Diseño automatizado de placas utilizando el autorouter topológico Situs

El enrutamiento de las conexiones en una placa de circuito impreso es una actividad compleja y que requiere mucho tiempo. En placas grandes o densas, el proceso de enrutamiento puede llevarle bastante tiempo a un diseñador, algo en lo que un autorouter puede ayudar.

El autorouter Situs™ de Altium Designer utiliza una técnica de análisis topológico para mapear el espacio de la placa, que, a diferencia del mapeo geométrico o basado en formas, no depende de la forma de los obstáculos ni de sus coordenadas. El mapeo topológico ofrece una mayor flexibilidad en la determinación de la trayectoria de enrutamiento y una dirección de enrutamiento sin restricciones.

Autorouting de la placa

El enrutador topológico Situs aporta un nuevo enfoque al desafío del autorouting. Primero utiliza un mapeo topológico avanzado para definir la trayectoria de enrutamiento y luego recurre a una variedad de algoritmos de enrutamiento probados para convertir esta trayectoria “similar a la humana” en una ruta de alta calidad. Como parte integral del Editor PCB, sigue las definiciones de reglas eléctricas y de enrutamiento de la PCB.

Configuración de la placa

Aunque Situs es fácil de configurar y ejecutar, hay ciertos puntos que debe tener en cuenta para lograr un enrutamiento óptimo.

Ubicación de componentes

En última instancia, la ubicación de los componentes es lo que tiene el impacto más significativo en el rendimiento del enrutamiento. El Editor PCB de Altium Designer incluye varias herramientas, como líneas de conexión optimizadas dinámicamente, que le permiten ajustar con precisión la ubicación de los componentes. La ubicación óptima de los componentes es aquella en la que las líneas de conexión son lo más cortas posible y están lo menos “enredadas” posible.

Otras buenas prácticas de diseño incluyen colocar los componentes de forma que sus pads estén en una cuadrícula regular (para maximizar la cantidad de espacio libre entre los pads para el enrutamiento), colocar componentes de montaje superficial de tamaño similar exactamente opuestos entre sí en placas de doble cara, y consultar las hojas de datos de los fabricantes de dispositivos para las pautas de colocación de desacoplo. Esta no es una lista completa de consideraciones de colocación, solo unas pocas sugerencias.

Keepouts

El enrutador requiere un límite cerrado, compuesto por objetos keepout colocados. Normalmente, este límite sigue el borde de la placa. Los objetos colocados respetarán la regla de separación aplicable para garantizar que permanezcan a una distancia adecuada de este límite, con el fin de satisfacer cualquier requisito de separación mecánica o eléctrica que pueda tener el diseño. El enrutador también respetará los keepouts dentro de este límite exterior, así como los keepouts específicos por capa.

Puede crear un límite cerrado que siga el borde de la forma de la placa, utilizando el cuadro de diálogo Line/Arc Primitives from Board Shape dialog. Para obtener más información sobre los keepouts, consulte Object Specific Keepouts.

Vertidos de polígonos

Los vertidos de polígonos (o cobre) pueden ser sólidos (rellenos con una o más regiones de cobre) o tramados (construidos a partir de pistas y arcos). Un vertido de polígono tramado de tamaño medio a grande incluye una gran cantidad de pistas y arcos. Aunque el enrutador puede enrutar una placa que incluya dichos vertidos de polígonos, la enorme cantidad de objetos que introducen incrementa la complejidad del proceso de enrutamiento.

Normalmente, solo debería colocar vertidos de polígonos antes del enrutamiento si son necesarios; por ejemplo, si se están utilizando para construir un preenrutamiento con una forma inusual, quizá el enrutamiento de la alimentación principal entrante o una región crítica de tierra. En caso contrario, es preferible añadir los vertidos de polígonos al diseño una vez que el enrutamiento se haya completado.

¿Se puede enrutar?

