Автоматизированная разводка плат с помощью топологического автороутера Situs

Трассировка соединений на печатной плате — сложная и трудоемкая задача. На больших платах или платах с высокой плотностью компоновки трассировка может отнимать у разработчика значительное время, и здесь на помощь приходит автотрассировщик.

Автотрассировщик Situs™ в Altium Designer использует топологический анализ для построения карты пространства платы. В отличие от геометрического картирования или картирования на основе формы объектов, этот метод не зависит от формы и координат препятствий. Топологическое картирование обеспечивает большую гибкость при определении пути трассы и позволяет вести трассировку в любом направлении.

Автоматическая трассировка платы

Топологический трассировщик Situs предлагает новый подход к задаче автоматической трассировки. Сначала он использует передовое топологическое картирование для определения пути трассы, а затем применяет различные проверенные алгоритмы трассировки, чтобы преобразовать этот путь, подобный выбранному человеком, в качественную трассу. Будучи неотъемлемой частью редактора печатных плат, он соблюдает заданные электрические правила и правила трассировки.

Подготовка платы

Хотя настройка и запуск Situs не представляют сложности, для получения оптимального результата трассировки следует учитывать ряд моментов.

Размещение компонентов

В конечном счете именно размещение компонентов оказывает наибольшее влияние на эффективность трассировки. Редактор печатных плат Altium Designer содержит ряд инструментов, в том числе динамически оптимизируемые линии соединений, которые позволяют точно корректировать размещение компонентов. Оптимальным считается такое размещение, при котором линии соединений максимально короткие и как можно меньше переплетаются.

К другим полезным приемам проектирования относятся размещение компонентов так, чтобы их контактные площадки располагались на регулярной сетке (это позволяет максимально увеличить свободное пространство между площадками для трассировки), размещение компонентов поверхностного монтажа сходных размеров точно напротив друг друга на двусторонних платах, а также использование рекомендаций производителей по размещению развязывающих конденсаторов, приведенных в технической документации. Это не полный перечень рекомендаций по размещению, а лишь несколько советов.

Запретные области

Трассировщику необходима замкнутая граница, образованная размещенными объектами запретных областей. Обычно эта граница проходит вдоль края платы. К размещаемым объектам применяется соответствующее правило зазоров, чтобы обеспечить необходимое расстояние до этой границы и выполнить предусмотренные проектом требования к механическим или электрическим зазорам. Трассировщик также учитывает запретные области внутри внешней границы и запретные области отдельных слоев.

Создать замкнутую границу, повторяющую контур платы, можно с помощью диалогового окна Line/Arc Primitives from Board Shape. Подробнее о запретных областях см. в разделе Запретные области для определенных типов объектов.

Полигональные заливки

Полигональные (медные) заливки могут быть сплошными (состоящими из одной или нескольких областей меди) или штрихованными (состоящими из дорожек и дуг). Штрихованная полигональная заливка среднего или большого размера содержит множество дорожек и дуг. Хотя трассировщик способен трассировать плату с такими заливками, большое количество создаваемых ими объектов усложняет процесс трассировки.

Как правило, до трассировки следует размещать полигональные заливки только при необходимости — например, если они используются для создания предварительно проложенных проводников необычной формы, таких как входные цепи сетевого питания или критически важная область земли. В остальных случаях предпочтительно добавлять полигональные заливки после завершения трассировки.

Возможна ли трассировка?

Автотрассировщик — это попытка человека понять и смоделировать процесс трассировки, а затем воспроизвести его автоматически. Если на плате есть участок, который невозможно трассировать вручную, автоматическая трассировка также не справится. Если трассировщику постоянно не удается развести соединения определенного компонента или участка платы, попробуйте выполнить трассировку интерактивно. Возможно, проблемы с размещением компонентов или настройкой правил делают трассировку в принципе невозможной.

Предварительная трассировка

Заранее трассируйте критически важные цепи и, если необходимо сохранить их неизменными при последующей трассировке, заблокируйте их, включив параметр Lock All Pre-routes в диалоговом окне Situs Routing Strategies. Однако избегайте ненужной блокировки: большое количество заблокированных объектов может существенно усложнить задачу трассировки.

Перед использованием автотрассировщика цепи дифференциальных пар необходимо трассировать вручную и заблокировать. В противном случае трассировка с высокой вероятностью будет изменена, что повлияет на целостность сигнала дифференциальной пары.

Настройка правил проектирования

Убедитесь, что правила трассировки соответствуют используемой технологии изготовления платы. Неверно заданная область действия правил или неподходящие правила могут значительно снизить эффективность автоматической трассировки. Обратите внимание: трассировщик соблюдает все электрические правила и правила трассировки, кроме правила Routing Corners.

Правила задаются в диалоговом окне PCB Rules and Constraints Editor (Design » Rules), которое можно открыть непосредственно из диалогового окна Situs Routing Strategies.

Если правило содержит минимальное, предпочтительное и максимальное значения, автотрассировщик использует предпочтительное значение.

