Automated Board Layout using the Situs Topological Autorouter

L'instradamento delle connessioni su una scheda a circuito stampato è un'attività complessa e che richiede molto tempo. Su schede grandi o dense, il processo di instradamento può richiedere al progettista molto tempo, ed è qui che un autorouter può essere di aiuto.

L'autorouter Situs™ di Altium Designer utilizza una tecnica di analisi topologica per mappare lo spazio della scheda che, a differenza della mappatura geometrica o basata sulle forme, non dipende dalla forma degli ostacoli o dalle coordinate. La mappatura topologica offre maggiore flessibilità nella determinazione del percorso di instradamento e una direzione di instradamento non vincolata.

Instradamento automatico della scheda

Il router topologico Situs introduce un nuovo approccio alla sfida dell'instradamento automatico. Utilizza innanzitutto una mappatura topologica avanzata per definire il percorso di instradamento, quindi richiama una varietà di algoritmi di instradamento collaudati per convertire questo percorso “simile a quello umano” in un instradamento di alta qualità. Come parte integrante del PCB Editor, segue le definizioni delle regole elettriche e di instradamento del PCB.

Impostazione della scheda

Sebbene Situs sia semplice da configurare e da eseguire, ci sono alcuni aspetti di cui è bene essere consapevoli per ottenere un instradamento ottimale.

Posizionamento dei componenti

In definitiva, il posizionamento dei componenti ha l'impatto più significativo sulle prestazioni di instradamento. Il PCB Editor di Altium Designer include numerosi strumenti, come le linee di connessione ottimizzate dinamicamente, che consentono di perfezionare il posizionamento dei componenti. Il posizionamento ottimale dei componenti si ottiene quando le linee di connessione sono il più corte possibile e il meno “ingarbugliate” possibile.

Altre buone pratiche di progettazione includono il posizionamento dei componenti in modo che i loro pad siano su una griglia regolare (per massimizzare la quantità di spazio libero tra i pad per l'instradamento), il posizionamento di componenti a montaggio superficiale di dimensioni simili esattamente uno di fronte all'altro su schede a doppia faccia e la consultazione dei datasheet dei produttori dei dispositivi per le linee guida sul posizionamento dei condensatori di disaccoppiamento. Questo non è un elenco completo delle considerazioni sul posizionamento, ma solo alcuni suggerimenti.

Keepout

Il router richiede un contorno chiuso, costituito da oggetti keepout posizionati. In genere, questo contorno segue il bordo della scheda. Gli oggetti posizionati rispetteranno la regola di clearance applicabile per garantire che rimangano a una distanza adeguata da questo contorno, così da soddisfare eventuali requisiti di distanza meccanica o elettrica del progetto. Il router rispetterà anche i keepout all'interno di questo contorno esterno, nonché i keepout specifici del layer.

È possibile creare un contorno chiuso che segua il bordo della forma della scheda utilizzando la finestra di dialogo Line/Arc Primitives from Board Shape. Per ulteriori informazioni sui keepout, vedere Object Specific Keepouts.

Riempimenti poligonali

I riempimenti poligonali (o di rame) possono essere pieni (riempiti con una o più regioni di rame) oppure retinati (costruiti con tracce e archi). Un riempimento poligonale retinato di dimensioni medio-grandi include un gran numero di tracce e archi. Sebbene il router possa instradare una scheda che include tali riempimenti poligonali, l'elevato numero di oggetti che essi introducono aumenta la complessità del processo di instradamento.

In genere, i riempimenti poligonali dovrebbero essere posizionati prima dell'instradamento solo se necessari; ad esempio, se vengono utilizzati per costruire un pre-instradamento di forma insolita, magari per l'instradamento dell'alimentazione di rete in ingresso o per una regione di massa critica. In caso contrario, è preferibile aggiungere i riempimenti poligonali al progetto una volta completato l'instradamento.

È instradabile?