Un autorouter es un intento humano de comprender y modelar el proceso de enrutamiento, y luego replicarlo automáticamente. Si la placa contiene un área que no se puede enrutar manualmente, tampoco podrá ser autoruteada. Si el enrutador falla continuamente en un componente o en una sección de la placa, debería intentar enrutarla de forma interactiva. Puede que haya problemas de colocación o de configuración de reglas que hagan imposible enrutarla por completo.

Preenrutamiento

Preenrute las nets críticas y, si es esencial que no sean modificadas por el proceso de enrutamiento, bloquéelas habilitando la opción Lock All Pre-routes en el cuadro de diálogo Situs Routing Strategies dialog. No obstante, evite el bloqueo innecesario; una gran cantidad de objetos bloqueados puede hacer que el problema de enrutamiento sea mucho más difícil.

Las nets de pares diferenciales deben enrutarse manualmente y bloquearse antes de usar el autorouter. Si no lo hace, es muy probable que el enrutamiento cambie y altere la integridad de la señal del par diferencial.

Configuración de las reglas de diseño

Asegúrese de que las reglas de diseño de enrutamiento sean adecuadas para la tecnología de placa que está utilizando. Las reglas de diseño mal orientadas o inadecuadas pueden provocar un rendimiento de autorouting muy deficiente. Tenga en cuenta que el enrutador respeta todas las reglas de diseño Electrical y Routing, excepto la regla Routing Corners.

Las reglas se definen en el cuadro de diálogo PCB Rules and Constraints Editor dialog (Design » Rules), al que se puede acceder directamente desde el cuadro de diálogo Situs Routing Strategies.

Si una regla incluye valores Minimum, Preferred y Maximum, el autorouter utilizará el valor Preferred.

Las reglas más importantes son las reglas Width y Clearance. Estos ajustes de tecnología de enrutamiento definen qué tan compactamente se puede “empaquetar” el enrutamiento. Seleccionarlos es un proceso de equilibrio: cuanto más anchas sean las pistas y mayor la separación, más fácil será fabricar la placa; por el contrario, cuanto más estrechas sean las pistas y las separaciones, más fácil será enrutar la placa. Es aconsejable consultar con su fabricante para establecer sus “puntos de precio” para anchos y separaciones de enrutamiento; esos valores por debajo de los cuales se obtendrán menores rendimientos de fabricación y PCBs más costosas. Además de satisfacer los requisitos eléctricos del diseño, la tecnología de enrutamiento también debe elegirse de forma que se adapte a la tecnología de los componentes, para permitir el enrutamiento hacia cada pin.

La tercera regla que forma parte de la tecnología de enrutamiento es Routing Via Style. También debe seleccionarse de forma que se adapte a las pistas y separaciones que se estén utilizando, teniendo en cuenta al mismo tiempo los costes de fabricación del tamaño de taladro y del anillo anular elegidos.

También debería evitar reglas excesivas o innecesarias: cuantas más reglas haya, mayor será el tiempo de procesamiento y más lento será el enrutamiento. Las reglas pueden deshabilitarse si no son necesarias para el autorouting.

Ancho de enrutamiento

Asegúrese de que exista una regla Width rule con una Query de All (una regla predeterminada), y de que el ajuste Preferred sea apropiado para el ancho de enrutamiento más común que necesite. Asegúrese de que este ancho, en combinación con la regla de separación adecuada, permita el enrutamiento hacia todos los pads. Configure reglas adicionales de ancho de enrutamiento para las nets que requieran un enrutamiento más ancho o más estrecho.

Si hay componentes de paso fino que tienen pines en nets con anchos de enrutamiento mayores —por ejemplo, nets de alimentación— pruebe a enrutar desde un pin de alimentación y también enrute el pin de cada lado para asegurarse de que es físicamente posible enrutar estos pines.

Restricción de separación

Compruebe si existen requisitos especiales de separación, como componentes de paso fino cuyos pads estén más cerca que las separaciones estándar de la placa. Esto puede resolverse utilizando una regla de diseño con un alcance y una prioridad adecuados. Tenga en cuenta que, aunque puede definir una regla dirigida a un footprint, no se aplicará al enrutamiento que se conecta a ese footprint. Como se mencionó en la sección Ancho de enrutamiento, realice un enrutamiento de prueba para asegurarse de que los pines del componente se pueden enrutar.

