Layout automatico della scheda con il router automatico topologico Situs

L'instradamento delle connessioni su un circuito stampato è un'attività complessa che richiede molto tempo. Su schede di grandi dimensioni o ad alta densità, il processo di instradamento può richiedere al progettista un tempo considerevole: un autorouter può essere di aiuto in questo compito.

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 o dalle coordinate degli ostacoli. La mappatura topologica offre maggiore flessibilità nella determinazione dei percorsi delle piste e consente l'instradamento in qualsiasi direzione.

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 ricorre a una serie di algoritmi di instradamento collaudati per convertire questo percorso, simile a quello che sceglierebbe un essere umano, in piste di alta qualità. Essendo parte integrante dell'editor PCB, rispetta le definizioni delle regole elettriche e di instradamento del PCB.

Configurazione della scheda

Sebbene Situs sia semplice da configurare e utilizzare, è necessario tenere presenti alcuni aspetti per ottenere un instradamento ottimale.

Posizionamento dei componenti

In definitiva, il posizionamento dei componenti è il fattore che influisce maggiormente sulle prestazioni di instradamento. L'editor PCB di Altium Designer include diversi strumenti, come le linee di connessione ottimizzate dinamicamente, che consentono di perfezionare il posizionamento dei componenti. Il posizionamento ottimale si ottiene quando le linee di connessione sono il più corte possibile e presentano il minor numero possibile di intrecci.

Altre buone pratiche di progettazione includono il posizionamento dei componenti in modo che le piazzole si trovino su una griglia regolare, per massimizzare lo spazio libero tra le piazzole disponibile per l'instradamento; il posizionamento di componenti a montaggio superficiale di dimensioni simili esattamente uno di fronte all'altro sulle schede a doppia faccia; e la consultazione delle schede tecniche dei produttori dei dispositivi per le indicazioni sul posizionamento dei componenti di disaccoppiamento. Non si tratta di un elenco completo degli aspetti da considerare per il posizionamento, ma soltanto di alcuni suggerimenti.

Aree di esclusione

Il router richiede un contorno chiuso, costituito da oggetti di esclusione posizionati. In genere, questo contorno segue il bordo della scheda. Gli oggetti posizionati rispettano la regola di distanza minima applicabile per garantire che rimangano a una distanza adeguata da questo contorno e soddisfare gli eventuali requisiti di distanza meccanica o elettrica del progetto. Il router rispetta anche le aree di esclusione all'interno di questo contorno esterno, nonché quelle specifiche dei singoli layer.

È possibile creare un contorno chiuso che segua il bordo della sagoma della scheda utilizzando la finestra di dialogo Primitive linea/arco dalla sagoma della scheda. Per ulteriori informazioni sulle aree di esclusione, vedere Aree di esclusione specifiche per oggetto.

Riempimenti poligonali

I riempimenti poligonali, o di rame, possono essere pieni, ossia riempiti con una o più regioni di rame, oppure tratteggiati, ossia costituiti da piste e archi. Un riempimento poligonale tratteggiato di dimensioni medio-grandi comprende un numero elevato di piste e archi. Sebbene il router possa instradare una scheda che include questi riempimenti poligonali, l'elevato numero di oggetti che introducono aumenta la complessità del processo di instradamento.

In genere, è opportuno posizionare i riempimenti poligonali prima dell'instradamento solo se sono necessari, ad esempio quando vengono utilizzati per realizzare percorsi preinstradati di forma insolita, come il collegamento di ingresso dell'alimentazione di rete o una regione di massa critica. In caso contrario, è preferibile aggiungere i riempimenti poligonali al progetto una volta completato l'instradamento.

È possibile instradare la scheda?

Un autorouter rappresenta un 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, non sarà possibile instradarla neppure automaticamente. Se il router continua a fallire su un componente o su una sezione della scheda, è opportuno provare a instradarli in modo interattivo. Potrebbero esserci problemi di posizionamento o di configurazione delle regole che rendono impossibile l'instradamento.

Preinstradamento

Preinstradare 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 Strategie di instradamento Situs. Evitare tuttavia i blocchi non necessari: un numero elevato di oggetti bloccati può rendere il problema di instradamento molto più difficile.

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

Configurazione delle regole di progettazione

Assicurarsi che le regole di progettazione per l'instradamento siano appropriate alla tecnologia della scheda utilizzata. Regole di progettazione con un ambito di applicazione poco mirato o non appropriate possono compromettere notevolmente le prestazioni dell'instradamento automatico. Si noti che il router rispetta tutte le regole di progettazione elettriche e di instradamento, ad eccezione della regola relativa agli angoli di instradamento.