Наиболее важны правила Width и Clearance. Эти технологические параметры определяют, насколько плотно можно разместить проводники. Их выбор требует компромисса: чем шире дорожки и больше зазоры, тем проще изготовить плату; чем уже дорожки и меньше зазоры, тем проще ее трассировать. Рекомендуется уточнить у производителя пороговые значения ширины проводников и зазоров, уменьшение которых приводит к снижению выхода годных изделий и повышению стоимости печатных плат. Помимо соблюдения электрических требований проекта, параметры трассировки должны соответствовать типам используемых компонентов и обеспечивать возможность подключения к каждому выводу.

Третье правило, определяющее технологические параметры трассировки, — Routing Via Style. Его также следует выбирать с учетом используемой ширины дорожек и зазоров, принимая во внимание влияние выбранного диаметра отверстия и ширины контактного кольца на стоимость изготовления.

Также следует избегать избыточных или ненужных правил: чем больше правил, тем больше времени занимает обработка и тем медленнее выполняется трассировка. Правила, не требующиеся для автоматической трассировки, можно отключить.

Ширина проводников

Убедитесь, что существует правило Width с запросом All (правило по умолчанию) и что значение Preferred соответствует наиболее часто используемой ширине трассировки. Убедитесь, что эта ширина в сочетании с соответствующим правилом зазора позволяет подвести дорожки ко всем контактным площадкам. Настройте дополнительные правила ширины трассировки для цепей, которым требуются более широкие или более узкие дорожки.

Если на плате есть компоненты с малым шагом выводов, подключенные к цепям с увеличенной шириной трассировки, например к цепям питания, выполните пробную трассировку от вывода питания, а также от двух соседних с ним выводов, чтобы убедиться, что их физически возможно развести.

Ограничение зазоров

Проверьте наличие особых требований к зазорам, например для компонентов с малым шагом выводов, у которых расстояние между контактными площадками меньше стандартных зазоров платы. Такие требования можно учесть с помощью правила проектирования с подходящей областью действия и приоритетом. Обратите внимание: хотя можно задать правило для посадочного места, оно не будет распространяться на подключенные к нему дорожки. Как уже упоминалось в разделе о ширине трассировки, выполните пробную трассировку, чтобы убедиться в возможности разводки выводов компонента.

Тип переходных отверстий при трассировке

Убедитесь, что существует правило Routing Via Style с запросом All и что предпочтительные параметры заданы надлежащим образом. Добавьте правила с более высоким приоритетом для цепей, которым требуется тип переходных отверстий, отличный от заданного правилом по умолчанию.

Altium Designer поддерживает глухие и скрытые переходные отверстия. Их применение определяется допустимыми переходами между слоями, заданными типами переходных отверстий в Layer Stack Manager (Design » Layer Stack Manager). Как и при интерактивной трассировке, при переходе между двумя слоями автотрассировщик проверяет текущие определения типов переходных отверстий. Если эти слои заданы как пара для глухого или скрытого переходного отверстия, они станут начальным и конечным слоями размещаемого отверстия. Важно понимать ограничения, связанные с использованием глухих и скрытых переходных отверстий: применять их следует только по согласованию с изготовителем платы. Помимо ограничений, обусловленных технологией изготовления стека слоев, необходимо учитывать надежность и доступность для тестирования. Некоторые разработчики считают, что лучше добавить слои трассировки, чем использовать глухие и скрытые переходные отверстия.

Слои трассировки

Убедитесь, что существует правило Routing Layers с запросом All. В списке будут представлены все включенные сигнальные слои, заданные в стеке слоев. Включите слои, на которых необходимо разрешить трассировку. Добавьте правила с более высоким приоритетом для цепей, которые должны трассироваться только на определенных слоях.

Чтобы исключить определенную цепь или класс цепей из автоматической трассировки, задайте правило Routing Layers для этой цепи или класса цепей и в области Constraints этого правила отключите параметр Allow Routing для каждого включенного сигнального слоя. Приоритет этого правила должен быть выше, чем у правила по умолчанию (с запросом All).

Направления трассировки на слоях

Предпочтительные направления трассировки задаются в диалоговом окне Layer Directions, которое открывается из диалогового окна Situs Routing Strategies. В списке будут представлены все включенные сигнальные слои, заданные в стеке слоев.

Выберите направления трассировки на слоях в соответствии с направлением линий связи. Situs использует топологическое отображение для определения путей трассировки, поэтому трассировка не ограничивается горизонтальным и вертикальным направлениями. Как правило, для внешних слоев лучше выбирать горизонтальное и вертикальное направления. Однако если на многослойной плате много соединений, ориентированных в направлении «на 2 часа», задайте это направление как предпочтительное для одного или нескольких внутренних слоев. Эта информация используется, в частности, на проходе Layer Patterns, и правильный выбор направления может существенно улучшить результаты трассировки как по времени, так и по качеству. Обратите внимание: при использовании слоев с наклонным направлением трассировки не требуется парный слой с направлением под углом 90 градусов к нему, поскольку при необходимости обойти препятствие на таком слое трассировщик обычно прокладывает дорожки горизонтально или вертикально.

Диалоговое окно Layer Directions

Приоритет трассировки

Используйте правила Routing Priority, чтобы задать более высокий приоритет для сложных цепей или цепей, для которых требуется наиболее аккуратная разводка.