Estilo de vía de enrutamiento

Asegúrese de que exista una regla Routing Via Style rule con una Query de All y de que el ajuste preferred sea apropiado. Incluya reglas de mayor prioridad para aquellas nets que necesiten un estilo de vía diferente al de la regla predeterminada.

Altium Designer admite vías ciegas y enterradas; cuándo se utilizarán está determinado por los cambios de capa permitidos por los Via Types definidos en el Layer Stack Manager (Design » Layer Stack Manager). Al igual que en el enrutamiento interactivo, cuando el autorouter cambia entre dos capas, comprueba las definiciones actuales de Via Type; si estas capas están definidas como un par de capas ciegas o enterradas, entonces la vía que se coloque tendrá estas capas como capas de inicio y fin. Es importante comprender las restricciones del uso de vías ciegas/enterradas; solo deben utilizarse en consulta con su fabricante. Además de las restricciones impuestas por la tecnología de apilado de fabricación, también existen consideraciones de fiabilidad y accesibilidad para pruebas. Algunos diseñadores consideran mejor añadir más capas de enrutamiento que usar vías ciegas/enterradas.

Capas de enrutamiento

Asegúrese de que exista una regla Routing Layers rule con una query de All. Se enumerarán todas las capas de señal habilitadas (definidas en el stackup de capas). Habilite las capas en las que desee permitir el enrutamiento, según sea necesario. Incluya reglas de mayor prioridad para las nets que quiera que se enruten solo en capas específicas.

Si desea excluir una net concreta (o una clase de nets) para que no sea enrutada por el autorouter, defina una regla Routing Layer dirigida a esa net o clase de net y, en la región Constraints de esa regla, asegúrese de que la opción Allow Routing para cada capa de señal habilitada esté deshabilitada. La prioridad de la regla debe ser mayor que la de la regla predeterminada (la que tiene una query de All).

Direcciones de capa

Las direcciones de enrutamiento preferidas se especifican en el cuadro de diálogo Layer Directions, al que se accede desde el cuadro de diálogo Situs Routing Strategies dialog. Se mostrarán todas las capas de señal habilitadas (definidas en el apilado de capas).

Elija direcciones de capa adecuadas que se ajusten al flujo de las líneas de conexión. Situs utiliza mapeo topológico para definir las rutas de enrutamiento, por lo que no está limitado a enrutar horizontal y verticalmente. Normalmente, lo mejor es que las capas externas sean horizontal y vertical. Sin embargo, si tiene una tarjeta multicapa con un gran número de conexiones en un ángulo de 'las 2 en punto', establezca una o más capas internas con esa dirección como dirección de enrutamiento preferida. En particular, la pasada Layer Patterns hace uso de esta información, y elegir la dirección correcta puede suponer una diferencia significativa en el rendimiento del enrutamiento tanto en tiempo como en calidad. Tenga en cuenta que cuando utiliza capas en ángulo no necesita tener una capa complementaria a 90 grados de esta capa, ya que el enrutador normalmente enruta horizontal o verticalmente si necesita evitar un obstáculo en una capa en ángulo.

El cuadro de diálogo Layer Directions

Prioridad de enrutamiento

Use las reglas de Routing Priority rules para establecer una prioridad más alta en las nets difíciles, o en aquellas para las que desea el enrutamiento más limpio.

Control de fanout SMD

El sistema de consultas incluye palabras clave que se dirigen específicamente a los distintos encapsulados de componentes de montaje superficial, incluidos IsLCC (Leadless Chip Carrier), IsSOIC (Small Outline IC) y IsBGA (Ball Grid Array). Se crean automáticamente reglas predeterminadas para los encapsulados más comunes y, dado que las pasadas de fanout se ejecutan al principio del proceso de autoenrutamiento, hay poca penalización por mantener reglas que no se aplican a ningún componente. Debe tener al menos una regla de diseño de control de fanout SMD si hay componentes de montaje superficial en la tarjeta; una consulta adecuada para una sola regla dirigida a todos los componentes de montaje superficial sería IsSMTComponent. Para obtener información sobre cómo cada palabra clave de consulta identifica un encapsulado de componente, abra el Query Helper, escriba la palabra clave requerida y presione F1 .