Le regole sono definite nella finestra di dialogo Editor delle regole e dei vincoli PCB (Design » Rules), accessibile direttamente dalla finestra di dialogo Situs Routing Strategies.

Se una regola include valori minimo, preferito e massimo, l'autorouter utilizzerà il valore preferito.

Le regole più importanti sono Larghezza e Distanza minima. Queste impostazioni della tecnologia di instradamento definiscono quanto fittamente possono essere disposte le piste. La loro scelta richiede un compromesso: piste più larghe e distanze maggiori facilitano la fabbricazione della scheda, mentre piste più strette e distanze minori ne facilitano l'instradamento. È consigliabile consultare il produttore per individuare le soglie di larghezza delle piste e di distanza minima al di sotto delle quali la resa produttiva diminuisce e il costo dei PCB aumenta. Oltre a soddisfare i requisiti elettrici del progetto, la tecnologia di instradamento deve essere scelta in funzione della tecnologia dei componenti, in modo da consentire il collegamento di ogni pin.

La terza regola che fa parte della tecnologia di instradamento è Stile dei via di instradamento. Anche questa deve essere scelta in funzione delle piste e delle distanze minime utilizzate, tenendo conto dei costi di fabbricazione legati alle dimensioni del foro e della corona anulare scelte.

È inoltre opportuno evitare regole eccessive o non necessarie: più regole comportano tempi di elaborazione maggiori e un instradamento più lento. Le regole possono essere disabilitate se non sono necessarie per l'instradamento automatico.

Larghezza delle piste

Assicurati che sia presente una regola Width con una query All (una regola predefinita) e che l'impostazione Preferred sia adatta alla larghezza delle piste richiesta più di frequente. Verifica che questa larghezza, insieme alla regola di clearance appropriata, consenta di raggiungere tutte le piazzole con le piste. Configura ulteriori regole di larghezza delle piste per le net che richiedono piste più larghe o più strette.

Se sono presenti componenti a passo fine con pin su net che richiedono piste più larghe, ad esempio le net di alimentazione, prova a tracciare una pista in uscita da un pin di alimentazione e anche dai pin immediatamente adiacenti su entrambi i lati, per verificare che sia fisicamente possibile sbrogliare questi pin.

Vincolo di clearance

Verifica se esistono requisiti di clearance particolari, ad esempio componenti a passo fine le cui piazzole sono più vicine tra loro rispetto alle clearance standard della scheda. Questi casi possono essere gestiti mediante una regola di progettazione con ambito e priorità adeguati. Tieni presente che, sebbene sia possibile definire una regola che si applichi a un footprint, questa non si applicherà alle piste collegate a quel footprint. Come già indicato nella sezione sulla larghezza delle piste, esegui uno sbroglio di prova per verificare che sia possibile raggiungere i pin del componente.

Stile dei via di sbroglio

Assicurati che sia presente una regola Routing Via Style con una query All e che l'impostazione preferita sia appropriata. Includi regole con priorità superiore per le net che richiedono uno stile di via diverso da quello della regola predefinita.

Altium Designer supporta via ciechi e interrati; il loro utilizzo è determinato dai cambi di layer consentiti dai tipi di via definiti nel Layer Stack Manager (Design » Layer Stack Manager). Come nello sbroglio interattivo, quando l'autorouter passa da un layer all'altro, verifica le definizioni correnti dei tipi di via: se questi layer sono definiti come una coppia di layer per via ciechi o interrati, il via posizionato avrà tali layer come layer iniziale e finale. È importante comprendere le limitazioni relative all'uso di via ciechi e interrati, che dovrebbero essere utilizzati solo dopo aver consultato il produttore. Oltre alle limitazioni imposte dalla tecnologia di fabbricazione dello stackup, occorre considerare anche l'affidabilità e l'accessibilità per i test. Alcuni progettisti ritengono preferibile aggiungere altri layer di sbroglio piuttosto che utilizzare via ciechi o interrati.

Layer di sbroglio

Assicurati che sia presente una regola Routing Layers con una query All. Verranno elencati tutti i layer di segnale abilitati, definiti nello stack dei layer. Abilita secondo necessità i layer sui quali desideri consentire lo sbroglio. Includi regole con priorità superiore per le net che desideri sbrogliare solo su layer specifici.

