Layout automatizado de placas usando o autorroteador topológico Situs

O roteamento das conexões em uma placa de circuito impresso é uma atividade complexa e demorada. Em placas grandes ou densas, o processo de roteamento pode consumir um tempo considerável do projetista, algo em que um roteador automático pode ajudar.

O roteador automático Situs™ do Altium Designer usa 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 nem das coordenadas dos obstáculos. O mapeamento topológico oferece maior flexibilidade na determinação do caminho das trilhas e permite o roteamento em qualquer direção.

Roteamento automático da placa

O roteador topológico Situs traz uma nova abordagem ao desafio do roteamento automático. Primeiro, ele usa o mapeamento topológico avançado para definir o caminho do roteamento e, em seguida, recorre a diversos algoritmos de roteamento comprovados para converter esse caminho, semelhante ao que seria definido por uma pessoa, em um roteamento de alta qualidade. Como parte integrante do Editor de PCB, ele segue as definições das regras elétricas e de roteamento da PCB.

Configuração da placa

Embora o Situs seja simples de configurar e executar, há certos pontos que você deve conhecer para obter um roteamento ideal.

Posicionamento dos componentes

Em última análise, o posicionamento dos componentes é o fator de maior impacto no desempenho do roteamento. O Editor de PCB do Altium Designer inclui diversas ferramentas, como linhas de conexão otimizadas dinamicamente, que permitem ajustar com precisão o posicionamento dos componentes. O posicionamento ideal dos componentes é aquele em que as linhas de conexão são tão curtas e tão pouco “emaranhadas” quanto possível.

Outras boas práticas de projeto incluem posicionar os componentes de modo que seus pads fiquem em uma grade regular (para maximizar o espaço livre entre os pads para o roteamento), posicionar componentes de montagem em superfície de tamanhos semelhantes exatamente em lados opostos em placas de dupla face e consultar as folhas de dados dos fabricantes dos dispositivos para obter orientações sobre o posicionamento dos componentes de desacoplamento. Esta não é uma lista completa de considerações sobre posicionamento, apenas algumas sugestões.

Áreas de exclusão

O roteador exige um contorno fechado, formado por objetos de exclusão posicionados na placa. Normalmente, esse contorno acompanha a borda da placa. Os objetos posicionados obedecerão à regra de espaçamento aplicável para garantir que permaneçam a uma distância adequada desse contorno, atendendo aos requisitos de espaçamento mecânico ou elétrico que o projeto possa ter. O roteador também respeitará as áreas de exclusão dentro desse contorno externo, assim como as áreas de exclusão específicas de cada camada.

Você pode criar um contorno fechado que acompanhe a borda do formato da placa usando a caixa de diálogo Primitivas de linha/arco a partir do formato da placa. Para obter mais informações sobre áreas de exclusão, consulte Áreas de exclusão específicas de objetos.

Preenchimentos poligonais

Os preenchimentos poligonais (ou de cobre) podem ser sólidos (preenchidos com uma ou mais regiões de cobre) ou hachurados (construídos a partir de trilhas e arcos). Um preenchimento poligonal hachurado de médio a grande porte inclui um grande número de trilhas e arcos. Embora o roteador possa rotear uma placa que inclua esses preenchimentos poligonais, a grande quantidade de objetos que eles introduzem aumenta a complexidade do processo de roteamento.

Normalmente, você só deve inserir preenchimentos poligonais antes do roteamento se forem necessários, por exemplo, quando forem usados para construir um pré-roteamento com formato incomum, como o roteamento de entrada da rede elétrica ou uma região crítica de terra. Caso contrário, é preferível adicionar os preenchimentos poligonais ao projeto após a conclusão do roteamento.

É possível rotear?

Um roteador automático é uma tentativa humana de compreender e modelar o processo de roteamento e, em seguida, replicá-lo automaticamente. Se a placa contiver uma área que não possa ser roteada manualmente, ela também não poderá ser roteada automaticamente. Se o roteador falhar repetidamente em um componente ou em uma seção da placa, você deverá tentar roteá-los de forma interativa. Pode haver problemas de posicionamento ou de configuração das regras que impossibilitem o roteamento.

Pré-roteamento

Faça o pré-roteamento das redes críticas e, se for essencial que elas não sejam alteradas pelo processo de roteamento, bloqueie-as habilitando a opção Lock All Pre-routes na caixa de diálogo Estratégias de roteamento do Situs. No entanto, evite bloqueios desnecessários; um grande número de objetos bloqueados pode tornar o problema de roteamento muito mais difícil.

