Автоматизированная разводка плат с помощью топологического автороутера Situs

Трассировка соединений на печатной плате — сложная и трудоёмкая задача. На больших или плотных платах процесс трассировки может занимать у разработчика значительное время — и здесь может помочь автотрассировщик.

Автотрассировщик Situs™ в Altium Designer использует метод топологического анализа для построения карты пространства платы, который, в отличие от геометрического или основанного на формах картирования, не зависит от формы препятствий или их координат. Топологическое картирование обеспечивает большую гибкость при определении пути трассы и неограниченное направление трассировки.

Автотрассировка платы

Топологический трассировщик Situs предлагает новый подход к задаче автотрассировки. Он использует продвинутое топологическое картирование: сначала определяет путь трассировки, затем задействует набор проверенных алгоритмов трассировки, чтобы преобразовать этот «человеко-подобный» путь в высококачественную трассу. Будучи неотъемлемой частью PCB Editor, он следует определениям электрических правил и правил трассировки PCB.

Настройка платы

Хотя Situs легко настроить и запустить, есть ряд моментов, о которых следует помнить, чтобы получить оптимальную трассировку.

Размещение компонентов

В конечном счёте именно размещение компонентов оказывает наибольшее влияние на эффективность трассировки. PCB Editor в Altium Designer включает ряд инструментов, например динамически оптимизируемые линии соединений, которые позволяют тонко настроить размещение компонентов. Оптимальным считается такое размещение, при котором линии соединений максимально короткие и наименее «запутанные».

К другим хорошим практикам проектирования относятся: размещение компонентов так, чтобы их площадки располагались на регулярной сетке (чтобы максимизировать свободное пространство между площадками для трассировки), размещение одинаковых по размеру SMD-компонентов строго напротив друг друга на двусторонних платах, а также обращение к даташитам производителей для рекомендаций по размещению развязывающих конденсаторов. Это не полный список факторов размещения — лишь несколько рекомендаций.

Keepout-области

Трассировщику требуется замкнутая граница, сформированная размещёнными keepout-объектами. Обычно эта граница проходит вдоль края платы. Размещённые объекты будут соблюдать применимое правило зазора (clearance), чтобы оставаться на достаточном расстоянии от этой границы и удовлетворять механическим или электрическим требованиям по зазорам, которые могут быть у проекта. Трассировщик также будет соблюдать keepout-области внутри этой внешней границы, а также keepout-области, заданные для конкретных слоёв.

Вы можете создать замкнутую границу, повторяющую контур формы платы, используя Line/Arc Primitives from Board Shape dialog. Дополнительные сведения о keepout-областях см. в Object Specific Keepouts.

Заливки полигонов

Полигональные (медные) заливки могут быть сплошными (заполненными одной или несколькими медными областями) или штриховыми (сформированными из дорожек и дуг). Средняя или большая штриховая заливка включает большое количество дорожек и дуг. Хотя трассировщик может трассировать плату, содержащую такие заливки, огромное число добавляемых ими объектов увеличивает сложность процесса трассировки.

Обычно полигональные заливки следует размещать до трассировки только при необходимости — например, если они используются для формирования необычной предтрассировки, возможно, для ввода сетевого напряжения или критически важной области земли. В противном случае предпочтительнее добавлять полигональные заливки в проект после завершения трассировки.

Можно ли это протрассировать?

Автотрассировщик — это попытка человека понять и смоделировать процесс трассировки, а затем воспроизвести его автоматически. Если на плате есть область, которую невозможно протрассировать вручную, то и автотрассировщик её не протрассирует. Если трассировщик постоянно «спотыкается» на компоненте или участке платы, попробуйте протрассировать его интерактивно. Возможно, есть проблемы с размещением или настройкой правил, из-за которых трассировка вообще невозможна.

Предтрассировка

Предварительно протрассируйте критические цепи и, если важно, чтобы они не изменялись в процессе трассировки, заблокируйте их, включив опцию Lock All Pre-routes в диалоге Situs Routing Strategies dialog. Однако избегайте лишней блокировки: большое количество заблокированных объектов может существенно усложнить задачу трассировки.

Дифференциальные пары необходимо трассировать вручную и блокировать перед использованием автотрассировщика. Если этого не сделать, трассировка с высокой вероятностью изменится и ухудшит целостность сигнала дифференциальной пары.

