精华集萃【二】：PCB布线精粹—灵活布线的优势

灵活布线的优势

元件的人工和自动移动不会破坏灵活布线中的走线。布线器会自动计算导线的最佳形状(考虑必要的安全间隙)。因此灵活布线可以极大地减少编辑拓扑所需的时间，很好地支持因为要满足限制条件而做的多次重新布线。图1a显示的是一个PCB设计，移动过孔和分支点后的结果如图1b所示。

图1：自动移动过孔(淡蓝色圆)和分支点。(a)原始设计的一部分，(b)移动过孔后的设计，(c)分支点(3条红色导线)被自动移动到最佳位置。
 

在自动移动过程中，导线分支点和过孔被调整到最佳位置(如图1c所示)。

在大多数计算机辅助设计(CAD)系统中，布线互连问题被简化为在焊盘、禁布区和已布好的导线形成的迷宫中按顺序寻找成对点之间的路径问题。当找到一条路径时，它就被固定下来，并成为迷宫的一部分。顺序布线的缺点是布线结果可能与布线的顺序有关。

当拓扑质量仍然离完美很远时，在局部很小的区域将发生“被困住”的问题。但不管你重新布线哪根导线，都无法改善布线的质量。这是在使用顺序优化的所有CAD系统中都存在的很严重的问题。

这时应用打弯消除过程就很有用了。导线打弯是指某条网络中的导线想要接入某个物体时必须围着另一条网络上的物体四周行走的现象。重新布线一条导线并不能纠正这种现象。

图2a显示了一个打弯的例子。一条点亮的红色导线围绕另一条网络的一个引脚行走，一条未点亮的红色导线接入这个引脚。图2b显示了自动处理结果。在第2种情况中(另一层上)，一条点亮的绿色导线通过改变布线层得到了自动调整(重新布线)(从绿色层到红色层)。

图2：通过自动优化导线形状消除导线打弯(用线段近似弧线只是为了显示没有弧线的任何角度例子)。(顶部)原始设计，(底部)消除打弯后的设计。红色打弯导线被高亮显示。

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在Steiner树中，所有连线都必须以线段方式连接到顶点(终点和新增点)。在每个新增顶点的顶部，三个线段必须汇聚在一起，终点的线段不得超过3个。集中到顶点的线段之间的夹角不得小于120度。构造具有这些充足条件性能的Steiner不是很困难，但没有必要是最小的。图3中的灰色Steiner树不是最优的，但黑色Steiner树是最优的。

图3：灰色Steiner树不是最优的，但黑色Steiner树是最优的。
 

在实际通信设计中，必须考虑到存在不同种类的障碍物。它们会限制使用两种算法构造最小生成树(图4a)的能力和使用几何方法构造Steiner树(图4b)的能力。图中用灰色表示障碍物。

图4：树和(灰色显示的)障碍物。(a)最小生成树，(b)Steiner树。
 

我们建议从任意一个终结顶点开始。如果有超过一个的相邻终结顶点，你应该选择一个允许你继续使用第二个顶点的那个顶点。这是由角度决定的。

这里的主要机制是一种基于力的算法，它会计算作用在新增顶点上的力，并反复移动它们到一个平衡点(力的幅度和方向取决于邻近分支点的导线)。如果接入某个顶点(终点或新增点)的一对线段之间的角度小于120度(图5a和图5b)，可以再增加一个分支点(图5b和图5d)，然后使用力学算法优化顶点的位置(图5c和图5d)。最终结果如图5e所示。

 

值得注意的是，只是按降序排序所有角度然后按这个顺序增加新的顶点是行不通的，结果会更糟。在新加一个节点之后，你应该检查由4个引脚组成的子网的最小性：

1．如果顶点增加到其它新增顶点的邻近位置，要检查最小的四引脚网络(图5a)。
2．如果四引脚网络不是最小的，选择一对“对角”(属于四边形对角线)终点或虚拟的终端节点(虚拟终端节点－导线弯曲)。
3．连接终点(虚拟终点)到最近的新增顶点的线段被连接终点(虚拟终点)到远处的新增顶点的线段所代替(图5b)。
4．使用力学算法优化顶点的位置(图5c)。

图5：重新构建四引脚子网(a-c)：算法步骤。
 

这种方法并不保证构建最小的网络，但相比其它方法，它不用牧举就能实现最小的网络长度。它还考虑到了终点连接被禁止的区域，并且终端节点数量可以是任意的。

其它优势

任何角度灵活布线还有其它一些有趣的优势。例如，如果你能借助自动的实时导线形状重新计算功能自动移动许多物体，你可以创建并行的蛇形线。这种布线方式能够更好的利用空间，最大限度地减小反复次数，并且允许灵活地使用容差(见图6)。如果有两条蛇形线相互交织在一起，自动布线器会减小其中一条或同时减小两条的长度，具体取决于规则优先级。

图6：在自动模式中延时校准可以按串行而不是并行的方式完成。这样可以更好的利用空间，最大限度地减少反复次数，并灵活地使用容差。

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