Un autorouter è il tentativo umano di comprendere e modellare il processo di instradamento, per poi replicarlo automaticamente. Se la scheda contiene un'area che non può essere instradata manualmente, allora non potrà essere instradata automaticamente. Se il router continua a fallire su un componente o su una sezione della scheda, è opportuno tentare di instradarla in modo interattivo. Potrebbero esserci problemi di posizionamento o di configurazione delle regole che rendono impossibile qualsiasi instradamento.

Pre-instradamento

Pre-instradare le net critiche e, se è essenziale che non vengano modificate dal processo di instradamento, bloccarle abilitando l'opzione Lock All Pre-routes nella finestra di dialogo Situs Routing Strategies dialog. Evitare tuttavia blocchi non necessari; un gran numero di oggetti bloccati può rendere il problema di instradamento molto più difficile.

Le net di coppie differenziali devono essere instradate manualmente e bloccate prima di utilizzare l'autorouter. In caso contrario, è molto probabile che l'instradamento cambi e alteri l'integrità del segnale della coppia differenziale.

Configurazione delle regole di progettazione

Assicurarsi che le regole di progettazione per l'instradamento siano appropriate per la tecnologia della scheda in uso. Regole di progettazione poco mirate o inappropriate possono portare a prestazioni di instradamento automatico molto scarse. Si noti che il router rispetta tutte le regole di progettazione Electrical e Routing, ad eccezione della regola Routing Corners.

Le regole sono definite nella finestra di dialogo PCB Rules and Constraints Editor dialog (Design » Rules), alla quale è possibile accedere direttamente dalla finestra di dialogo Situs Routing Strategies.

Se una regola include valori Minimum, Preferred e Maximum, l'autorouter utilizzerà il valore Preferred.

Le regole più importanti sono le regole Width e Clearance. Queste impostazioni della tecnologia di instradamento definiscono quanto strettamente l'instradamento possa essere “compattato”. La loro selezione è un processo di bilanciamento: più larghe sono le tracce e maggiore è la clearance, più facile sarà fabbricare la scheda; viceversa, più strette sono tracce e clearance, più facile sarà instradare la scheda. È consigliabile consultare il proprio produttore per stabilire i suoi “price points” per larghezze di instradamento e clearance, ovvero quei valori al di sotto dei quali si avranno rese di fabbricazione inferiori e PCB più costosi. Oltre a soddisfare i requisiti elettrici del progetto, la tecnologia di instradamento dovrebbe essere scelta anche in funzione della tecnologia dei componenti, in modo da consentire l'instradamento verso ciascun pin.

La terza regola che fa parte della tecnologia di instradamento è la Routing Via Style. Anche questa dovrebbe essere selezionata in modo coerente con le tracce e le clearance utilizzate, tenendo conto dei costi di fabbricazione associati alla dimensione del foro e dell'anello anulare scelti.

Si dovrebbero inoltre evitare regole eccessive o non necessarie: più regole ci sono, maggiore è il tempo di elaborazione e più lento sarà l'instradamento. Le regole possono essere disabilitate se non sono necessarie per l'instradamento automatico.

Larghezza di instradamento

Assicurarsi che esista una Width rule con una Query di All (una regola predefinita) e che l'impostazione Preferred sia appropriata per la larghezza di instradamento più comune richiesta. Assicurarsi che questa larghezza, in combinazione con la regola di clearance appropriata, consenta l'instradamento verso tutti i pad. Configurare regole aggiuntive per la larghezza di instradamento per le net che richiedono un instradamento più largo o più stretto.

Se sono presenti componenti a passo fine con pin su net che richiedono larghezze di instradamento maggiori, ad esempio net di alimentazione, eseguire una prova di instradamento in uscita da un pin di alimentazione e instradare anche il pin su ciascun lato per assicurarsi che sia fisicamente possibile instradare questi pin.

Vincolo di clearance

Verificare eventuali requisiti speciali di clearance, come componenti a passo fine i cui pad sono più vicini delle clearance standard della scheda. Questi casi possono essere gestiti utilizzando una regola di progettazione con ambito e priorità adeguati. Si noti che, sebbene sia possibile definire una regola che si applichi a un footprint, essa non si applicherà all'instradamento che si collega a quel footprint. Come appena menzionato nella sezione Larghezza di instradamento, eseguire una prova di instradamento per assicurarsi che i pin del componente siano instradabili.