Настройка правил проектирования

Убедитесь, что правила трассировки соответствуют технологии платы, которую вы используете. Плохо подобранные или неподходящие правила могут привести к очень низкой эффективности автотрассировки. Обратите внимание: трассировщик соблюдает все электрические правила и правила трассировки, кроме правила Routing Corners.

Правила задаются в диалоге PCB Rules and Constraints Editor dialog (Design » Rules), к которому можно получить доступ напрямую из диалога Situs Routing Strategies.

Если правило содержит значения Minimum, Preferred и Maximum, автотрассировщик будет использовать значение Preferred.

Самые важные правила — это Width и Clearance. Эти параметры технологии трассировки определяют, насколько плотно можно «упаковать» трассы. Их выбор — это баланс: чем шире дорожки и больше зазоры, тем проще изготовить плату; и наоборот, чем уже дорожки и меньше зазоры, тем проще протрассировать плату. Рекомендуется проконсультироваться с производителем, чтобы определить их «ценовые пороги» для ширин дорожек и зазоров — значения, ниже которых выход годных при производстве снижается, а стоимость PCB растёт. Помимо удовлетворения электрических требований проекта, параметры технологии трассировки следует выбирать с учётом технологии компонентов, чтобы к каждому выводу можно было выполнить трассировку.

Третье правило, относящееся к технологии трассировки, — Routing Via Style. Его также следует выбирать в соответствии с используемыми ширинами дорожек и зазорами, учитывая при этом стоимость изготовления выбранного диаметра отверстия и ширины кольца (annular ring).

Также следует избегать чрезмерного количества или ненужных правил: чем больше правил, тем больше времени на обработку и тем медленнее трассировка. Ненужные для автотрассировки правила можно отключать.

Ширина трассировки

Убедитесь, что существует правило Width rule с Query All (правило по умолчанию) и что параметр Preferred соответствует наиболее распространённой требуемой ширине трассировки. Убедитесь, что эта ширина в сочетании с соответствующим правилом зазора позволяет выполнить трассировку ко всем площадкам. Настройте дополнительные правила ширины трассировки для цепей, которым требуется более широкая или более узкая трассировка.

Если есть компоненты с малым шагом выводов, у которых выводы относятся к цепям с большей шириной трассировки (например, силовые цепи), выполните пробную трассировку от силового вывода, а также от выводов по обе стороны, чтобы убедиться, что физически возможно протрассировать эти выводы.

Ограничение зазора (Clearance Constraint)

Проверьте наличие специальных требований по зазорам, например для компонентов с малым шагом, у которых площадки расположены ближе, чем стандартные зазоры платы. Это можно учесть с помощью правила проектирования с подходящей областью действия и приоритетом. Обратите внимание: хотя можно определить правило, нацеленное на посадочное место (footprint), оно не будет нацелено на трассировку, которая подключается к этому посадочному месту. Как упоминалось в разделе «Ширина трассировки», выполните пробную трассировку, чтобы убедиться, что выводы компонента трассируемы.

Стиль переходных отверстий для трассировки (Routing Via Style)

Убедитесь, что существует правило Routing Via Style rule с Query All и что настройка Preferred подходит. Добавьте правила с более высоким приоритетом для тех цепей, которым нужен стиль via, отличный от правила по умолчанию.

Altium Designer поддерживает слепые и скрытые переходные отверстия (blind и buried vias); то, когда они будут использоваться, определяется разрешёнными сменами слоёв, заданными в Via Types, определённых в Layer Stack Manager (Design » Layer Stack Manager). Как и при интерактивной трассировке, когда автотрассировщик переключается между двумя слоями, он проверяет текущие определения Via Type: если эти слои определены как пара слепых или скрытых слоёв, то устанавливаемое via будет иметь эти слои в качестве начального и конечного. Важно понимать ограничения использования blind/buried vias: их следует применять только после консультации с производителем. Помимо ограничений, накладываемых технологией изготовления стека, существуют также соображения надёжности и доступности для тестирования. Некоторые разработчики считают, что лучше добавить больше слоёв трассировки, чем использовать blind/buried vias.

Слои трассировки

Убедитесь, что существует правило Routing Layers rule с Query All. Будут перечислены все включённые сигнальные слои (определённые в стеке слоёв). Включите те слои, на которых вы хотите разрешить трассировку, по необходимости. Добавьте правила с более высоким приоритетом для цепей, которые вы хотите трассировать только на определённых слоях.