Las reglas de fanout incluyen ajustes que controlan si los pads deben tener fan-in o fan-out, o una combinación de ambos. Para ayudar a familiarizarse con el comportamiento de los atributos de la regla Fanout Control, el comando Route » Fanout » Component puede ejecutarse en cualquier componente de montaje superficial que no tenga nets asignadas. Además de usar esto para comprobar qué tan bien un componente hace fanout con la tecnología de enrutamiento actual definida en la tarjeta, también puede usarlo para hacer fanout de un componente que quiera conservar en una biblioteca como huella pre-fanout. Una vez que se haya hecho fanout en el espacio de trabajo PCB, copie y pegue el componente y las pistas y vías de fanout en una biblioteca.

Prioridades de reglas

La precedencia, o prioridad, de las reglas la define el diseñador. La prioridad de la regla se utiliza para determinar qué regla aplicar cuando un objeto está cubierto por más de una regla. Si la prioridad no está configurada correctamente, puede descubrir que una regla no se está aplicando en absoluto.

Por ejemplo, si la regla con una consulta de InNet('VCC') tiene una prioridad menor que la regla con una consulta de All, entonces la regla All se aplicará a la net VCC. Use el botón Priorities en el cuadro de diálogo PCB Rules and Constraints Editor dialog para acceder al cuadro de diálogo Edit Rule Priorities dialog, desde donde las prioridades pueden ajustarse según sea necesario. Tenga en cuenta que la prioridad no es importante cuando dos alcances de regla no se superponen (no se dirigen a los mismos objetos). Por ejemplo, no hay diferencia en cuál de estos dos alcances de regla tiene una prioridad más alta: InNet('VCC') o InNet('GND').

La regla de oro

El paso más importante es realizar una comprobación de reglas de diseño (DRC) antes de iniciar el autoenrutador. Al utilizar los comandos Route » Auto Route » Setup o Route » Auto Route » All, Situs lleva a cabo su propio análisis previo al enrutamiento y presenta los resultados como un informe en el cuadro de diálogo Situs Routing Strategies dialog. Desde el cuadro de diálogo, puede examinar el informe del diseño y elegir la estrategia que se usará durante el enrutamiento. La estrategia de enrutamiento es la inteligencia del enrutador, que define cuál de los diversos algoritmos de enrutamiento utilizar y cuándo para convertir las rutas de enrutamiento 'virtuales' identificadas en el mapa topológico en enrutamiento real sobre la tarjeta, de alta calidad y muy eficiente.

Asegúrese de que el Routing Setup Report esté limpio antes de iniciar el autoenrutador.

El informe proporciona información que incluye:

• Reglas de diseño actualmente definidas para el diseño que el autoenrutador respetará (y el número de objetos de diseño —nets, componentes, pads— afectados por cada regla)
• Direcciones de enrutamiento definidas para todas las capas de enrutamiento de señal
• Definiciones de pares de capas de perforación

El informe enumera posibles problemas que podrían afectar el rendimiento del enrutador. Cuando es posible, se proporcionan sugerencias para asesorar sobre una mejor preparación del diseño para el autoenrutamiento. Cualquier error/advertencia/sugerencia que aparezca en la lista debe revisarse detenidamente y, si es necesario, deben ajustarse las reglas de enrutamiento correspondientes antes de proceder a enrutar el diseño.

Revise todos los errores, advertencias y sugerencias para comprender qué problemas potenciales enfrentará el autoenrutador.

Es fundamental que cualquier violación de reglas relacionada con el enrutamiento se resuelva antes de iniciar el autoenrutador. Las violaciones no solo pueden impedir el enrutamiento en la ubicación de la infracción, sino que también pueden ralentizar enormemente el enrutador, ya que este intenta continuamente enrutar un área que no se puede enrutar.