Stile delle via di instradamento

Assicurarsi che esista una regola Routing Via Style rule con una Query di All e che l'impostazione preferred sia appropriata. Includere regole con priorità più alta per quelle net che richiedono uno stile di via diverso rispetto alla regola predefinita.

Altium Designer supporta via cieche e interrate; il loro utilizzo è determinato dai cambi di layer consentiti dai Via Types definiti nel Layer Stack Manager (Design » Layer Stack Manager). Come nell'instradamento interattivo, quando l'autorouter passa da due layer all'altro controlla le definizioni correnti di Via Type: se questi layer sono definiti come una coppia di layer ciechi o interrati, la via posizionata avrà questi layer come layer iniziale e finale. È importante comprendere le limitazioni nell'uso di via cieche/interrate; dovrebbero essere utilizzate solo in consultazione con il proprio produttore. Oltre alle limitazioni imposte dalla tecnologia di stackup di fabbricazione, vi sono anche considerazioni relative all'affidabilità e all'accessibilità per i test. Alcuni progettisti ritengono preferibile aggiungere più layer di instradamento piuttosto che utilizzare via cieche/interrate.

Layer di instradamento

Assicurarsi che esista una regola Routing Layers rule con una query di All. Verranno elencati tutti i layer di segnale abilitati (definiti nello stack dei layer). Abilitare, secondo necessità, i layer sui quali si desidera consentire l'instradamento. Includere regole con priorità più alta per le net che si desidera vengano instradate solo su layer specifici.

Se si desidera escludere una particolare net (o classe di net) dall'instradamento da parte dell'autorouter, definire una regola Routing Layer che si applichi a quella net o classe di net e, nell'area Constraints di tale regola, assicurarsi che l'opzione Allow Routing per ciascun layer di segnale abilitato sia disabilitata. La priorità della regola deve essere superiore a quella della regola predefinita (quella con una query di All).

Direzioni dei layer

Le direzioni di instradamento preferite sono specificate nella finestra di dialogo Layer Directions, a cui si accede dalla finestra di dialogo Situs Routing Strategies dialog. Verranno elencati tutti i layer di segnale abilitati (definiti nello stack dei layer).

Scegli direzioni dei layer appropriate in base al flusso delle linee di connessione. Situs utilizza la mappatura topologica per definire i percorsi di instradamento, quindi non è vincolato a instradare solo in orizzontale e verticale. In genere è preferibile impostare i layer esterni come orizzontali e verticali. Se però hai una scheda multistrato con un gran numero di connessioni con un angolo di "ore 2", imposta uno o più layer interni con questa direzione come direzione di instradamento preferita. In particolare, il passaggio Layer Patterns sfrutta queste informazioni e la scelta della direzione corretta può fare una differenza significativa nelle prestazioni di instradamento, sia in termini di tempo sia di qualità. Nota che quando utilizzi layer angolati non è necessario avere un layer complementare orientato a 90 gradi rispetto a questo layer, poiché il router in genere instraderà orizzontalmente o verticalmente se deve evitare un ostacolo su un layer angolato.

La finestra di dialogo Layer Directions

Priorità di instradamento

Usa le regole Routing Priority rules per impostare una priorità più alta sulle net difficili, o su quelle per cui desideri l'instradamento più pulito.

Controllo del fanout SMD

Il sistema di query include parole chiave che individuano in modo specifico i diversi package di componenti a montaggio superficiale, inclusi IsLCC (Leadless Chip Carrier), IsSOIC (Small Outline IC) e IsBGA (Ball Grid Array). Le regole predefinite vengono create automaticamente per i package più comuni e, poiché i passaggi di fanout vengono eseguiti nelle prime fasi del processo di autorouting, mantenere regole che non si applicano ad alcun componente comporta una penalizzazione minima. Dovresti avere almeno una regola di progettazione per il controllo del fanout SMD se sulla scheda sono presenti componenti a montaggio superficiale: una query adatta per una singola regola che si applica a tutti i componenti a montaggio superficiale sarebbe IsSMTComponent. Per informazioni su come ciascuna parola chiave di query identifica un package di componente, apri Query Helper, digita la parola chiave richiesta e premi F1 .