As redes de pares diferenciais devem ser roteadas manualmente e bloqueadas antes de usar o roteador automático. Se você não fizer isso, é muito provável que o roteamento seja modificado, alterando a integridade do sinal do par diferencial.

Configuração das regras de projeto

Certifique-se de que as regras de projeto de roteamento sejam adequadas à tecnologia de placa que você está usando. Regras de projeto mal direcionadas ou inadequadas podem resultar em um desempenho muito ruim do roteamento automático. Observe que o roteador obedece a todas as regras de projeto elétricas e de roteamento, exceto à regra de cantos de roteamento.

As regras são definidas na caixa de diálogo Editor de regras e restrições da PCB (Design » Rules), que pode ser acessada diretamente pela caixa de diálogo Situs Routing Strategies.

Se uma regra incluir valores Mínimo, Preferencial e Máximo, o roteador automático usará o valor Preferencial.

As regras mais importantes são as de Largura e Espaçamento. Essas configurações de tecnologia de roteamento definem o grau de compactação possível do roteamento. A seleção dessas configurações é um processo de equilíbrio: quanto mais largas forem as trilhas e maiores os espaçamentos, mais fácil será fabricar a placa; por outro lado, quanto mais estreitas forem as trilhas e menores os espaçamentos, mais fácil será rotear a placa. É aconselhável consultar o fabricante para determinar os limites de largura de roteamento e espaçamento que afetam o preço, ou seja, os valores abaixo dos quais haverá menor rendimento de fabricação e PCBs mais caras. Além de atender aos requisitos elétricos do projeto, a tecnologia de roteamento também deve ser escolhida de acordo com a tecnologia dos componentes, para permitir o roteamento até cada pino.

A terceira regra que faz parte da tecnologia de roteamento é a de Estilo de via de roteamento. Ela também deve ser selecionada de acordo com as trilhas e os espaçamentos usados, considerando os custos de fabricação do tamanho de furo e do anel anular escolhidos.

Você também deve evitar regras em excesso ou desnecessárias: quanto mais regras, maior o tempo de processamento e mais lento o roteamento. As regras podem ser desabilitadas se não forem necessárias para o roteamento automático.

Largura de roteamento

Certifique-se de que exista uma regra de largura com uma consulta All (uma regra padrão) e de que a configuração preferencial seja adequada à largura de roteamento mais comum de que você precisa. Verifique se essa largura, em conjunto com a regra de folga apropriada, permite o roteamento até todos os pads. Configure regras adicionais de largura de roteamento para as redes que exigem trilhas mais largas ou mais estreitas.

Se houver componentes de passo fino com pinos em redes com larguras de roteamento maiores — por exemplo, redes de alimentação —, faça um roteamento de teste a partir de um pino de alimentação e também dos pinos de ambos os lados para garantir que seja fisicamente possível rotear esses pinos.

Restrição de folga

Verifique se há requisitos especiais de folga, como componentes de passo fino cujos pads estão mais próximos entre si do que as folgas padrão da placa. Esses requisitos podem ser atendidos com uma regra de projeto com escopo e prioridade adequados. Observe que, embora seja possível definir uma regra para um footprint, ela não se aplicará às trilhas que se conectam a esse footprint. Conforme mencionado na seção Largura de roteamento, faça um roteamento de teste para garantir que seja possível rotear os pinos do componente.

Estilo de via de roteamento

Certifique-se de que exista uma regra de estilo de via de roteamento com uma consulta All e de que a configuração preferencial seja adequada. Inclua regras de prioridade mais alta para as redes que precisam de um estilo de via diferente do definido pela regra padrão.

O Altium Designer oferece suporte a vias cegas e enterradas. O uso dessas vias é determinado pelas mudanças de camada permitidas pelos tipos de via definidos no Gerenciador de empilhamento de camadas (Design » Layer Stack Manager). Assim como no roteamento interativo, quando o roteador automático alterna entre duas camadas, ele verifica as definições atuais de tipos de via: se essas camadas estiverem definidas como um par de camadas para via cega ou enterrada, a via posicionada terá essas camadas como suas camadas inicial e final. É importante compreender as restrições ao uso de vias cegas/enterradas; elas só devem ser usadas em consulta com o fabricante. Além das restrições impostas pela tecnologia de fabricação do empilhamento de camadas, também é necessário considerar a confiabilidade e a acessibilidade para testes. Alguns projetistas consideram melhor adicionar mais camadas de roteamento do que usar vias cegas/enterradas.

