FPGA 开发板 6 层 PCB 设计与绘制流程
一、原理图分析

FPGA 开发板 6 层 PCB 设计涵盖原理图分析、板框导入、模块布局及高速信号布线。重点涉及 DDR3、HDMI 差分对等长处理,电源平面完整性及阻抗匹配策略。通过多层叠层设计优化信号回流路径,确保信号完整性与电磁兼容性。包含上拉电阻应用解析及电源分割处理,最终完成 DRC 检查与丝印添加。





如上图导入 DXF 文件(结构文件)--DXF 文件包含:板子外形、定位孔、器件位置等。


这里我们导入文档层

正反两个面

点这里导入快捷键(JSON 文件不仅仅是快捷键)

为不影响视野关闭飞线以及元件属性


全部选择 Shift+X 交叉选择--元件高亮



这里我们做了一个框选分类,上述同样的方法对其他模块分类

选中 X 左右镜像,Y 上下镜像


如上图设置

选中按快捷键 4


同样的方法将其他模块放入

先大后小

重点使用:Shift+X--交叉传递 自定义:Shift+Q-捉取(元件区域分布)



小技巧:优先保证较短处布线通顺

离管脚远放底层

测试点放在输入的电源后面,放电源模块的时候放


将滤波电容捉取,放一旁,先不管

电阻做阻抗匹配,画 PCB 的是






两个电感相连时,要垂直放置
核心原因:为了最大限度地减少它们之间的'互感'和'磁场的相互干扰'。


电源放入后放测试点,放在输出口,一个测试点一个地

滤波电容扇出布线的时候摆放

名词解释板级工作层:
板级的工作频率指的是在印刷电路板上,各个芯片之间通过 PCB 走线进行通信时,所使用的同步时钟信号的频率。
简单来说:

从信号密度上看,显然 2 层 4 层板都不足以支撑我们布线

如果有 BGA 封装我们可以,像如下,两个分为一层,有三个主线层,所以本项目我们选择 6 层及以上


比较经典,用的多,两个地层,吸收杂质干扰较好。

消费类板子较多,由于 3,4 两个信号层存在相互干扰,选用这个方案,现需要将 3,4 两层之间的介质扩厚,本项目预选这个(顶层器件较多布线空间有限)











差分对添加,知道正负网络,正常添加,不知道随便,系统自行分配

扇出时将短线连接
注释:1、模块化扇出
2、对于任一器件扇出时,过孔与过孔之间,应对齐,为布线做准备,方便后续布线


扇出布线后摆放滤波电容,目的是为了更好的摆放电容,节约时间

同样的方法处理 DDR

这里电流较大,为使电路稳定,增加散热,对这块区域填充处理

这样处理节省空间

这里可能做一个绕行

下载口电源,对其做填充处理
电源模块布线


2 的两个电容为什么不横着放,因为存在上拉电阻 1,如果 2 的两个电容横着放,对上拉电阻不易放置。
上拉电阻是一个连接在电路信号线和电源正极之间的电阻。它的主要作用是在信号线没有其他设备驱动时,将其电位'拉'到一个已知的高电平(比如 5V 或 3.3V),防止其处于不确定的悬浮状态。
为什么需要上拉电阻?核心原因:防止不确定状态
在数字电路(比如单片机、Arduino)中,我们通常只识别两种状态:高电平(1)和低电平(0)。
很多数字输入引脚内部结构是高阻抗的,可以理解为它对电平状态是'盲人'。如果这个引脚什么都不接(比如连接一个未按下的按钮),它既不是接到电源,也不是接到地,那么它的电平就是悬浮的。这个悬浮的电压值是不确定的,很容易受到周围环境的静电、电磁噪声影响,导致单片机随机读到 0 或 1,造成系统工作混乱。
上拉电阻就是为了解决这个'悬浮'问题而生的。
最常见的应用场景:按钮/开关电路
让我们看一个最经典的例子:微控制器读取按钮状态。
1. 没有上拉电阻的情况(错误接法):
(这是一个错误的接法,仅用于演示问题)
2. 有上拉电阻的情况(正确接法):
(这是正确的接法)
总结这个电路的工作过程:
上拉电阻的另一个重要应用:开漏输出
像 I²C 这样的通信总线,多个设备需要共享同一条数据线。它们使用的就是'开漏输出'。
如何选择上拉电阻的阻值?
阻值的选择是一个平衡艺术:
常见范围:通常在 1kΩ 到 100kΩ 之间。
总结
| 特性 | 描述 |
|---|---|
| 作用 | 将不确定的、悬浮的信号线稳定在一个已知的高电平。 |
| 防止问题 | 防止因引脚悬浮导致的随机误触发和噪声干扰。 |
| 典型应用 | 按钮/开关输入电路、开集电极/开漏输出电路(如 I²C 总线)。 |
| 阻值选择 | 平衡功耗与速度,常用值在 1kΩ - 100kΩ,10kΩ最为通用。 |


