用统计方法回答“我的示意图是否适合给定的PCB区域？”和“布局需要多长时间？”。

当原理图完成时，所有工程师面临的情况是“我的原理图是否适合给定的PCB区域？”和“布局需要多长时间？”


几十年来，我一直面临着同样的问题，大约10年前，我终于有时间对这个问题采取统计方法[1]。这涉及到编写一个脚本，该脚本采用原理图物料清单（BOM），包括所有零件区域、零件引脚和设计中每个零件的数量。然后，这个脚本给我一个封装外形到PCB利用率区域的输出，并输出PCB利用率和要布线的引脚数量（图1）。


过去曾报道过一些（非常少的）PCB估计尝试，其中一些方法使用更复杂的标准作为其估计量的输入。我在“方差分析”[2]方面的训练教会了我“保持简单”，并首先从（可能的）最重要的事情开始。基于我做得最多的工作类型，该零件的PCB面积和设计中的引脚总数对我来说似乎是一个良好的开端。


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图1：一个示意图和一块空白板，任何设计师面临的问题都是：“它适合吗？”。资料来源：史蒂夫·哈格曼



我的典型设计分析

我做了很多基带模拟和射频设计，但这些设计总是有某种逻辑控制，无论是锁存器到更复杂的控制FPGA或微处理器，所以一切都是混合信号设计。虽然我可能需要长度匹配一些痕迹，但这在我的设计中所占的比例并不大。RF迹线比基带信号需要更长的布局时间，但我在一阶分析中没有将它们分开。


即使原理图不完整，如果你只是根据经验绘制框图，也可以对所需的零件做出合理的估计。今天，当您可以查看无数的参考设计并计算它们所需的部件时，情况尤其如此（图2）。这比一些疯狂的猜测好1000%，而这些猜测往往很低。


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图2：对总零件面积、总PCB面积和引脚数量的简单分析可以为图1中提出的问题提供简单的答案。资料来源：史蒂夫·哈格曼



分析结果

在接下来的10个左右的PCB设计过程中，我有足够的信息开始理解数据。第一个有趣的点是提前很好地了解零件与PCB面积的比例，而不是猜测。这直接导致了解所需的层数和所需的技术。当然，大量的射频电路也将通过所需的技术驱动PCB。随着PCB密度的增加，增加布线层使布线工作变得更容易，如果设计开始变得非常密集，那么使用过孔技术（如焊盘中过孔）也有助于布线。


起初，我想我可能不得不将基带和射频设计分解为不同的估计，但一个非常有趣的事实出现了。我发现，一个相当密集的PCB的布局时间几乎不取决于我的布线，而是几乎完全由引脚需要路由的。


尽管路由RF迹线比路由基带迹线需要更长的时间，但我发现这是由必须路由的引脚数量驱动的。我发现这是因为基带IC几乎有所有需要布线的引脚，而典型的RF IC有很多接地引脚，这些引脚几乎是由铜层填充自动布线的。这意味着，虽然路由RF迹线需要更长的时间，但典型RF IC上的无数接地引脚弥补了这一点，并且在每个部件的基础上，无论我路由什么技术，每个引脚的时间都是相同的。


这产生了一个非常简单的双变量度量：



  3. 无论是哪种信号，我都需要相同的平均时间来路由每个引脚。

  7. 如果出现以下情况，则必须进行修改：
  11. PCB的密度开始变得过高。这是一个指数修饰符。随着密度比的提高，走路线的时间呈指数级增长。

  15. 对层数、过孔或奇怪的PCB形状等的任何限制都会使设计更难布线。

分析结果让我非常惊讶，因为这一切都归结为设计中的引脚总数，而与所采用的特定技术无关。


我提出了一个指标：开始PCB设计的最低时间为X小时，这包括制作项目，并最终将所有输出文件汇集在一起以构建设计，然后对于0到Z%密度的PCB，每个引脚的分钟数为Y；除了这些限制之外，还需要添加一些修改内容。


最终的估计方程是，


估计时间=X+（Y*Z）


我的X、Y和Z指标适用于我和我通常做的工作；你需要确定这些指标对你自己来说是什么，以及它们是否适用于你的特定工作。



固件/软件应用程序

我通常也会为我的设计编写固件驱动程序层，通过应用上面概述的相同分析原理，我发现编写和测试IC设备驱动程序平均需要T个小时。由于重复使用，或者由于有制造商提供的代码示例，一些设备驱动程序将花费较短的时间，而有些设备驱动程序由于不可预见的问题将花费较长的时间。然而，在任何给定的项目中，这一切都趋于平均。


同样，开启和测试大致相当于验证每个固件驱动程序和每个IC的测试的一定时间。这也将在一个典型项目的过程中实现。


我发现这个结果与其他人在不同学科中发现的结果相似。例如，Allen Holub等人发现，人们可以简单地通过计算用户故事的数量来估计软件项目[3]。我敢打赌，许多看似复杂的人类努力都可以用类似的方式准确估计。但不要只相信之前公布的一些结果，你可能无法跳过数据采集和分析步骤，因为它们会重申你是否走在正确的轨道上，或者没有给你宝贵的见解，让你能够亲自确定它们是否适用于你的特定工作流程。



使用简单的工具来很好地处理事情

在分析完成后，这似乎过于简单和明显，然而，当我开始这个项目时，结果会是什么并不明显。这是将“方差分析”方法[4]应用于任何给定问题以处理流程的另一种情况，无论是设计还是生产。正如我在上一篇关于“管理混乱“，一些非常简单的工具可以在理解和处理事情方面发挥作用。



工具书类

  3. Hageman，Steve，“估计PCB设计时间和复杂性”，PCB设计007，2011年3月1日

  7. Hageman，Steve，“管理混乱”，EDN，2023年2月7日。https://www.edn.com/managing-chaos/

  11. Holub，Allen，“无估计”，2015年7月5日。https://www.youtube.com/watch?v=QVBlnCTu9Ms

  15. 唐纳德·惠勒，“理解变异：管理混乱的关键”，1993年，SPC出版社，田纳西州诺克斯维尔，国际标准图书编号：0-945320-35-3

>>这篇文章最初发表在我们的姐妹网站上，电子数据网络.




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史蒂夫·哈格曼大约从五年级开始就被确认为“模拟疯狂”。他有幸设计运算放大器、开关电源、千兆赫采样示波器、锁定放大器、无线电接收器、50 GHz射频电路以及数字无线产品的测试设备。Steve知道所有的现代设计都不可能用Rs、Ls和Cs来完成，所以他涉猎了PC和嵌入式系统的编程，足以完成这项工作。