Camadas de roteamento

Certifique-se de que exista uma regra de camadas de roteamento com uma consulta All. Todas as camadas de sinal habilitadas (definidas no empilhamento de camadas) serão listadas. Habilite as camadas nas quais deseja permitir o roteamento, conforme necessário. Inclua regras de prioridade mais alta para as redes que você deseja rotear apenas em camadas específicas.

Se desejar excluir uma determinada rede (ou classe de redes) do roteamento automático, defina uma regra de camadas de roteamento para essa rede ou classe de redes e, na região Restrições dessa regra, certifique-se de que a opção Allow Routing esteja desabilitada para cada camada de sinal habilitada. A prioridade da regra deve ser maior do que a da regra padrão (aquela com uma consulta All).

Direções das camadas

As direções preferenciais de roteamento são especificadas na caixa de diálogo Layer Directions, acessada a partir da caixa de diálogo Estratégias de roteamento Situs. Todas as camadas de sinal habilitadas (definidas no empilhamento de camadas) serão listadas.

Escolha direções de camada adequadas ao fluxo das linhas de conexão. O Situs usa mapeamento topológico para definir os caminhos de roteamento, portanto não está limitado ao roteamento horizontal e vertical. Normalmente, o ideal é que as camadas externas tenham direções horizontal e vertical. No entanto, se você tiver uma placa multicamada com um grande número de conexões em um ângulo correspondente à posição de “2 horas”, configure uma ou mais camadas internas para usar esse ângulo como direção preferencial de roteamento. A etapa Layer Patterns, em particular, usa essas informações, e a escolha da direção correta pode fazer uma diferença significativa no desempenho do roteamento, tanto em tempo quanto em qualidade. Observe que, ao usar camadas com direções inclinadas, não é necessário ter uma camada correspondente a 90 graus em relação a elas, pois o roteador normalmente roteará na horizontal ou na vertical se precisar evitar um obstáculo em uma camada com direção inclinada.

A caixa de diálogo Layer Directions

Prioridade de roteamento

Use as regras de prioridade de roteamento para definir uma prioridade mais alta para redes difíceis de rotear ou para aquelas cujo roteamento você deseja que seja o mais organizado possível.

Controle de fanout SMD

O sistema de consultas inclui palavras-chave específicas para os diferentes encapsulamentos de componentes de montagem em superfície, incluindo IsLCC (encapsulamento de chip sem terminais), IsSOIC (circuito integrado de contorno reduzido) e IsBGA (matriz de esferas). As regras padrão são criadas automaticamente para os encapsulamentos mais comuns e, como as etapas de fanout são executadas no início do processo de roteamento automático, manter regras que não se aplicam a nenhum componente tem pouco impacto no desempenho. Você deve ter pelo menos uma regra de projeto de controle de fanout SMD se houver componentes de montagem em superfície na placa — uma consulta adequada para uma única regra que abranja todos os componentes de montagem em superfície seria IsSMTComponent. Para obter informações sobre como cada palavra-chave de consulta identifica um encapsulamento de componente, abra o Assistente de consultas, digite a palavra-chave desejada e pressione F1 .

As regras de fanout incluem configurações que controlam se o escape dos pads será feito para dentro, para fora ou em uma combinação de ambos. Para ajudar você a se familiarizar com o comportamento dos atributos da regra de controle de fanout, o comando Route » Fanout » Component pode ser executado em qualquer componente de montagem em superfície que não tenha redes atribuídas a ele. Além de usar esse recurso para verificar a qualidade do fanout de um componente com a tecnologia de roteamento atualmente definida na placa, você também pode usá-lo para criar o fanout de um componente que deseja manter em uma biblioteca como um footprint com fanout pré-definido. Depois de criar o fanout na área de trabalho da PCB, copie e cole o componente, as trilhas e as vias de fanout em uma biblioteca.

Prioridades das regras

A precedência, ou prioridade, das regras é definida pelo projetista. A prioridade das regras é usada para determinar qual regra aplicar quando um objeto é abrangido por mais de uma regra. Se a prioridade não estiver configurada corretamente, pode acontecer de uma regra não ser aplicada em nenhum caso.

Por exemplo, se a regra com a consulta InNet('VCC') tiver prioridade menor que a regra com a consulta All, a regra All será aplicada à rede VCC. Use o botão Priorities na caixa de diálogo PCB Rules and Constraints Editor para acessar a caixa de diálogo Edit Rule Priorities, na qual as prioridades podem ser ajustadas conforme necessário. Observe que a prioridade não é importante quando os escopos de duas regras não se sobrepõem (não se aplicam aos mesmos objetos). Por exemplo, não faz diferença qual destes dois escopos de regra tem prioridade maior: InNet('VCC') ou InNet('GND').

