Automated Board Layout using the Situs Topological Autorouter

O encaminhamento das ligações numa placa de circuito impresso é uma atividade complexa e morosa. Em placas grandes ou densas, o processo de routing pode consumir bastante tempo ao projetista, algo em que um autorouter pode ajudar.

O autorouter Situs™ do Altium Designer utiliza uma técnica de análise topológica para mapear o espaço da placa que, ao contrário do mapeamento geométrico ou baseado em formas, não depende da forma dos obstáculos nem das coordenadas. O mapeamento topológico proporciona maior flexibilidade na determinação do percurso de routing e uma direção de routing sem restrições.

Autorouting da Placa

O Router Topológico Situs introduz uma nova abordagem ao desafio do autorouting. Utiliza primeiro um mapeamento topológico avançado para definir o percurso de routing e depois recorre a uma variedade de algoritmos de routing comprovados para converter este percurso “semelhante ao humano” numa rota de elevada qualidade. Como parte integrante do PCB Editor, segue as definições das regras elétricas e de routing da PCB.

Configuração da Placa

Embora o Situs seja simples de configurar e executar, há certos aspetos dos quais deve estar ciente para obter um routing ideal.

Posicionamento de Componentes

Em última análise, o posicionamento dos componentes é o fator com maior impacto no desempenho do routing. O PCB Editor do Altium Designer inclui várias ferramentas, como linhas de ligação dinamicamente otimizadas, que permitem afinar o posicionamento dos componentes. O posicionamento ideal dos componentes é aquele em que as linhas de ligação são tão curtas e o menos “emaranhadas” possível.

Outras boas práticas de projeto incluem colocar os componentes de modo a que os seus pads fiquem numa grelha regular (para maximizar a quantidade de espaço livre entre os pads para routing), colocar componentes SMD de tamanho semelhante exatamente em posições opostas em placas de dupla face e consultar as folhas de dados dos fabricantes dos dispositivos para obter orientações sobre a colocação de desacoplamento. Esta não é uma lista completa de considerações de colocação, apenas algumas sugestões.

Keepouts

O router requer um limite fechado, constituído por objetos keepout colocados. Normalmente, este limite segue a extremidade da placa. Os objetos colocados obedecerão à regra de afastamento aplicável para garantir que permanecem a uma distância adequada deste limite, de modo a satisfazer quaisquer requisitos mecânicos ou elétricos de afastamento que o projeto possa ter. O router também obedecerá aos keepouts dentro deste limite exterior, bem como aos keepouts específicos de camada.

Pode criar um limite fechado que siga a extremidade da forma da placa, utilizando a caixa de diálogo Line/Arc Primitives from Board Shape. Para mais informações sobre keepouts, consulte Object Specific Keepouts.

Polygon Pours

Os polygon pours (ou pours de cobre) podem ser sólidos (preenchidos com uma ou mais regiões de cobre) ou reticulados (construídos a partir de tracks e arcos). Um polygon pour reticulado de dimensão média a grande inclui um grande número de tracks e arcos. Embora o router consiga encaminhar uma placa que inclua esses polygon pours, o elevado número de objetos que estes introduzem aumenta a complexidade do processo de routing.

Normalmente, só deve colocar polygon pours antes do routing se estes forem necessários, por exemplo, se estiverem a ser utilizados para construir um pré-routing com forma invulgar, talvez o routing da alimentação principal de entrada ou uma região crítica de massa. Caso contrário, é preferível que os polygon pours sejam adicionados ao projeto depois de concluído o routing.

É possível fazer o Routing?

Um autorouter é uma tentativa humana de compreender e modelar o processo de routing e depois replicar esse processo automaticamente. Se a placa contiver uma área que não possa ser encaminhada manualmente, também não poderá ser encaminhada pelo autorouter. Se o router estiver continuamente a falhar num componente ou numa secção da placa, deverá tentar encaminhá-la de forma interativa. Pode acontecer que existam problemas de colocação ou de configuração de regras que tornem o routing completamente impossível.