回流地过孔要短
注释:DDR 与 BGA 布线需要不断的调孔

地址线 例如 DDR3_A× 控制线 例如 DDR3_B×


数据线要求同组同层布线,地址线无此要求,所以我们优先布数据线
在选择参考平面是,参考地层比参考电源层好一点所以我们选择优先选择第三层作为信号线布线层
且先走差分线
低八位数据线

可以先忽略错误,后面修改
高八位走线

如上图,由于第三层信号层已经布了 D0_7 网络,我们看第四层可以不可以布线,但是由于 ADDR 线多底层和其他层都不好处理,所以我们现在考虑将,D8_15 网络布在底层,而 ADDR 网络布在第四层信号层

走不出去,挪孔
地址线布线

优先在第四层处理差分信号

在第三层处理上面的信号

线太长修线

线交叉较多,考虑对方框区域进行调整挪孔

思路:将过孔向左移动,信号线从右边上,底层电容移到电源

先忽略错误,方框处的 HDMI 线有交叉,所以我们再对进行绕线或者挪孔操作

这里我们考虑将左边两条线绕行到过孔左边相连,而右边两条线将下边的过孔往上移,上边过孔下移

这样看起来有些不太顺,我们在对其进行微调

对于所有过孔都需要保持在一条线上

方框区域太窄,有报错我们考虑,将方框区域下方的过孔整往下移一个过孔



开始修线

HDMI 的两队差分线之间最好保持在 15mil 及以上,最小 3W 间距

在连接 HDMI 过程中我们,把 USB 的差分线做了连接,将方框区域的过孔向右移动,最好是一个单位过孔,方便 USB 差分线连接


添加 BANK0 网络类

这样看左右两边的线都不好连,左边的更顺一些,因此我们先将左边的线拉出来

这边四根线我们将他布到底层去

这块有过孔,将这两个电容移开,我们考虑将他移到下面这个区域来


这块不好连接,我们可以考虑将方框区域两个过孔与焊盘水平靠近

这两组线我们先在顶层从下方拉出然后打孔


线宽线距不对等在 BGA 区域控不了阻抗

当然我们也可以直接连接,那也可以在这个区域添加约束区域,会有报错因此我们需要更改以下规则,添加约束区域


先建立一组 100OHM 差分对,将规则按上图修改



对于下方两条差分线,将这块区域的过孔移开我们就可以不需要,约束区域了

对其做修线处理

方框区域间距太小,所以我们对上面两个电容交换位置


我们大概如上面箭头方向所指布的线,因此需要将上面 HDMI 的线往上移动

晶振地下最好不要线穿过

剩下两组我们走第 4 层

我们对有过孔和导线如上图移动

BANK1 布线
与上述 BANK0 添加网络类的方法一样添加网络类


我们先在第四层走线

我们先试试如图所示走线


在第三层布线·单端信号无需差分布线,在 FPGA 中可以同时走两条


我们可以参照上图所示,对过孔及飞线做处理


晶振和电感下面不要有线经过


先把约束区域屏蔽掉

对部分 BANK3 线在顶层处理

先将线拉出来

我们将这块的四个过孔上下移这样有又可以拉出两条线

将这两根线互换位置,先将线的属性取消就可以避免重新拉线,其他交叉的线也可以用相同方法交换
第四层较多空闲,在第四层处理,从 FPGA 往外接线


将所有的线先连出来

这里我们发现这三根线被挡住了所以考虑将侧的线往右移动

我们看这块空间能所以将线往左移

我们发现这条线在第四层中间隔着许多线所以我们考虑去顶层挪孔

