Оптимизация правил проектирования печатных плат для цифровых схем

Любой, кто разрабатывал печатную плату, несомненно, знаком с правилами и ограничениями проектирования печатных плат. Введенные на раннем этапе разработки правила и ограничения в САПР изначально не позволяют проектировщику закоротить вместе разные цепи, но этим контроль не ограничивается. Хотя в то время это было огромной помощью, разработчики печатных плат продолжали требовать от своих правил проектирования большей функциональности, чтобы охватить различные типы конфигураций схем, с которыми они работали. 

В современных САПР правила и ограничения проектирования были улучшены, чтобы дать дизайнерам необходимый контроль. Это было долгожданным облегчением, поскольку дизайнеры часто работают со сложными конструкциями, которые включают силовые, аналоговые, ВЧ и цифровые схемы на одной плате. В этой статье мы рассмотрим некоторые требования, связанные с правилами проектирования печатных плат для цифровых схем, и узнаем, как лучше всего оптимизировать эти правила.

В данной статье мы затронем следующие важные вопросы трассировки печатных плат:

• Электрические и производственные требования цифровых схем.
• Настройка правил проектирования для размещения компонентов, трассировки и металлических плоскостей.
• Дополнительные возможности использования передовых правил проектирования печатных плат для цифровых схем.

Электрические и производственные требования к цифровым схемам

Чтобы печатная плата безотказно работала и изготавливалась без ошибок, она должна быть спроектирована в соответствии с определенным набором правил. Эти правила не только регулируют размер и форму различных элементов на печатной плате, но также определяют расстояние между элементами. Элементы, которые регулируются правилами проектирования, могут включать в себя компоненты, дорожки, соединяющие цепи между компонентами и переходные отверстия, которые соединяют дорожки между различными слоями платы.

Размещение компонентов

Детали на печатной плате необходимо размещать так, чтобы обеспечить оптимальную длину соединения между ними. Это становится особенно актуальным при работе с высокоскоростными конструкциями, где несколько компонентов могут быть частью всего пути высокочастотного сигнала. Другие компоненты, такие как байпасные конденсаторы, необходимо размещать рядом с выводом питания на устройствах, которым они назначены, а компоненты источника питания должны быть как можно ближе друг к другу.

Несмотря на то, что в части схемотехнических решений размещение компонентов желательно близко друг к другу, детали все же необходимо расположить так, чтобы максимально упростить производство печатных плат. Компоненты печатной платы должны иметь достаточный зазор между ними для автоматической сборки, пайки и ручной доработки. Разъемы и другие интерфейсы пользователя требуют доступности, а детали также должны располагаться с учетом теплоотведения.

Трассировка платы

Разводка дифференциальной пары на печатной плате

 

Значительный процент трассировки печатной платы можно обрабатывать со значениями по умолчанию, для многих цепей потребуются уникальные значения ширины трассы и интервалов, включая следующие:

• Трассировка дифференциальной пары: для формирования линии дифференциальной пары требуются два идентичных сигнала, один из которых инвертируется, для передачи одного полного сигнала данных. Информация о сигнале расшифровывается по разнице между инвертированными и неинвертированными сигналами. Это снижает шум и электромагнитные помехи, но требует, чтобы две сигнальные дорожки были одинаковой длины с одинаковой шириной и интервалом (как показано на рисунке выше).
• Тактовые сигналы и линии данных: тактовые сигналы координируют работу схемы, а их импульсы запускают ввод и вывод данных. Это требует адекватного расстояния между этими чувствительными линиями и другими сигналами, а также определенной длины трассы, чтобы гарантировать, что линии синхронизации и данных совпадают друг с другом.
• Трассы с контролируемым импедансом: емкость и индуктивность в высокочастотных трассах создают искажение сигнала и могут ухудшить качество сигнала. Для управления этим требуются определенные толщины слоев и диэлектрические материалы в стеке платы, точная ширина и толщина дорожек, а также непосредственная близость к обратному пути сигнала на соседнем слое базовой плоскости.

Vias

В зависимости от цепей, в которых они используются, переходные отверстия встречаются разных размеров и форм. Например, для цепей питания и заземления обычно требуются переходные отверстия большего размера, чем для обычных сигнальных цепей. Переходные отверстия также могут различаться по типу, с высокоскоростной разводкой с использованием меньших глухих и скрытых переходных отверстий или микропереходов как для физического пространства, так и для электрических характеристик.

Эти различные электрические и производственные требования можно контролировать с помощью правил проектирования, установленных в инструментах компоновки печатных плат (как показано на рисунке ниже). 

Пример того, как можно настроить маршрутизацию дифференциальной пары в правилах проектирования печатной платы для цифровых схем

Силовые, заземляющие и опорные полигоны

Трассы питания и заземления могут иметь несколько различных значений ширины трассы и шага в зависимости от требований схемы. Маршрутизация силовых проводников в источниках питания на цифровой плате, например, может потребовать значительно более широких трасс, чтобы справиться с повышенным током и температурой. Широкие дорожки, также улучшат целостность питания платы за счет уменьшения индуктивности и снижения перекрестных помех.

Несмотря на то, что соединительные дорожки короткие, ширину и расстояние которых необходимо контролировать, большая часть мощности на многослойной печатной плате обычно выполняется медными полигонами. К процессу трассировки питания необходимо отнестись очень внимательно, чтобы гарантировать, что ваша схема подачи питания (PDN) обеспечивает надежное питание для всех необходимых компонентов. Почти все современные САПР позволяют контролировать с помощью правил проектирования (как показано ниже) ширину линий питания и подключение полигонов.