Pré-routing

Faça o pré-routing das nets críticas e, se for essencial que não sejam alteradas pelo processo de routing, bloqueie-as ativando a opção Lock All Pre-routes na caixa de diálogo Situs Routing Strategies. Evite, contudo, bloqueios desnecessários; um grande número de objetos bloqueados pode tornar o problema de routing muito mais difícil.

As nets de pares diferenciais têm de ser encaminhadas manualmente e bloqueadas antes de utilizar o autorouter. Se não o fizer, é muito provável que o routing seja alterado e comprometa a integridade do sinal do par diferencial.

Configuração das Regras de Projeto

Certifique-se de que as regras de projeto de routing são adequadas à tecnologia da placa que está a utilizar. Regras de projeto mal direcionadas ou inadequadas podem conduzir a um desempenho muito fraco do autorouting. Tenha em atenção que o router cumpre todas as regras de projeto Electrical e Routing, exceto a regra Routing Corners.

As regras são definidas na caixa de diálogo PCB Rules and Constraints Editor (Design » Rules), à qual se pode aceder diretamente a partir da caixa de diálogo Situs Routing Strategies.

Se uma regra incluir valores Minimum, Preferred e Maximum, o autorouter utilizará o valor Preferred.

As regras mais importantes são as regras Width e Clearance. Estas definições da tecnologia de routing determinam quão “compacto” o routing pode ser. A sua seleção é um processo de equilíbrio: quanto mais largas forem as tracks e maior o afastamento, mais fácil será fabricar a placa; por outro lado, quanto mais estreitas forem as tracks e os afastamentos, mais fácil será encaminhar a placa. É aconselhável consultar o seu fabricante para estabelecer os seus “patamares de preço” para larguras de routing e afastamentos, ou seja, os valores abaixo dos quais resultará um menor rendimento de fabrico e PCBs mais caras. Além de satisfazer os requisitos elétricos do projeto, a tecnologia de routing também deve ser escolhida de forma a adequar-se à tecnologia dos componentes, permitindo o routing a cada pino.

A terceira regra que faz parte da tecnologia de routing é a Routing Via Style. Também deve ser selecionada de forma a adequar-se às tracks e aos afastamentos utilizados, tendo em consideração os custos de fabrico do diâmetro do furo e do anel anular escolhidos.

Deve também evitar regras excessivas ou desnecessárias — quanto mais regras, mais tempo de processamento e mais lento o routing. As regras podem ser desativadas se não forem necessárias para o autorouting.

Largura de Routing

Certifique-se de que existe uma regra Width com uma Query de All (uma regra predefinida) e de que a definição Preferred é adequada para a largura de routing mais comum de que necessita. Certifique-se de que esta largura, em combinação com a regra de afastamento adequada, permite fazer o routing a todos os pads. Configure regras adicionais de largura de routing para nets que exijam routing mais largo ou mais estreito.

Se existirem componentes de passo fino com pinos em nets com larguras de routing maiores — por exemplo, nets de alimentação — teste o routing de saída a partir de um pino de alimentação e faça também o routing de saída do pino de cada lado para garantir que é fisicamente possível encaminhar estes pinos.

Restrição de Afastamento

Verifique se existem requisitos especiais de afastamento, como componentes de passo fino cujos pads estejam mais próximos do que os afastamentos normais da placa. Estes casos podem ser tratados com uma regra de projeto adequadamente delimitada e priorizada. Tenha em atenção que, embora possa definir uma regra para direcionar uma footprint, ela não irá direcionar o routing que liga a essa footprint. Tal como foi referido na secção Largura de Routing, faça testes de routing para garantir que os pinos do componente são encaminháveis.