A regra de ouro

A etapa mais importante é executar uma verificação das regras de projeto (DRC) antes de iniciar o roteador automático. Ao usar os comandos Route » Auto Route » Setup ou Route » Auto Route » All, o Situs realiza sua própria análise pré-roteamento e apresenta os resultados em um relatório na caixa de diálogo Situs Routing Strategies. Nessa caixa de diálogo, você pode examinar o relatório do projeto e escolher a estratégia a ser usada no roteamento. A estratégia de roteamento é a inteligência do roteador, definindo quais dos diversos algoritmos de roteamento usar e quando usá-los para transformar os caminhos de roteamento “virtuais” identificados no mapa topológico em um roteamento real na placa, de alta qualidade e altamente eficiente.

Certifique-se de que o relatório de configuração do roteamento não apresente problemas antes de iniciar o roteador automático.

O relatório fornece informações como:

• Regras de projeto atualmente definidas para o projeto que serão respeitadas pelo roteador automático (e o número de objetos do projeto — redes, componentes, pads — afetados por cada regra)
• Direções de roteamento definidas para todas as camadas de roteamento de sinais
• Definições dos pares de camadas de furação

O relatório lista possíveis problemas que podem afetar o desempenho do roteador. Sempre que possível, são fornecidas dicas para orientar uma melhor preparação do projeto para o roteamento automático. Todos os erros, avisos e dicas listados devem ser examinados cuidadosamente e, se necessário, as regras de roteamento correspondentes devem ser ajustadas antes de prosseguir com o roteamento do projeto.

Verifique todos os erros, avisos e dicas para entender quais possíveis problemas o roteador automático enfrentará.

É essencial resolver todas as violações de regras relacionadas ao roteamento antes de iniciar o roteador automático. Além de impedir o roteamento no local da violação, elas também podem tornar o roteador muito mais lento, pois ele tenta continuamente rotear uma área que não pode ser roteada.

Observações sobre a execução do Situs AutoRouter

• Os comandos do roteador automático estão no submenu Route » Auto Route.
• Os comandos Route » Auto Route » All e Route » Auto Route » Setup abrem a caixa de diálogo Situs Routing Strategies. A diferença é que, ao escolher All, a caixa de diálogo inclui um botão Route All.
• Não tenha receio de experimentar. Se os resultados não forem aceitáveis, faça alguma alteração na abordagem do roteador. Adicione passagens intermediárias de limpeza e retificação, disponibilize mais espaço ao redor de áreas densas ou altere as direções das camadas.
• Ao experimentar com o roteador — criando suas próprias estratégias para controlar a ordem das passagens, alterando o número de vias com o controle Via, mudando as direções das camadas de roteamento, restringindo o roteador apenas a rotas ortogonais e assim por diante —, anote as combinações que você testou. Dessa forma, será possível identificar e reutilizar as configurações que funcionam melhor nos seus projetos.
• Primeiro, execute as passagens de fanout separadamente e avalie a qualidade. Pode ser necessário realizar o fanout manualmente nas áreas problemáticas.

• Use os seguintes comandos do submenu Route » Auto Route para executar ações específicas de roteamento automático:

  • Net - roteia todas as conexões de uma rede especificada. Após iniciar o comando, o roteador automático será inicializado e o cursor assumirá a forma de uma mira. Posicione o cursor sobre qualquer linha de conexão (ou pad) da rede que deseja rotear e clique ou pressione Enter. O roteador automático tentará rotear automaticamente todas as conexões da rede usando a estratégia de roteamento Main.

  • Net Class - roteia todas as conexões das classes de redes especificadas. Após iniciar o comando, a caixa de diálogo Choose Net Classes to Route será aberta. Selecione uma ou mais classes de redes que deseja rotear usando o roteador automático e clique em OK — o roteador automático tentará rotear automaticamente todas as conexões de todas as redes das classes de redes escolhidas usando a estratégia de roteamento Main.

    
    A caixa de diálogo Choose Net Class to Route

  • Connection - roteia uma conexão específica entre dois pads no projeto atual.
  • Area - roteia todas as conexões que estejam inteiramente contidas (início e fim) em uma área especificada. Após iniciar o comando, o roteador automático será inicializado e o cursor assumirá a forma de uma mira. Posicione o cursor e clique para fixar o primeiro canto da área de roteamento. Mova o cursor para dimensionar a área de roteamento e clique para fixar o segundo canto. O roteador automático tentará rotear automaticamente todas as conexões que começam e terminam na área designada usando a estratégia de roteamento Main.