Если вы хотите исключить определённую цепь (или класс цепей) из трассировки автотрассировщиком, задайте правило Routing Layer, нацеленное на эту цепь или класс цепей, и в области Constraints для этого правила убедитесь, что опция Allow Routing для каждого включённого сигнального слоя отключена. Приоритет этого правила должен быть выше, чем у правила по умолчанию (того, у которого Query All).

Направления слоёв

Предпочтительные направления трассировки задаются в диалоге Layer Directions, который открывается из диалога Situs Routing Strategies dialog. Будут перечислены все включенные сигнальные слои (определенные в стеке слоев).

Выберите подходящие направления для слоев в соответствии с направлением прохождения линий соединений. Situs использует топологическое отображение для определения путей трассировки, поэтому он не ограничен только горизонтальной и вертикальной прокладкой. Обычно лучше всего задавать для внешних слоев горизонтальное и вертикальное направления. Однако если у вас многослойная плата с большим количеством соединений под углом «на 2 часа», задайте для одного или нескольких внутренних слоев это направление как предпочтительное. В частности, проход Layer Patterns использует эту информацию, и выбор правильного направления может существенно повлиять на производительность трассировки как по времени, так и по качеству. Обратите внимание: при использовании слоев с угловым направлением вам не обязательно иметь «парный» слой, идущий под 90 градусов к этому слою, поскольку трассировщик обычно будет прокладывать горизонтально или вертикально, если ему нужно обойти препятствие на угловом слое.

Диалог Layer Directions

Приоритет трассировки

Используйте правила Routing Priority rules, чтобы задать более высокий приоритет для сложных цепей или тех, для которых вы хотите получить наиболее «чистую» трассировку.

Управление фан-аутом SMD

Система запросов включает ключевые слова, которые специально нацелены на различные корпуса компонентов поверхностного монтажа, включая IsLCC (Leadless Chip Carrier), IsSOIC (Small Outline IC) и IsBGA (Ball Grid Array). Для наиболее распространенных корпусов автоматически создаются правила по умолчанию, и поскольку проходы fanout выполняются на раннем этапе процесса автотрассировки, практически нет потерь от сохранения правил, которые не применяются ни к каким компонентам. У вас должно быть как минимум одно правило проектирования для управления SMD fanout, если на плате есть компоненты поверхностного монтажа — подходящий запрос для одного правила, нацеленного на все SMD-компоненты, будет IsSMTComponent. Чтобы узнать, как каждое ключевое слово запроса идентифицирует корпус компонента, откройте Query Helper, введите нужное ключевое слово и нажмите F1.

Правила fanout включают настройки, которые управляют тем, должны ли площадки разводиться «внутрь» (fan-in), «наружу» (fan-out) или сочетанием обоих вариантов. Чтобы лучше познакомиться с поведением атрибутов правила Fanout Control, команду Route » Fanout » Component можно выполнить для любого SMD-компонента, у которого не назначены цепи. Помимо проверки того, насколько хорошо компонент разводится при текущей технологии трассировки, заданной на плате, вы также можете использовать это для fanout компонента, который хотите хранить в библиотеке как заранее разведенный посадочный рисунок. После выполнения fanout в рабочем пространстве PCB скопируйте и вставьте компонент вместе с дорожками и переходными отверстиями fanout в библиотеку.

Приоритеты правил

Порядок применения, или приоритет, правил задается разработчиком. Приоритет используется, чтобы определить, какое правило применять, когда объект подпадает под действие более чем одного правила. Если приоритет задан неверно, вы можете обнаружить, что правило вообще не применяется.

Например, если правило с запросом InNet('VCC') имеет более низкий приоритет, чем правило с запросом All, то к цепи VCC будет применено правило All. Используйте кнопку Priorities в диалоге PCB Rules and Constraints Editor dialog, чтобы открыть диалог Edit Rule Priorities dialog, где при необходимости можно уточнить приоритеты. Обратите внимание: приоритет не важен, когда области действия двух правил не пересекаются (не нацелены на одни и те же объекты). Например, не имеет значения, какая из этих двух областей действия имеет более высокий приоритет — InNet('VCC') или InNet('GND').