Routing Via Style

Certifique-se de que existe uma regra Routing Via Style com uma Query de All e que a definição preferred é adequada. Inclua regras de prioridade superior para as nets que necessitem de um estilo de via diferente do da regra predefinida.

O Altium Designer suporta blind vias e buried vias; quando estas serão utilizadas é determinado pelas trocas de camada permitidas pelos Via Types definidos no Layer Stack Manager (Design » Layer Stack Manager). Tal como no routing interativo, quando o autorouter muda entre duas camadas, verifica as definições atuais de Via Type — se essas camadas estiverem definidas como um par de camadas blind ou buried, a via colocada terá essas camadas como camadas inicial e final. É importante compreender as restrições associadas à utilização de blind/buried vias; estas só devem ser utilizadas em consulta com o seu fabricante. Para além das restrições impostas pela tecnologia de stackup de fabrico, existem também considerações de fiabilidade e de acessibilidade para teste. Alguns projetistas consideram preferível adicionar mais camadas de routing em vez de utilizar blind/buried vias.

Camadas de Routing

Certifique-se de que existe uma regra Routing Layers com uma query de All. Todas as camadas de sinal ativadas (definidas no layer stack) serão listadas. Ative as camadas nas quais pretende permitir o routing, conforme necessário. Inclua regras de prioridade superior para as nets que pretende que sejam encaminhadas apenas em camadas específicas.

Se pretender excluir uma determinada net (ou classe de nets) de ser encaminhada pelo autorouter, defina uma regra Routing Layer direcionada para essa net ou classe de nets e, na região Constraints dessa regra, certifique-se de que a opção Allow Routing para cada camada de sinal ativada está desativada. A prioridade da regra tem de ser superior à da regra predefinida (a que tem uma query de All).

Direções de Camada

As direções de encaminhamento preferenciais são especificadas na caixa de diálogo Layer Directions, à qual se acede a partir da caixa de diálogo Estratégias de Encaminhamento do Situs. Todas as camadas de sinal ativadas (definidas na pilha de camadas) serão listadas.

Escolha direções de camada adequadas ao fluxo das linhas de ligação. O Situs utiliza mapeamento topológico para definir percursos de encaminhamento, pelo que não está limitado a encaminhar horizontal e verticalmente. Regra geral, é melhor ter as camadas exteriores como horizontais e verticais. No entanto, se tiver uma placa multicamada com um grande número de ligações num ângulo de “2 horas”, então defina uma ou mais camadas internas para terem essa como direção de encaminhamento preferencial. A passagem Layer Patterns, em particular, tira partido desta informação, e escolher a direção correta pode fazer uma diferença significativa no desempenho do encaminhamento, tanto em termos de tempo como de qualidade. Note que, quando utiliza camadas anguladas, não precisa de ter uma camada parceira a correr a 90 graus desta camada, uma vez que o router irá normalmente encaminhar horizontal ou verticalmente se precisar de evitar um obstáculo numa camada angulada.

A caixa de diálogo Layer Directions

Prioridade de Encaminhamento

Utilize as regras de Prioridade de Encaminhamento para definir uma prioridade mais elevada para nets difíceis, ou para aquelas em que pretende obter o encaminhamento mais limpo.

Controlo de Fanout SMD

O sistema de queries inclui palavras-chave que visam especificamente os diferentes encapsulamentos de componentes de montagem superficial, incluindo IsLCC (Leadless Chip Carrier), IsSOIC (Small Outline IC) e IsBGA (Ball Grid Array). As regras predefinidas são criadas automaticamente para os encapsulamentos mais comuns e, como as passagens de fanout são executadas numa fase inicial do processo de autorouting, há pouca penalização em manter regras que não se aplicam a quaisquer componentes. Deve ter pelo menos uma regra de desenho de controlo de fanout SMD se existirem componentes de montagem superficial na placa - uma query adequada para uma única regra dirigida a todos os componentes de montagem superficial seria IsSMTComponent. Para obter informações sobre a forma como cada palavra-chave de query identifica um encapsulamento de componente, abra o Query Helper, escreva a palavra-chave pretendida e prima F1 .