Le regole di fanout includono impostazioni che controllano se i pad devono avere fanout verso l'interno, verso l'esterno o una combinazione di entrambi. Per acquisire familiarità con il comportamento degli attributi della regola Fanout Control, il comando Route » Fanout » Component può essere eseguito su qualsiasi componente a montaggio superficiale a cui non siano assegnate net. Oltre a usarlo per verificare quanto bene un componente esegue il fanout con l'attuale tecnologia di instradamento definita nella scheda, puoi anche usarlo per eseguire il fanout di un componente che desideri conservare in una libreria come footprint con fanout predefinito. Una volta eseguito il fanout nell'area di lavoro PCB, copia e incolla il componente e le tracce e via di fanout in una libreria.

Priorità delle regole

La precedenza, o priorità, delle regole è definita dal progettista. La priorità delle regole viene utilizzata per determinare quale regola applicare quando un oggetto è coperto da più di una regola. Se la priorità non è impostata correttamente, potresti riscontrare che una regola non viene applicata affatto.

Ad esempio, se la regola con una query InNet('VCC') ha una priorità inferiore rispetto alla regola con una query All, allora la regola All verrà applicata alla net VCC. Usa il pulsante Priorities nella finestra di dialogo PCB Rules and Constraints Editor dialog per accedere alla finestra di dialogo Edit Rule Priorities dialog, da cui le priorità possono essere perfezionate secondo necessità. Nota che la priorità non è importante quando gli ambiti di due regole non si sovrappongono (non si applicano agli stessi oggetti). Ad esempio, non fa alcuna differenza quale di questi due ambiti di regola abbia una priorità più alta: InNet('VCC') oppure InNet('GND').

La regola d'oro

Il passaggio più importante è eseguire un controllo delle regole di progettazione (DRC) prima di avviare l'autorouter. Quando si utilizzano i comandi Route » Auto Route » Setup o Route » Auto Route » All, Situs esegue una propria analisi preliminare dell'instradamento e presenta i risultati come report nella finestra di dialogo Situs Routing Strategies dialog. Da questa finestra di dialogo puoi esaminare il report del progetto e scegliere la strategia da utilizzare per l'instradamento. La strategia di instradamento rappresenta l'intelligenza del Router e definisce quali dei vari algoritmi di instradamento usare e quando, per trasformare i percorsi di instradamento "virtuali" identificati nella mappa topologica in un instradamento reale sulla scheda, di alta qualità e altamente efficiente.

Assicurati che il Routing Setup Report sia privo di problemi prima di avviare l'autorouter.

Il report fornisce informazioni che includono:

• Le regole di progettazione attualmente definite per il progetto che saranno rispettate dall'autorouter (e il numero di oggetti di progettazione - net, componenti, pad - interessati da ciascuna regola)
• Le direzioni di instradamento definite per tutti i layer di instradamento del segnale
• Le definizioni delle coppie di layer di foratura

Il report elenca i potenziali problemi che potrebbero influire sulle prestazioni del router. Ove possibile, vengono forniti suggerimenti per aiutare a preparare meglio il progetto per l'autorouting. Eventuali errori/avvisi/suggerimenti elencati devono essere esaminati attentamente e, se necessario, le corrispondenti regole di instradamento devono essere modificate prima di procedere con l'instradamento del progetto.

Controlla tutti gli errori, gli avvisi e i suggerimenti per comprendere quali potenziali problemi dovrà affrontare l'autorouter.

È essenziale risolvere qualsiasi violazione delle regole relativa all'instradamento prima di avviare l'autorouter. Le violazioni non solo possono impedire l'instradamento nel punto in cui si verificano, ma possono anche rallentare notevolmente il router, che tenterà continuamente di instradare un'area non instradabile.