Notas sobre la ejecución del AutoRouter de Situs

• Los comandos del autoenrutador están en el submenú Route » Auto Route.
• Tanto los comandos Route » Auto Route » All como Route » Auto Route » Setup abren el cuadro de diálogo Situs Routing Strategies dialog; la diferencia es que cuando elige All, el cuadro de diálogo incluye un botón Route All.
• No tema experimentar. Si los resultados no son aceptables, haga algo para cambiar el enfoque del enrutador. Agregue pasadas intermedias de limpieza y enderezado, deje más espacio alrededor de las áreas densas o cambie las direcciones de capa.
• A medida que experimente con el enrutador —creando sus propias estrategias para controlar el orden de las pasadas, cambiando el número de vías con el control Via, modificando las direcciones de enrutamiento de las capas, restringiendo el enrutador solo a rutas ortogonales, etc.— tome notas de las combinaciones que haya probado. De ese modo, podrá identificar y reutilizar qué configuraciones funcionan mejor con sus diseños.
• Ejecute primero por separado las pasadas de fanout y evalúe la calidad. Puede que necesite hacer manualmente el fanout en cualquier área problemática.

• Use los siguientes comandos del submenú Route » Auto Route para realizar acciones específicas de autoenrutamiento:

  • Net - enrutar todas las conexiones de una net especificada. Después de iniciar el comando, el autoenrutador se inicializará y el cursor cambiará a una cruz. Coloque el cursor sobre cualquier línea de conexión (o pad) de la net que desee enrutar y luego haga clic o presione Enter. El autoenrutador intentará autoenrutar todas las conexiones de la net usando la estrategia de enrutamiento Main .

  • Net Class - enrutar todas las conexiones en la(s) clase(s) de net especificada(s). Después de iniciar el comando, se abrirá el cuadro de diálogo Choose Net Classes to Route. Seleccione una o más clases de net que desee enrutar usando el autoenrutador y luego haga clic en OK; el autoenrutador intentará autoenrutar todas las conexiones de todas las nets en la(s) clase(s) de net elegida(s) usando la estrategia de enrutamiento Main.

    
    El cuadro de diálogo Choose Net Class to Route

  • Connection - enrutar una conexión específica pad a pad dentro del diseño actual.
  • Area - enrutar todas las conexiones que estén completamente contenidas (inicio y fin) dentro de un área especificada. Después de iniciar el comando, el autoenrutador se inicializará y el cursor cambiará a una cruz. Coloque el cursor y luego haga clic para fijar la primera esquina del área de enrutamiento. Mueva el cursor para dimensionar el área de enrutamiento y luego haga clic para fijar la segunda esquina. El autoenrutador intentará autoenrutar todas las conexiones que comiencen y terminen dentro del área designada usando la estrategia de enrutamiento Main .

  • Room - enrutar todas las conexiones que se encuentren completamente dentro de los límites de una sala seleccionada. Después de ejecutar el comando, el Autorouter se inicializará y el cursor cambiará a una cruz. Coloque el cursor sobre la sala que desea enrutar y luego haga clic o pulse Enter. El Autorouter intentará enrutar automáticamente todas las conexiones que se encuentren completamente dentro de los límites de la sala utilizando la estrategia de enrutamiento Main.

    Para enrutar todas las conexiones que se encuentren completamente dentro de los límites de la sala situada bajo el cursor, puede hacer clic con el botón derecho sobre una sala y elegir el comando Room Actions » Autoroute Room en el menú contextual. Después de ejecutar el comando, el Autorouter intentará enrutar automáticamente todas las conexiones que se encuentren completamente dentro de los límites de la sala utilizando la estrategia de enrutamiento Main.

  • Component - enrutar todas las conexiones que salen de los pads de un componente especificado. Después de ejecutar el comando, el Autorouter se inicializará y el cursor cambiará a una cruz. Coloque el cursor sobre el componente que desea enrutar y luego haga clic o pulse Enter. El Autorouter intentará enrutar automáticamente todas las conexiones que salen de los pads del componente elegido, hasta el siguiente pad encontrado en cada caso, utilizando la estrategia de enrutamiento Main.