Золотое правило

Самый важный шаг — выполнить проверку правил (DRC) перед запуском автотрассировщика. При использовании команд Route » Auto Route » Setup или Route » Auto Route » All Situs выполняет собственный предтрассировочный анализ и представляет результаты в виде отчета в диалоге Situs Routing Strategies dialog. В этом диалоге вы можете изучить отчет по проекту и выбрать стратегию, которая будет использоваться при трассировке. Стратегия трассировки — это «интеллект» трассировщика: она определяет, какие из различных алгоритмов трассировки использовать и когда, чтобы преобразовать «виртуальные» пути трассировки, найденные в топологической карте, в высококачественную, высокоэффективную реальную трассировку на плате.

Перед запуском автотрассировщика убедитесь, что отчет Routing Setup Report не содержит проблем.

Отчет предоставляет информацию, включая:

• Правила проектирования, определенные в данный момент для проекта, которые будут соблюдаться автотрассировщиком (и количество объектов проекта — цепей, компонентов, площадок — на которые влияет каждое правило)
• Направления трассировки, заданные для всех сигнальных слоев трассировки
• Определения пар слоев сверления

В отчете перечислены потенциальные проблемы, которые могут повлиять на производительность трассировщика. По возможности приводятся подсказки, помогающие лучше подготовить проект к автотрассировке. Любые перечисленные ошибки/предупреждения/подсказки следует внимательно изучить и при необходимости скорректировать соответствующие правила трассировки перед тем, как продолжать трассировку проекта.

Проверьте все ошибки, предупреждения и подсказки, чтобы понять, с какими потенциальными проблемами столкнется автотрассировщик.

Крайне важно устранить любые нарушения правил, связанных с трассировкой, до запуска автотрассировщика. Нарушения не только могут препятствовать трассировке в месте нарушения, но и могут значительно замедлить трассировщик, поскольку он будет постоянно пытаться проложить трассу в области, которую невозможно протрассировать.

Примечания по запуску Situs AutoRouter

• Команды автотрассировщика находятся в подменю Route » Auto Route.
• Обе команды Route » Auto Route » All и Route » Auto Route » Setup открывают диалог Situs Routing Strategies dialog; разница в том, что при выборе All в диалоге появляется кнопка Route All.
• Не бойтесь экспериментировать. Если результаты вас не устраивают, сделайте что-нибудь, чтобы изменить подход трассировщика. Добавьте промежуточные проходы очистки и выпрямления, увеличьте свободное пространство вокруг плотных областей или измените направления слоев.
• Экспериментируя с трассировщиком — создавая собственные стратегии для управления порядком проходов, изменяя количество переходных отверстий через Via control, меняя направления трассировочных слоев, ограничивая трассировщик только ортогональными маршрутами и т. п. — ведите заметки о комбинациях, которые вы пробовали. Так вы сможете определить и повторно использовать конфигурации, которые лучше всего работают с вашими проектами.
• Сначала запускайте проходы fanout отдельно и оценивайте качество. Возможно, вам потребуется вручную выполнить fanout в проблемных местах.

• Используйте следующие команды подменю Route » Auto Route для выполнения конкретных действий автотрассировки:

  • Net - протрассировать все соединения в указанной цепи. После запуска команды автотрассировщик инициализируется, а курсор изменится на перекрестие. Наведите курсор на любую линию соединения (или площадку) в цепи, которую вы хотите протрассировать, затем щелкните или нажмите Enter. Автотрассировщик попытается автоматически протрассировать все соединения в этой цепи, используя стратегию трассировки Main.

  • Net Class - протрассировать все соединения в указанном(ых) классе(ах) цепей. После запуска команды откроется диалог Choose Net Classes to Route. Выберите один или несколько классов цепей, которые вы хотите протрассировать автотрассировщиком, затем нажмите OK — автотрассировщик попытается автоматически протрассировать все соединения для всех цепей в выбранном(ых) классе(ах), используя стратегию трассировки Main.

    
    Диалог Choose Net Class to Route

  • Connection - протрассировать конкретное соединение «площадка‑к‑площадке» в текущем проекте.
  • Area - протрассировать все соединения, которые полностью находятся (начало и конец) в указанной области. После запуска команды автотрассировщик инициализируется, а курсор изменится на перекрестие. Установите курсор и щелкните, чтобы зафиксировать первый угол области трассировки. Переместите курсор, задав размер области трассировки, затем щелкните, чтобы зафиксировать второй угол. Автотрассировщик попытается автоматически протрассировать все соединения, начинающиеся и заканчивающиеся в указанной области, используя стратегию трассировки Main.