  • Room - roteia todas as conexões que estejam inteiramente dentro dos limites de uma room selecionada. Após iniciar o comando, o roteador automático será inicializado e o cursor assumirá a forma de uma mira. Posicione o cursor sobre a room que deseja rotear e clique ou pressione Enter. O roteador automático tentará rotear automaticamente todas as conexões que estejam inteiramente dentro dos limites da room usando a estratégia de roteamento Main.

    Para rotear todas as conexões que estejam inteiramente dentro dos limites da room sob o cursor, você pode clicar com o botão direito sobre uma room e escolher o comando Room Actions » Autoroute Room no menu de contexto. Após iniciar o comando, o roteador automático tentará rotear automaticamente todas as conexões que estejam inteiramente dentro dos limites da room usando a estratégia de roteamento Main.

  • Component - roteia todas as conexões que partem dos pads de um componente especificado. Após iniciar o comando, o roteador automático será inicializado e o cursor assumirá a forma de uma mira. Posicione o cursor sobre o componente que deseja rotear e clique ou pressione Enter. O roteador automático tentará rotear automaticamente todas as conexões que partem dos pads do componente escolhido, até o próximo pad encontrado em cada caso, usando a estratégia de roteamento Main.

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

  • Component Class - roteia todas as conexões que partem dos pads dos componentes das classes de componentes especificadas. Após iniciar o comando, a caixa de diálogo Choose Component Classes to Route será aberta. Selecione uma ou mais classes de componentes que deseja rotear usando o roteador automático, especifique Connections Routing Mode e clique em OK — o roteador automático tentará rotear automaticamente todas as conexões que partem dos pads de todos os componentes das classes de componentes escolhidas usando a estratégia de roteamento Main.

    
    A caixa de diálogo Choose Component Class to Route

  • Connections On Selected Components - roteia todas as conexões que partem dos pads dos componentes atualmente selecionados no espaço de projeto. Após executar o comando, o roteador automático tentará rotear automaticamente todas as conexões que partem dos pads dos componentes selecionados, até o próximo pad encontrado em cada caso, usando a estratégia de roteamento Main.
  • Connections Between Selected Components - roteia todas as conexões entre os componentes atualmente selecionados no espaço de projeto. Após executar o comando, o roteador automático tentará rotear automaticamente todas as conexões entre os pads dos componentes selecionados usando a estratégia de roteamento Main.
• Use os seguintes comandos do submenu Route » Auto Route para controlar o processo de roteamento automático:
  • Stop - encerra o processo de roteamento automático ao concluir a etapa de roteamento atual. O roteador automático será interrompido e nenhum roteamento adicional da placa será realizado. Todas as conexões da placa que já tiverem sido roteadas permanecerão roteadas.
  • Reset - reinicializa o roteador automático, inicializando a memória necessária antes de tentar rotear. Isso permite modificar a estratégia de roteamento existente ou mudar para outra estratégia durante o roteamento de toda a placa. Após executar o comando, a caixa de diálogo Situs Routing Strategies será aberta. Use essa caixa de diálogo para fazer alterações na estratégia de roteamento atual (quando disponíveis) ou selecionar outra estratégia e, em seguida, clique no botão Route All. O roteador automático será inicializado para o roteamento com base na estratégia modificada ou na nova estratégia.
  • Pause - pausa a operação de roteamento automático atual. Após executar o comando, o progresso do roteador automático será temporariamente interrompido. Para continuar, execute o comando novamente (que agora aparece como o comando Route » Auto Route » Resume ).

Resumo das etapas e estratégias de roteamento

As estratégias de roteamento atualmente definidas são listadas na região inferior da caixa de diálogo Situs Routing Strategies. Clique no botão Add para acessar a caixa de diálogo Situs Strategy Editor, na qual você pode especificar as etapas a serem incluídas em uma nova estratégia. Como alternativa, use o botão Duplicate para duplicar uma estratégia existente e editá-la conforme necessário. A inclusão de várias etapas de roteamento e a ordem em que são usadas constituem a “inteligência” do roteador automático. Essas etapas são usadas para transformar os caminhos de roteamento virtuais identificados no mapa topológico em rotas de alta qualidade na placa.

Exemplo de edição de uma estratégia duplicada.

As seguintes etapas de roteamento estão disponíveis. Elas podem ser usadas em qualquer ordem. Como referência, examine uma estratégia existente para verificar a ordem das etapas.

Veja também