Note sull'esecuzione di Situs AutoRouter

• I comandi dell'Autorouter si trovano nel sottomenu Route » Auto Route.
• Sia il comando Route » Auto Route » All sia il comando Route » Auto Route » Setup aprono la finestra di dialogo Situs Routing Strategies dialog; la differenza è che quando scegli All, la finestra di dialogo include un pulsante Route All.
• Non aver paura di sperimentare. Se i risultati non sono accettabili, modifica qualcosa nell'approccio del router. Aggiungi passaggi intermedi di pulizia e raddrizzamento, crea più spazio attorno alle aree dense oppure cambia le direzioni dei layer.
• Mentre sperimenti con il router - creando le tue strategie per controllare l'ordine dei passaggi, modificando il numero di via con il controllo Via, cambiando le direzioni dei layer di instradamento, vincolando il router a soli percorsi ortogonali e così via - prendi nota delle combinazioni che hai provato. In questo modo potrai identificare e riutilizzare le configurazioni che funzionano meglio con i tuoi progetti.
• Esegui prima da soli i passaggi di fanout e valutane la qualità. Potrebbe essere necessario eseguire manualmente il fanout di eventuali aree problematiche.

• Usa i seguenti comandi del sottomenu Route » Auto Route per eseguire azioni specifiche di auto-instradamento:

  • Net - instrada tutte le connessioni in una net specificata. Dopo aver avviato il comando, l'Autorouter verrà inizializzato e il cursore cambierà in un mirino. Posiziona il cursore su una qualsiasi linea di connessione (o pad) nella net che desideri instradare, quindi fai clic oppure premi Enter. L'Autorouter tenterà di auto-instradare tutte le connessioni nella net utilizzando la strategia di instradamento Main.

  • Net Class - instrada tutte le connessioni nelle classi di net specificate. Dopo aver avviato il comando, si aprirà la finestra di dialogo Choose Net Classes to Route. Seleziona una o più classi di net che desideri instradare con l'Autorouter, quindi fai clic su OK: l'Autorouter tenterà di auto-instradare tutte le connessioni di tutte le net nelle classi di net selezionate utilizzando la strategia di instradamento Main.

    
    La finestra di dialogo Choose Net Class to Route

  • Connection - instrada una specifica connessione pad-to-pad all'interno del progetto corrente.
  • Area - instrada tutte le connessioni completamente contenute (inizio e fine) all'interno di un'area specificata. Dopo aver avviato il comando, l'Autorouter verrà inizializzato e il cursore cambierà in un mirino. Posiziona il cursore, quindi fai clic per fissare il primo angolo dell'area di instradamento. Sposta il cursore per dimensionare l'area di instradamento, quindi fai clic per fissare il secondo angolo. L'Autorouter tenterà di auto-instradare tutte le connessioni che iniziano e terminano all'interno dell'area designata utilizzando la strategia di instradamento Main.

  • Room - instrada tutte le connessioni che risiedono completamente entro i confini di una stanza selezionata. Dopo aver avviato il comando, l'Autorouter verrà inizializzato e il cursore cambierà in un mirino. Posiziona il cursore sulla stanza che desideri instradare, quindi fai clic o premi Enter. L'Autorouter tenterà di instradare automaticamente tutte le connessioni che risiedono completamente entro i confini della stanza utilizzando la strategia di instradamento Main.

    Per instradare tutte le connessioni che risiedono completamente entro i confini della stanza sotto il cursore, puoi fare clic con il pulsante destro del mouse su una stanza e scegliere il comando Room Actions » Autoroute Room dal menu contestuale. Dopo aver avviato il comando, l'Autorouter tenterà di instradare automaticamente tutte le connessioni che risiedono completamente entro i confini della stanza utilizzando la strategia di instradamento Main.

  • Component - instrada tutte le connessioni che si diramano dai pad di un componente specificato. Dopo aver avviato il comando, l'Autorouter verrà inizializzato e il cursore cambierà in un mirino. Posiziona il cursore sul componente che desideri instradare, quindi fai clic o premi Enter. L'Autorouter tenterà di instradare automaticamente tutte le connessioni che si diramano dai pad del componente scelto, fino al pad successivo incontrato in ciascun caso, utilizzando la strategia di instradamento Main.