As regras de fanout incluem definições que controlam se os pads devem ter fanout para dentro ou para fora, ou uma mistura de ambos. Para ajudar a familiarizar-se com o comportamento dos atributos da regra Fanout Control, o comando Route » Fanout » Component pode ser executado em qualquer componente de montagem superficial que não tenha nets atribuídas. Para além de o utilizar para verificar quão bem um componente faz fanout com a tecnologia de encaminhamento atual definida na placa, também o pode usar para fazer fanout de um componente que queira manter numa biblioteca como footprint pré-fanout. Depois de fazer o fanout no espaço de trabalho PCB, copie e cole o componente e as pistas e vias de fanout numa biblioteca.

Prioridades de Regras

A precedência, ou prioridade, das regras é definida pelo projetista. A prioridade da regra é utilizada para determinar qual a regra a aplicar quando um objeto é abrangido por mais de uma regra. Se a prioridade não estiver corretamente definida, poderá verificar que uma regra não está a ser aplicada de todo.

Por exemplo, se a regra com uma query de InNet('VCC') tiver uma prioridade inferior à regra com uma query de All, então a regra All será aplicada à net VCC. Utilize o botão Priorities na caixa de diálogo Editor de Regras e Restrições PCB para aceder à caixa de diálogo Editar Prioridades de Regras, a partir da qual as prioridades podem ser ajustadas conforme necessário. Note que a prioridade não é importante quando dois âmbitos de regras não se sobrepõem (não visam os mesmos objetos). Por exemplo, não faz diferença qual destes dois âmbitos de regras tem prioridade mais elevada - InNet('VCC') ou InNet('GND').

A Regra de Ouro

O passo mais importante é efetuar uma verificação das regras de desenho (DRC) antes de iniciar o autorouter. Ao utilizar os comandos Route » Auto Route » Setup ou Route » Auto Route » All, o Situs realiza a sua própria análise pré-encaminhamento e apresenta os resultados como um relatório na caixa de diálogo Estratégias de Encaminhamento do Situs. A partir da caixa de diálogo, pode analisar o relatório do desenho e escolher a estratégia a utilizar no encaminhamento. A estratégia de encaminhamento é a inteligência do Router, definindo qual dos vários algoritmos de encaminhamento usar e quando, de modo a transformar os percursos de encaminhamento “virtuais” identificados no mapa topológico em encaminhamento real na placa, de elevada qualidade e altamente eficiente.

Certifique-se de que o Relatório de Configuração de Encaminhamento está limpo antes de iniciar o autorouter.

O relatório fornece informação incluindo:

• Regras de desenho atualmente definidas para o desenho que serão respeitadas pelo autorouter (e o número de objetos de desenho - nets, componentes, pads - afetados por cada regra)
• Direções de encaminhamento definidas para todas as camadas de encaminhamento de sinal
• Definições de pares de camadas de furação

O relatório lista potenciais problemas que podem afetar o desempenho do router. Sempre que possível, são fornecidas sugestões para aconselhar uma melhor preparação do desenho para autorouting. Quaisquer erros/avisos/sugestões listados devem ser analisados com atenção e, se necessário, as regras de encaminhamento correspondentes devem ser ajustadas antes de prosseguir com o encaminhamento do desenho.

Verifique todos os erros, avisos e sugestões para compreender os potenciais problemas que o autorouter irá enfrentar.

É essencial que quaisquer violações de regras relacionadas com o encaminhamento sejam resolvidas antes de iniciar o autorouter. As violações não só podem impedir o encaminhamento no local da violação, como também podem tornar o router muito mais lento, uma vez que tenta continuamente encaminhar uma área impossível de encaminhar.