Установка правил и ограничений для питания и заземления в конструкции печатной платы

 

Другой важной частью PDN являются полигоны заземления в наборе слоев платы. Эти слои имеют решающее значение для целостности сигналов и питания платы и обеспечивают следующие преимущества:

• Короткие пути возвратного тока: чтобы исключить вероятность возникновения шума из-за блуждающих возвратных токов, опорный полигон заземления должен обеспечивать чистый и прямой обратный путь для высокоскоростных сигналов.
• Экранирование EMI: плоскости заземления также обеспечивают экранирование для защиты чувствительных цепей от внешних электромагнитных помех.
• Фильтрация шума переключения: поскольку цифровые схемы переключаются между высоким и низким состояниями, они могут создать еще один источник шума в цепи заземления. Используя полигон большой площадью, шум будет уменьшен за счет более низкого импеданса проводника.
• Отвод тепла: поверхности заземления также помогают рассеивать тепло термонагруженных компонентов, выступая в качестве радиатора.

Также, часто необходимо использовать термобарьеры возле выводов элементов. Эти элементы в форме спиц препятствуют тому, чтобы большая металлическая плоскость рассеивала тепло при пайке, при этом обеспечивая достаточное соединение для хорошей целостности питания.

Все эти компоненты, маршрутизация, переходные отверстия и полигоны должны контролироваться с помощью правил проектирования печатных плат. Далее мы рассмотрим, как эти правила можно настроить и оптимизировать для получения максимальной пользы для вашего дизайна.

Настройка правил проектирования печатных плат для цифровых схем

Большинство используемых сегодня САПР для проектирования печатных плат имеют возможность передавать правила между схемой и PCB. Это огромное преимущество для команды разработчиков, так как позволяет схеме управлять правилами проектирования, а не ждать ввода всех ограничений при старте процесса трассировки. Такой уровень организации дает инженерам-электронщикам возможность устанавливать определенные правила для цепей и компонентов, которые необходимы для контуров, которые они проектируют. Команде проектирования печатной платы, также не нужно полагаться на письменные или переданные инструкции, поскольку сетевые правила уже присутствуют в базе данных проекта.

Вот области правил проектирования печатных плат для цифровых схем, на которые следует обратить внимание, чтобы обеспечить правильную компоновку печатной платы:

• Значения по умолчанию: большинство инструментов дизайна начинают с набора значений по умолчанию в своих правилах проектирования. Это могут быть «остатки» от предыдущих разработок или оригинальные системные настройки по умолчанию. Разработчик печатной платы должен подтвердить эти значения до их начала, чтобы убедиться, что они не трассируются с неправильной шириной трассы или не размещают компоненты слишком близко друг к другу.
• Классы: хотя большинство правил проектирования можно настроить для отдельных цепей или компонентов, работать с этим может быть очень утомительно, если у вас есть сотни объектов, требующих уникальных правил и ограничений. Большинство инструментов проектирования предлагают систему настройки классов цепей и компонентов, чтобы упростить настройку правил и ограничений. Например, вы можете установить уникальные требования к ширине дорожек и интервалу для цепей + 5В, -5В, + 15В, -15В и 3,3В, или вы можете создать набор правил для одного класса мощности и добавить к нему эти цепи. То же самое касается классов для тактовых, информационных данных и различных типов компонентов.
• Правила высокоскоростного проектирования: правила проектирования, также доступны для ограничений правилами, связанных с высокоскоростным проектированием, группами компоновки. Например, можно настроить определенную длину трассы, а также согласование длины с другими трассами, что очень полезно при маршрутизации тактовых импульсов и линий данных. Можно настроить дифференциальные пары для совместной маршрутизации трасс на заданном расстоянии друг от друга, а для конкретных характеристик схемы можно указать уникальную топологию трассы. Ширина трассы также может быть установлена автоматически для маршрутизации с контролем импеданса, а типы и размеры переходных отверстий могут быть специально назначены цепям или классам цепей.

Описание правил ограничений Cadence Allegro

 

Дополнительные возможности использования правил и ограничений проектирования печатных плат

В дополнение к стандартным правилам проектирования печатных плат для цифровых схем, включая размещение компонентов, трассировку трасс, питание и заземление, существует ряд правил, которые могут быть установлены специально для производства. Среди них — правила, регулирующие перемычку паяльной маски, покрытие паяльной пастой, перекрытие шелкографии и расстояние между контрольными точками. Инструменты САПР для проектирования печатных плат, такие как Cadence’s Allegro PCB Editor, имеют определенные наборы правил для изготовления и сборки печатных плат, которые также содержат эти и многие другие правила. Вы можете увидеть пример этих ограничений сборки на изображении выше.

Правила и ограничения проектирования, также используются при импорте данных из механических систем САПР для проверки зазоров между объектами между платой и корпусами системы. Многие системы, такие как Cadence Allegro, имеют полные возможности 3D-моделирования, которые позволяют пользователям просматривать и проверять свои проекты на дополнительно импортированные механические данные или даже на другие конструкции печатных плат. И после того, как правила дизайна будут полностью настроены и уточнены, их можно экспортировать и сохранить для использования в будущем дизайне.

Чтобы узнать больше о некоторых расширенных возможностях правил и ограничений проектирования печатных плат при работе с данными ECAD и MCAD, можете обратиться в нашу компанию. Наши специалисты всегда готовы проконсультировать по любому вопросу.

 

Источник: www.cadence.com