Se desideri escludere una determinata net, o una classe di net, dallo sbroglio automatico, definisci una regola Routing Layer che si applichi a quella net o classe di net e, nell'area Constraints della regola, assicurati che l'opzione Allow Routing sia disattivata per ogni layer di segnale abilitato. La priorità della regola deve essere superiore a quella della regola predefinita, ossia quella con query All.

Direzioni dei layer

Le direzioni di sbroglio preferite vengono specificate nella finestra di dialogo Layer Directions, accessibile dalla finestra di dialogo Situs Routing Strategies. Verranno elencati tutti i layer di segnale abilitati, definiti nello stack dei layer.

Scegli direzioni dei layer adatte all'andamento delle linee di connessione. Situs utilizza la mappatura topologica per definire i percorsi delle piste, quindi non è vincolato allo sbroglio orizzontale e verticale. In genere è preferibile impostare i layer esterni con direzioni orizzontali e verticali. Se però hai una scheda multistrato con molte connessioni orientate in direzione «ore 2», imposta questa direzione come preferita per uno o più layer interni. La passata Layer Patterns, in particolare, utilizza queste informazioni e la scelta della direzione corretta può fare una differenza significativa nelle prestazioni di sbroglio, sia in termini di tempo che di qualità. Tieni presente che, quando utilizzi layer con direzioni inclinate, non è necessario avere un layer abbinato orientato a 90 gradi rispetto a essi, poiché il router in genere traccia piste orizzontali o verticali se deve evitare un ostacolo su un layer con direzione inclinata.

La finestra di dialogo Layer Directions

Priorità di sbroglio

Utilizza le regole Routing Priority per assegnare una priorità superiore alle net difficili da sbrogliare o a quelle per le quali desideri ottenere uno sbroglio il più possibile pulito.

Controllo del fanout SMD

Il sistema di query include parole chiave che individuano specificamente i diversi package dei componenti a montaggio superficiale, tra cui 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 le passate di fanout vengono eseguite nelle prime fasi dello sbroglio automatico, mantenere regole che non si applicano ad alcun componente comporta un impatto minimo. Se sulla scheda sono presenti componenti a montaggio superficiale, dovrebbe esserci almeno una regola di progettazione per il controllo del fanout SMD: una query adatta a una singola regola applicabile a tutti i componenti a montaggio superficiale sarebbe IsSMTComponent. Per informazioni su come ciascuna parola chiave di query identifica un package, apri Query Helper, digita la parola chiave desiderata e premi F1.

Le regole di fanout includono impostazioni che controllano se le piste delle piazzole devono essere instradate verso l'interno, verso l'esterno o in entrambe le direzioni. Per familiarizzare con il comportamento degli attributi della regola Fanout Control, puoi eseguire il comando Route » Fanout » Component su qualsiasi componente a montaggio superficiale a cui non siano assegnate net. Oltre a verificare la qualità del fanout di un componente con la tecnologia di sbroglio attualmente definita nella scheda, puoi utilizzare questo comando per creare il fanout di un componente che desideri conservare in una libreria come footprint con fanout già predisposto. Una volta eseguito il fanout nell'area di lavoro PCB, copia e incolla in una libreria il componente insieme alle piste e ai via del fanout.

Priorità delle regole

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

Ad esempio, se la regola con la query InNet('VCC') ha una priorità inferiore rispetto alla regola con la query All, alla net VCC verrà applicata la regola All. Utilizza il pulsante Priorities nella finestra di dialogo PCB Rules and Constraints Editor per accedere alla finestra di dialogo Edit Rule Priorities, da cui è possibile modificare le priorità secondo necessità. Tieni presente che la priorità non è importante quando gli ambiti di applicazione di due regole non si sovrappongono (non riguardano gli stessi oggetti). Ad esempio, non fa alcuna differenza quale di questi due ambiti abbia la priorità più alta: InNet('VCC') o InNet('GND').

La regola d'oro

Il passaggio più importante è eseguire una verifica 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 allo sbroglio e presenta i risultati sotto forma di report nella finestra di dialogo Situs Routing Strategies. Da questa finestra puoi esaminare il report relativo al progetto e scegliere la strategia da utilizzare per lo sbroglio. La strategia di sbroglio costituisce l'intelligenza del router e definisce quali algoritmi di sbroglio utilizzare e quando, per trasformare i percorsi di sbroglio "virtuali" individuati nella mappa topologica in piste reali sulla scheda, di alta qualità ed efficienza.