    Per instradare tutte le connessioni che si diramano dai pad del componente sotto il cursore, puoi fare clic con il pulsante destro del mouse sul componente e scegliere il comando Component Actions » Autoroute Component dal menu contestuale.

  • Component Class - instrada tutte le connessioni che si diramano dai pad dei componenti nelle classi di componenti specificate. Dopo aver avviato il comando, si aprirà la finestra di dialogo Choose Component Classes to Route. Seleziona una o più classi di componenti che desideri instradare utilizzando l'Autorouter, specifica Connections Routing Mode quindi fai clic su OK : l'Autorouter tenterà di instradare automaticamente tutte le connessioni che si diramano dai pad di tutti i componenti nelle classi di componenti scelte utilizzando la strategia di instradamento Main.

    
    La finestra di dialogo Choose Component Class to Route

  • Connections On Selected Components - instrada tutte le connessioni che si diramano dai pad dei componenti attualmente selezionati nello spazio di progettazione. Dopo aver avviato il comando, l'Autorouter tenterà di instradare automaticamente tutte le connessioni che si diramano dai pad dei componenti selezionati, fino al pad successivo incontrato in ciascun caso, utilizzando la strategia di instradamento Main.
  • Connections Between Selected Components - instrada tutte le connessioni che corrono tra i componenti attualmente selezionati nello spazio di progettazione. Dopo aver avviato il comando, l'Autorouter tenterà di instradare automaticamente tutte le connessioni che corrono tra i pad dei componenti selezionati utilizzando la strategia di instradamento Main.
• Usa i seguenti comandi del sottomenu Route » Auto Route per controllare il processo di instradamento automatico:
  • Stop - termina il processo di instradamento automatico al completamento del passaggio di instradamento corrente. L'Autorouter si fermerà e non verrà eseguito alcun ulteriore instradamento della scheda. Tutte le connessioni sulla scheda che sono già state instradate rimarranno instradate.
  • Reset - reimposta l'Autorouter, inizializzando la memoria necessaria all'autorouter prima che tenti di instradare. Ciò consente di modificare efficacemente la strategia di instradamento esistente, o di passare a una strategia di instradamento diversa, al volo, durante l'instradamento dell'intera scheda. Dopo aver avviato il comando, si aprirà la finestra di dialogo Situs Routing Strategies. Usa la finestra di dialogo per apportare modifiche alla strategia di instradamento corrente (ove disponibile) o passare a una diversa, quindi fai clic sul pulsante Route All. L'Autorouter verrà inizializzato per l'instradamento in base alla strategia modificata/diversa.
  • Pause - mette in pausa l'operazione di instradamento automatico corrente. Dopo aver avviato il comando, l'avanzamento dell'Autorouter verrà temporaneamente arrestato. Per continuare, esegui nuovamente il comando (che ora appare come comando Route » Auto Route » Resume ).

Riepilogo dei passaggi di instradamento e delle strategie di instradamento

Le strategie di instradamento attualmente definite sono elencate nella regione inferiore della finestra di dialogo Situs Routing Strategies. Fai clic sul pulsante Add per accedere alla finestra di dialogo Situs Strategy Editor, dalla quale puoi specificare i passaggi da includere in una nuova strategia. In alternativa, usa il pulsante Duplicate per duplicare una strategia esistente e quindi modificarla secondo necessità. L'inclusione dei vari passaggi di instradamento e l'ordine in cui vengono utilizzati costituiscono l'"intelligenza" dell'Autorouter. Questi passaggi vengono utilizzati per trasformare i percorsi di instradamento virtuali identificati nella mappa topologica in instradamenti di alta qualità sulla scheda.

Esempio di modifica di una strategia duplicata.

Sono disponibili i seguenti passaggi di instradamento. I passaggi possono essere utilizzati in qualsiasi ordine; come guida, esaminare una strategia esistente per vedere l'ordine dei passaggi.

Vedi anche