    Para enrutar todas las conexiones que salen de los pads del componente situado bajo el cursor, puede hacer clic con el botón derecho sobre el componente y elegir el comando Component Actions » Autoroute Component en el menú contextual.

  • Component Class - enrutar todas las conexiones que salen de los pads de los componentes de la(s) clase(s) de componente especificada(s). Después de ejecutar el comando, se abrirá el cuadro de diálogo Choose Component Classes to Route. Seleccione una o más clases de componentes que desee enrutar mediante el Autorouter, especifique Connections Routing Mode y luego haga clic en OK ; el Autorouter intentará enrutar automáticamente todas las conexiones que salen de los pads de todos los componentes de la(s) clase(s) de componente elegida(s) utilizando la estrategia de enrutamiento Main.

    
    El cuadro de diálogo Choose Component Class to Route

  • Connections On Selected Components - enrutar todas las conexiones que salen de los pads de los componentes actualmente seleccionados en el espacio de diseño. Después de ejecutar el comando, el Autorouter intentará enrutar automáticamente todas las conexiones que salen de los pads de los componentes seleccionados, hasta el siguiente pad encontrado en cada caso, utilizando la estrategia de enrutamiento Main.
  • Connections Between Selected Components - enrutar todas las conexiones que discurren entre los componentes actualmente seleccionados en el espacio de diseño. Después de ejecutar el comando, el Autorouter intentará enrutar automáticamente todas las conexiones que discurren entre los pads de los componentes seleccionados utilizando la estrategia de enrutamiento Main.
• Use los siguientes comandos del submenú Route » Auto Route para controlar el proceso de enrutamiento automático:
  • Stop - finalizar el proceso de enrutamiento automático al completar la pasada de enrutamiento actual. El Autorouter se detendrá y no se realizará ningún enrutamiento adicional de la placa. Cualquier conexión de la placa que ya haya sido enrutada permanecerá enrutada.
  • Reset - restablecer el Autorouter: inicializa la memoria necesaria para el autorouter antes de que intente enrutar. Le permite modificar eficazmente la estrategia de enrutamiento existente, o cambiar a una estrategia de enrutamiento diferente, sobre la marcha, al enrutar toda la placa. Después de ejecutar el comando, se abrirá el cuadro de diálogo Situs Routing Strategies. Utilice el cuadro de diálogo para realizar cambios en la estrategia de enrutamiento actual (cuando esté disponible) o cambiar a otra diferente y luego haga clic en el botón Route All. El Autorouter se inicializará para enrutar según la estrategia modificada/diferente.
  • Pause - pausar la operación actual de enrutamiento automático. Después de ejecutar el comando, el progreso del Autorouter se detendrá temporalmente. Para continuar, vuelva a ejecutar el comando (que ahora aparece como el comando Route » Auto Route » Resume ).

Resumen de las pasadas de enrutamiento y las estrategias de enrutamiento

Las estrategias de enrutamiento actualmente definidas se muestran en la región inferior del cuadro de diálogo Situs Routing Strategies. Haga clic en el botón Add para acceder al cuadro de diálogo Situs Strategy Editor, desde donde puede especificar las pasadas que se incluirán en una nueva estrategia. Alternativamente, utilice el botón Duplicate para duplicar una estrategia existente y luego editarla según sea necesario. La inclusión de varias pasadas de enrutamiento y el orden en que se utilizan constituye la “inteligencia” del Autorouter. Estas pasadas se utilizan para convertir las rutas de enrutamiento virtual identificadas en el mapa topológico en rutas de alta calidad sobre la placa.

Ejemplo de edición de una estrategia duplicada.

Están disponibles las siguientes pasadas de enrutamiento. Las pasadas pueden utilizarse en cualquier orden; como guía, examine una estrategia existente para ver el orden de las pasadas.

Véase también