发现有交叉我们按如图所示挪孔



补充:
电源分割保证电源是一个完整地平面
一、核心定义:什么是 PCB 电源参考?
简单来说,PCB 电源参考是指在设计 PCB 时,为电源分配和信号回路提供一个稳定、低噪声的电压基准平面。
这个'基准平面'通常是 PCB 内部的一个完整铜层(或部分铜层),我们称之为电源平面或地平面。
为了更好地理解,我们通常将'电源参考'分为两种主要类型:
**一个核心要点:**任何电压都是相对的。当我们说一个芯片引脚输出是 3.3V 时,实际意思是这个引脚相对于 GND(0V)的电压是 3.3V。因此,地平面是所有电源的最终参考点。
二、为什么电源参考如此重要?(它的作用)
电源参考平面绝不仅仅是连通电流,它在高速/高频电路设计中扮演着以下几个至关重要的角色:
三、关键概念:返回路径与镜像平面
这是理解电源参考精髓的关键。
**想象一个场景:**一条微带线在 TOP 层,其正下方是 GND 平面。
**为什么会这样?**因为返回电流会选择电感最小的路径,而紧贴信号线下方的路径,其环路面积最小,因此电感也最小。
重要推论:
四、如何在 PCB 设计中处理好电源参考?
总结
PCB 电源参考不是一个具体的元件,而是一个设计理念和物理结构。它指的是利用 PCB 内部的电源和地平面,为信号和电源本身提供一个稳定、可靠、低噪声的电压基准和电流返回路径。正确处理电源参考是保障现代电子设备信号完整性、电源完整性和电磁兼容性的基石,是区分普通 PCB 设计和优秀 PCB 设计的关键所在。

这里我们使用铺铜区域


增大载流能力

这里本项目电流不会超过 2A 但是我们按 2A 去处理
1.5V 铺铜第五层保证差分信号线不要跨分割,主要参考第四层


放置地过孔

按 1 安处理,间距大于 1mm

这里我们需要做一个铺铜处理

选中中两块铺铜区域,右键--布尔运算--合并区域即可合并两块铺铜区域


第五层


记住不要将 1.5V 的包括进来

没有显现出来

更改优先级


这样就好了
注意最小的优先级最高,然后对两边重建
Shift+B 重建所铺铜区域
过孔与过孔之间一一对齐


这些线尽量往上修,修线要求不要报错,尽量平直
将除开 GND 的所有网络连上,就可以等长处理了,GND 最后处理




Shift+A 等长调节快捷键


DDR3 网络差分对等长处理先对差分对内部(两条差分线)等长再对外等长(与其他 D0-D3 线)





对于这上面三条线,由于过孔道到过孔的距离有限,且周围空间不够,对于前两条线我们考虑再顶层做延长处理

而第三条线顶层空间不够,我们只能尽量去扩宽,底层空间


误差 25mil

对较大距离,等长调节(Shift+A)工具延伸不了的地方,可以使用复制粘贴

注意避让晶振,电感区域
先对差分线等长,再对差分对之间等长


差值 20mil

网络类里面有网络长度所以可以不用建立,等长网络组

BANK7,BANK1,BANK2,BANK3 依次等长
DRC 检查

这个可以不用管,或者新建规则(安全间距)将挖槽区域与焊盘间距改为 0 添加约束区域

与上述解决方案一样更改规则(安全间距)添加约束区域

得把焊盘包住

将电源线尽可能加宽加粗

展示成品


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