Notas sobre a Execução do AutoRouter Situs

• Os comandos do Autorouter encontram-se no submenu Route » Auto Route.
• Tanto os comandos Route » Auto Route » All como Route » Auto Route » Setup abrem a caixa de diálogo Estratégias de Encaminhamento do Situs; a diferença é que, quando escolhe All, a caixa de diálogo inclui um botão Route All.
• Não tenha receio de experimentar. Se os resultados não forem aceitáveis, faça algo para alterar a abordagem do router. Adicione passagens intermédias de limpeza e endireitamento, crie mais espaço em torno de áreas densas ou altere as direções das camadas.
• À medida que vai experimentando com o router - criando as suas próprias estratégias para controlar a ordem das passagens, alterando o número de vias com o controlo Via, mudando as direções das camadas de encaminhamento, restringindo o router apenas a percursos ortogonais, e assim por diante - tome notas das combinações que já experimentou. Dessa forma, conseguirá identificar e reutilizar as configurações que funcionam melhor com os seus desenhos.
• Execute primeiro, isoladamente, as passagens de fanout e avalie a qualidade. Poderá precisar de fazer manualmente o fanout de quaisquer áreas problemáticas.

• Utilize os seguintes comandos do submenu Route » Auto Route para executar ações específicas de auto-route:

  • Net - encaminhar todas as ligações numa net especificada. Após iniciar o comando, o Autorouter será inicializado e o cursor mudará para uma mira. Posicione o cursor sobre qualquer linha de ligação (ou pad) na net que pretende encaminhar e depois clique ou prima Enter. O Autorouter tentará fazer o autoroute de todas as ligações da net utilizando a estratégia de encaminhamento Main.

  • Net Class - encaminhar todas as ligações na(s) classe(s) de net especificada(s). Após iniciar o comando, a caixa de diálogo Choose Net Classes to Route será aberta. Selecione uma ou mais classes de net que pretende encaminhar com o Autorouter e depois clique em OK - o Autorouter tentará fazer o autoroute de todas as ligações de todas as nets da(s) classe(s) de net escolhida(s) utilizando a estratégia de encaminhamento Main.

    
    A caixa de diálogo Choose Net Class to Route

  • Connection - encaminhar uma ligação específica pad-a-pad dentro do desenho atual.
  • Area - encaminhar todas as ligações que estejam totalmente contidas (início e fim) dentro de uma área especificada. Após iniciar o comando, o Autorouter será inicializado e o cursor mudará para uma mira. Posicione o cursor e clique para fixar o primeiro canto da área de encaminhamento. Mova o cursor para dimensionar a área de encaminhamento e depois clique para fixar o segundo canto. O Autorouter tentará fazer o autoroute de todas as ligações que comecem e terminem dentro da área designada, utilizando a estratégia de encaminhamento Main.

  • Room - encaminhar todas as ligações que se encontrem totalmente dentro dos limites de uma sala selecionada. Após iniciar o comando, o Autorouter será inicializado e o cursor mudará para uma mira. Posicione o cursor sobre a sala que pretende encaminhar e depois clique ou prima Enter. O Autorouter tentará encaminhar automaticamente todas as ligações que se encontrem totalmente dentro dos limites da sala, utilizando a estratégia de encaminhamento Main.

    Para encaminhar todas as ligações que se encontrem totalmente dentro dos limites da sala sob o cursor, pode clicar com o botão direito sobre uma sala e escolher o comando Room Actions » Autoroute Room  no menu de contexto. Após iniciar o comando, o Autorouter tentará encaminhar automaticamente todas as ligações que se encontrem totalmente dentro dos limites da sala, utilizando a estratégia de encaminhamento Main.

  • Component - encaminhar todas as ligações que partem dos pads de um componente especificado. Após iniciar o comando, o Autorouter será inicializado e o cursor mudará para uma mira. Posicione o cursor sobre o componente que pretende encaminhar e depois clique ou prima Enter. O Autorouter tentará encaminhar automaticamente todas as ligações que partem dos pads do componente escolhido, até ao pad seguinte encontrado em cada caso, utilizando a estratégia de encaminhamento Main.