  • Room - протрассировать все соединения, которые полностью находятся в границах выбранной комнаты (room). После запуска команды автотрассировщик инициализируется, а курсор изменится на перекрестие. Наведите курсор на комнату, которую вы хотите протрассировать, затем щелкните или нажмите Enter. Автотрассировщик попытается автоматически протрассировать все соединения, полностью находящиеся в границах комнаты, используя стратегию трассировки Main.

    Чтобы выполнить трассировку всех соединений, которые полностью находятся в пределах комнаты под курсором, можно щелкнуть правой кнопкой мыши по комнате и выбрать в контекстном меню команду Room Actions » Autoroute Room . После запуска команды Autorouter попытается автоматически проложить все соединения, полностью лежащие в границах комнаты, используя стратегию трассировки Main.

  • Component - трассировать все соединения, исходящие от площадок указанного компонента. После запуска команды Autorouter инициализируется, а курсор изменится на перекрестие. Наведите курсор на компонент, который нужно трассировать, затем щелкните или нажмите Enter. Autorouter попытается автоматически проложить все соединения, исходящие от площадок выбранного компонента, в каждом случае до следующей встреченной площадки, используя стратегию трассировки Main.

    Чтобы трассировать все соединения, исходящие от площадок компонента под курсором, можно щелкнуть правой кнопкой мыши по компоненту и выбрать в контекстном меню команду Component Actions » Autoroute Component .

  • Component Class - трассировать все соединения, исходящие от площадок компонентов в указанном(ых) классе(ах) компонентов. После запуска команды откроется диалоговое окно Choose Component Classes to Route. Выберите один или несколько классов компонентов, которые нужно трассировать с помощью Autorouter, укажите Connections Routing Mode , затем нажмите OK — Autorouter попытается автоматически проложить все соединения, исходящие от площадок всех компонентов в выбранном(ых) классе(ах) компонентов, используя стратегию трассировки Main.

    
    Диалоговое окно Choose Component Class to Route

  • Connections On Selected Components - трассировать все соединения, исходящие от площадок компонентов, выбранных в данный момент в рабочей области. После запуска команды Autorouter попытается автоматически проложить все соединения, исходящие от площадок выбранных компонентов, в каждом случае до следующей встреченной площадки, используя стратегию трассировки Main.
  • Connections Between Selected Components - трассировать все соединения, проходящие между выбранными в данный момент компонентами в рабочей области. После запуска команды Autorouter попытается автоматически проложить все соединения, проходящие между площадками выбранных компонентов, используя стратегию трассировки Main.
• Используйте следующие команды подменю Route » Auto Route для управления процессом автотрассировки:
  • Stop - завершить процесс автотрассировки по окончании текущего прохода трассировки. Autorouter остановится, и дальнейшая трассировка платы выполняться не будет. Все соединения на плате, которые уже были проложены, останутся проложенными.
  • Reset - сбросить Autorouter — инициализировать память, необходимую автотрассировщику перед попыткой трассировки. Это позволяет эффективно изменять текущую стратегию трассировки или переключаться на другую стратегию «на лету» при трассировке всей платы. После запуска команды откроется диалоговое окно Situs Routing Strategies. Используйте это окно, чтобы внести изменения в текущую стратегию трассировки (где доступно) или переключиться на другую, затем нажмите кнопку Route All. Autorouter выполнит инициализацию для трассировки на основе измененной/другой стратегии.
  • Pause - приостановить текущую операцию автотрассировки. После запуска команды выполнение Autorouter будет временно остановлено. Чтобы продолжить, запустите команду снова (теперь она отображается как команда Route » Auto Route » Resume ).

Сводка проходов трассировки и стратегий трассировки

Текущие определенные стратегии трассировки перечислены в нижней части диалогового окна Situs Routing Strategies. Нажмите кнопку Add, чтобы открыть диалоговое окно Situs Strategy Editor, где можно указать проходы, которые будут включены в новую стратегию. Либо используйте кнопку Duplicate, чтобы создать копию существующей стратегии, а затем отредактировать ее по необходимости. Набор различных проходов трассировки и порядок их использования составляют «интеллект» Autorouter. Эти проходы используются для преобразования виртуальных путей трассировки, определенных в топологической карте, в высококачественные трассы на плате.

Пример редактирования дублированной стратегии.

Доступны следующие проходы трассировки. Проходы можно использовать в любом порядке; в качестве ориентира изучите существующую стратегию, чтобы увидеть порядок проходов.

См. также