Prima di avviare l'autorouter, assicurati che il Routing Setup Report non segnali problemi.

Il report fornisce informazioni tra cui:

• Le regole di progettazione attualmente definite per il progetto che l'autorouter rispetterà (e il numero di oggetti di progetto — net, componenti, pad — interessati da ciascuna regola)
• Le direzioni di sbroglio definite per tutti i layer di 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 preparare al meglio il progetto allo sbroglio automatico. Prima di procedere allo sbroglio del progetto, occorre esaminare attentamente tutti gli errori, gli avvisi e i suggerimenti elencati e, se necessario, modificare le relative regole di sbroglio.

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

È essenziale risolvere tutte le violazioni delle regole relative allo sbroglio prima di avviare l'autorouter. Le violazioni possono non solo impedire lo sbroglio nel punto in cui si verificano, ma anche rallentare notevolmente il router, che tenta ripetutamente di sbrogliare un'area impossibile da sbrogliare.

Note sull'utilizzo di Situs AutoRouter

• I comandi dell'autorouter si trovano nel sottomenu Route » Auto Route.
• Entrambi i comandi Route » Auto Route » All e Route » Auto Route » Setup aprono la finestra di dialogo Situs Routing Strategies; la differenza è che, scegliendo All, la finestra include un pulsante Route All.
• Non esitare a sperimentare. Se i risultati non sono accettabili, intervieni per modificare l'approccio del router. Aggiungi passate intermedie di pulizia e raddrizzamento delle piste, lascia più spazio attorno alle aree ad alta densità oppure modifica le direzioni dei layer.
• Mentre sperimenti con il router — creando strategie personalizzate per controllare l'ordine delle passate, modificando il numero di via tramite il controllo Via, cambiando le direzioni dei layer di sbroglio, limitando il router ai soli percorsi ortogonali e così via — prendi nota delle combinazioni provate. In questo modo potrai individuare e riutilizzare le configurazioni più adatte ai tuoi progetti.
• Esegui prima le passate di fanout separatamente e valutane la qualità. Potrebbe essere necessario eseguire manualmente il fanout nelle aree problematiche.

• Utilizza i seguenti comandi del sottomenu Route » Auto Route per eseguire specifiche operazioni di sbroglio automatico:

  • Net - sbroglia tutte le connessioni di una net specificata. Dopo l'avvio del comando, l'autorouter verrà inizializzato e il cursore assumerà la forma di un mirino. Posiziona il cursore su una qualsiasi linea di connessione (o pad) della net da sbrogliare, quindi fai clic oppure premi Enter. L'autorouter tenterà di sbrogliare automaticamente tutte le connessioni della net utilizzando la strategia di sbroglio Main.

  • Net Class - sbroglia tutte le connessioni delle classi di net specificate. Dopo l'avvio del comando, si aprirà la finestra di dialogo Choose Net Classes to Route. Seleziona una o più classi di net da sbrogliare con l'autorouter, quindi fai clic su OK: l'autorouter tenterà di sbrogliare automaticamente tutte le connessioni di tutte le net appartenenti alle classi selezionate utilizzando la strategia di sbroglio Main.

    
    La finestra di dialogo Choose Net Class to Route

  • Connection - sbroglia una specifica connessione da pad a pad all'interno del progetto corrente.
  • Area - sbroglia tutte le connessioni interamente contenute (inizio e fine) in un'area specificata. Dopo l'avvio del comando, l'autorouter verrà inizializzato e il cursore assumerà la forma di un mirino. Posiziona il cursore e fai clic per fissare il primo angolo dell'area di sbroglio. Sposta il cursore per definire le dimensioni dell'area, quindi fai clic per fissare il secondo angolo. L'autorouter tenterà di sbrogliare automaticamente tutte le connessioni che iniziano e terminano all'interno dell'area designata utilizzando la strategia di sbroglio Main.

  • Room - sbroglia tutte le connessioni interamente contenute nei confini di una room selezionata. Dopo l'avvio del comando, l'autorouter verrà inizializzato e il cursore assumerà la forma di un mirino. Posiziona il cursore sulla room da sbrogliare, quindi fai clic oppure premi Enter. L'autorouter tenterà di sbrogliare automaticamente tutte le connessioni interamente contenute nei confini della room utilizzando la strategia di sbroglio Main.