    Para encaminhar todas as ligações que partem dos pads do componente sob o cursor, pode clicar com o botão direito sobre o componente e escolher o comando Component Actions » Autoroute Component  no menu de contexto.

  • Component Class - encaminhar todas as ligações que partem dos pads dos componentes na(s) classe(s) de componentes especificada(s). Após iniciar o comando, a caixa de diálogo Choose Component Classes to Route será aberta. Selecione uma ou mais classes de componentes que pretende encaminhar com o Autorouter, especifique Connections Routing Mode e depois clique em OK - o Autorouter tentará encaminhar automaticamente todas as ligações que partem dos pads de todos os componentes na(s) classe(s) de componentes escolhida(s), utilizando a estratégia de encaminhamento Main.

    
    A caixa de diálogo Choose Component Class to Route

  • Connections On Selected Components - encaminhar todas as ligações que partem dos pads dos componentes atualmente selecionados no espaço de desenho. Após iniciar o comando, o Autorouter tentará encaminhar automaticamente todas as ligações que partem dos pads dos componentes selecionados, até ao pad seguinte encontrado em cada caso, utilizando a estratégia de encaminhamento Main.
  • Connections Between Selected Components - encaminhar todas as ligações que passam entre os componentes atualmente selecionados no espaço de desenho. Após iniciar o comando, o Autorouter tentará encaminhar automaticamente todas as ligações que passam entre os pads dos componentes selecionados, utilizando a estratégia de encaminhamento Main.
• Utilize os seguintes comandos do submenu Route » Auto Route para controlar o processo de encaminhamento automático:
  • Stop - terminar o processo de encaminhamento automático na conclusão da passagem de encaminhamento atual. O Autorouter irá parar e não será efetuado qualquer encaminhamento adicional da placa. Quaisquer ligações na placa que já tenham sido encaminhadas permanecerão encaminhadas.
  • Reset - repor o Autorouter - inicializando a memória necessária ao autorouter antes de este tentar encaminhar. Permite modificar de forma eficaz a estratégia de encaminhamento existente, ou mudar para uma estratégia de encaminhamento diferente, em tempo real, ao encaminhar a placa inteira. Após iniciar o comando, a caixa de diálogo Situs Routing Strategies será aberta. Utilize a caixa de diálogo para efetuar alterações à estratégia de encaminhamento atual (quando disponível) ou mudar para outra diferente e depois clique no botão Route All. O Autorouter será inicializado para encaminhamento com base na estratégia modificada/diferente.
  • Pause - pausar a operação atual de encaminhamento automático. Após iniciar o comando, o progresso do Autorouter será temporariamente interrompido. Para continuar, execute novamente o comando (que agora aparece como o comando Route » Auto Route » Resume ).

Resumo das Passagens de Encaminhamento e Estratégias de Encaminhamento

As estratégias de encaminhamento atualmente definidas são listadas na região inferior da caixa de diálogo Situs Routing Strategies. Clique no botão Add para aceder à caixa de diálogo Situs Strategy Editor, a partir da qual pode especificar as passagens a incluir numa nova estratégia. Em alternativa, utilize o botão Duplicate para duplicar uma estratégia existente e depois editá-la conforme necessário. A inclusão de várias passagens de encaminhamento e a ordem pela qual são utilizadas constituem a 'inteligência' do Autorouter. Estas passagens são usadas para transformar os caminhos de encaminhamento virtuais identificados no mapa topológico em encaminhamentos de elevada qualidade na placa.

Exemplo de edição de uma estratégia duplicada.

Estão disponíveis os seguintes passes de encaminhamento. Os passes podem ser utilizados em qualquer ordem; como orientação, examine uma estratégia existente para ver a ordem dos passes.

Ver também