行线段连接，线段的角度以如图12-35所示设置，可以选择90°、45°、任意角度或特定角度进行布线。在线段模式下的布线不会被自动优化，一般用此模式完成有特殊角度要求的布线，如异形的FPC等。
图12-35 Segment/On Click模式线布线
在布线时，使用【F3】键可在各布线模式中循环切换，并在PCB左下角的当前命令提示栏中，查看所处布线模式，如图12-36所示。
图12-36 S实时查看布线模式
Xpedition版本还优化了布线时的快捷键【F5】（Auto Finish）自动完成功能，即在走线的过程中，尤其是走到接近Pin脚的时候，直接按【F5】
如图12-33和图12-9所示， 读者可以从图中看出， Gloss On模式特别适合布线时的通道推挤，能够在孔、线密集的局部区域中，快速推挤出最佳的路径，且保持周围走线的平滑。
Gloss Local： 局部优化模式，在该模式下，所有的走线与推挤操作，只会对鼠标附近的走线与过孔产生影响， 如图12-41所示， Local模式下不会对整根走线进行优化， 只会局部进行推挤。另外， Gloss Local模式容易使走线产生过多转折，需要后续再单独对走线进行平滑操作。
在Gloss Local模式下， 通过鼠标选择一小段走线后推动， 得到如图12-42所示的结果， 被推动的线在允许范围内整体移动。若按住【Shift】键重复上述操作，则结果如图12-43所示，可以看到被推动的线不再整体移动，而是被推出弯折。
图12-39 Gloss模式的设置
图12-40 Gloss On模式线推挤走线
图12-41 Gloss Local模式线推挤走线