    Per sbrogliare tutte le connessioni interamente contenute nei confini della room sotto il cursore, puoi fare clic con il pulsante destro del mouse su una room e scegliere il comando Room Actions » Autoroute Room dal menu contestuale. Dopo l'avvio del comando, l'autorouter tenterà di sbrogliare automaticamente tutte le connessioni interamente contenute nei confini della room utilizzando la strategia di sbroglio Main.

  • Component - sbroglia tutte le connessioni che partono dai pad di un componente specificato. Dopo l'avvio del comando, l'autorouter verrà inizializzato e il cursore assumerà la forma di un mirino. Posiziona il cursore sul componente da sbrogliare, quindi fai clic oppure premi Enter. L'autorouter tenterà di sbrogliare automaticamente tutte le connessioni che partono dai pad del componente scelto, in ciascun caso fino al successivo pad incontrato, utilizzando la strategia di sbroglio Main.

    Per sbrogliare tutte le connessioni che partono 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 - sbroglia tutte le connessioni che partono dai pad dei componenti appartenenti alle classi di componenti specificate. Dopo l'avvio del comando, si aprirà la finestra di dialogo Choose Component Classes to Route. Seleziona una o più classi di componenti da sbrogliare con l'autorouter, specifica Connections Routing Mode quindi fai clic su OK : l'autorouter tenterà di sbrogliare automaticamente tutte le connessioni che partono dai pad di tutti i componenti appartenenti alle classi selezionate utilizzando la strategia di sbroglio Main.

    
    La finestra di dialogo Choose Component Class to Route

  • Connections On Selected Components - sbroglia tutte le connessioni che partono dai pad dei componenti attualmente selezionati nell' area di progettazione. Dopo l'avvio del comando, l'Autorouter tenterà di sbrogliare automaticamente tutte le connessioni che partono dai pad dei componenti selezionati, fino al successivo pad incontrato in ciascun caso, utilizzando la strategia di sbroglio Main.
  • Connections Between Selected Components - sbroglia tutte le connessioni tra i componenti attualmente selezionati nell'area di progettazione. Dopo l'avvio del comando, l'Autorouter tenterà di sbrogliare automaticamente tutte le connessioni tra i pad dei componenti selezionati utilizzando la strategia di sbroglio Main.
• Utilizzare i seguenti comandi del sottomenu Route » Auto Route per controllare il processo di sbroglio automatico:
  • Stop - termina il processo di sbroglio automatico al completamento del passaggio di sbroglio corrente. L'Autorouter si arresterà e non verrà eseguito alcun ulteriore sbroglio della scheda. Tutte le connessioni della scheda già sbrogliate rimarranno tali.
  • Reset - reimposta l'Autorouter, inizializzando la memoria necessaria prima che tenti di eseguire lo sbroglio. Consente di modificare la strategia di sbroglio esistente, o di passare a una strategia diversa, in tempo reale durante lo sbroglio dell'intera scheda. Dopo l'avvio del comando, si aprirà la finestra di dialogo Situs Routing Strategies. Utilizzare la finestra di dialogo per apportare modifiche alla strategia di sbroglio corrente (ove possibile) o passare a una strategia diversa, quindi fare clic sul pulsante Route All. L'Autorouter verrà inizializzato per lo sbroglio in base alla strategia modificata o selezionata.
  • Pause - mette in pausa l'operazione di sbroglio automatico corrente. Dopo l'avvio del comando, l'esecuzione dell'Autorouter verrà temporaneamente sospesa. Per riprendere, eseguire nuovamente il comando (che ora appare come comando Route » Auto Route » Resume ).

Riepilogo dei passaggi e delle strategie di sbroglio

Le strategie di sbroglio attualmente definite sono elencate nella parte inferiore della finestra di dialogo Situs Routing Strategies. Fare clic sul pulsante Add per accedere alla finestra di dialogo Situs Strategy Editor, in cui è possibile specificare i passaggi da includere in una nuova strategia. In alternativa, utilizzare il pulsante Duplicate per duplicare una strategia esistente e modificarla secondo necessità. L'inclusione dei vari passaggi di sbroglio e l'ordine in cui vengono utilizzati costituiscono l'«intelligenza» dell'Autorouter. Questi passaggi vengono utilizzati per trasformare i percorsi di sbroglio virtuali identificati nella mappa topologica in piste di alta qualità sulla scheda.

Esempio di modifica di una strategia duplicata.

Sono disponibili le seguenti passate di sbroglio. Le passate possono essere utilizzate in qualsiasi ordine; come riferimento, esaminare una strategia esistente per verificarne l'ordine.

Vedi anche