Управление веерной разводкой SMD-компонентов

Система запросов включает ключевые слова для выбора различных типов корпусов компонентов поверхностного монтажа, в том числе IsLCC (безвыводной корпус), IsSOIC (малогабаритный корпус ИС) и IsBGA (корпус с матрицей шариковых выводов). Для наиболее распространенных корпусов автоматически создаются правила по умолчанию. Поскольку проходы веерной разводки выполняются на раннем этапе автоматической трассировки, сохранение правил, которые не относятся ни к одному компоненту, практически не влияет на производительность. Если на плате есть компоненты поверхностного монтажа, должно существовать хотя бы одно правило управления их веерной разводкой. Для единого правила, охватывающего все компоненты поверхностного монтажа, подойдет запрос IsSMTComponent. Чтобы узнать, как каждое ключевое слово запроса определяет тип корпуса компонента, откройте Query Helper, введите нужное ключевое слово и нажмите F1.

Правила веерной разводки включают параметры, определяющие направление отвода дорожек от контактных площадок: внутрь, наружу или в обоих направлениях. Чтобы ознакомиться с действием параметров правила Fanout Control, можно выполнить команду Route » Fanout » Component для любого компонента поверхностного монтажа, которому не назначены цепи. Помимо проверки качества веерной разводки компонента при текущих настройках технологии трассировки платы, эту команду можно использовать для подготовки компонента, который требуется сохранить в библиотеке как посадочное место с готовой веерной разводкой. После выполнения веерной разводки в рабочей области редактора печатных плат скопируйте компонент вместе с дорожками и переходными отверстиями веерной разводки и вставьте их в библиотеку.

Приоритеты правил

Порядок применения, или приоритет, правил задается разработчиком. Приоритет определяет, какое правило следует применить, если на объект распространяется несколько правил. Если приоритет задан неверно, может оказаться, что какое-либо 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. Нажмите кнопку Priorities в диалоговом окне PCB Rules and Constraints Editor, чтобы открыть диалоговое окно Edit Rule Priorities, в котором можно настроить приоритеты. Обратите внимание: приоритет не имеет значения, если области действия двух правил не пересекаются (правила не распространяются на одни и те же объекты). Например, неважно, какая из этих двух областей действия правил имеет более высокий приоритет — InNet('VCC') или InNet('GND').

Золотое правило

Самый важный шаг — выполнить проверку правил проектирования (DRC) перед запуском автотрассировщика. При использовании команд Route » Auto Route » Setup или Route » Auto Route » All Situs выполняет собственный предварительный анализ перед трассировкой и представляет результаты в виде отчета в диалоговом окне Situs Routing Strategies. В этом окне можно изучить отчет по проекту и выбрать стратегию трассировки. Стратегия трассировки определяет логику работы трассировщика: какие из доступных алгоритмов трассировки использовать и когда, чтобы преобразовать «виртуальные» пути трассировки, определенные на топологической карте, в качественную и эффективную реальную разводку на плате.

Перед запуском автотрассировщика убедитесь, что в отчете Routing Setup Report нет замечаний.

Отчет содержит следующую информацию:

• Правила проектирования, заданные для текущего проекта и учитываемые автотрассировщиком (а также количество объектов проекта — цепей, компонентов, контактных площадок, — на которые распространяется каждое правило)
• Направления трассировки, заданные для всех сигнальных слоев
• Заданные пары слоев сверления

В отчете перечислены потенциальные проблемы, которые могут повлиять на работу трассировщика. По возможности приводятся рекомендации, помогающие лучше подготовить проект к автоматической трассировке. Прежде чем приступать к трассировке проекта, следует внимательно изучить все перечисленные ошибки, предупреждения и рекомендации и при необходимости скорректировать соответствующие правила трассировки.

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

Перед запуском автотрассировщика необходимо устранить все нарушения правил, связанных с трассировкой. Такие нарушения не только могут препятствовать трассировке в месте нарушения, но и значительно замедлять работу трассировщика, поскольку он будет постоянно пытаться выполнить трассировку в области, где это невозможно.

Примечания по работе с автотрассировщиком Situs

• Команды автотрассировщика находятся в подменю Route » Auto Route.
• Обе команды, Route » Auto Route » All и Route » Auto Route » Setup, открывают диалоговое окно Situs Routing Strategies. Разница в том, что при выборе All в этом окне отображается кнопка Route All.
• Не бойтесь экспериментировать. Если результаты вас не устраивают, попробуйте изменить подход трассировщика. Добавьте промежуточные проходы оптимизации и выпрямления, освободите больше места вокруг областей с высокой плотностью размещения или измените направления трассировки на слоях.
• Экспериментируя с трассировщиком — создавая собственные стратегии для управления порядком проходов, изменяя количество переходных отверстий с помощью элемента управления Via, меняя направления трассировки на слоях, разрешая трассировщику прокладывать только ортогональные трассы и т. д., — записывайте опробованные сочетания настроек. Это позволит определить и повторно использовать конфигурации, наиболее подходящие для ваших проектов.
• Сначала выполните отдельно проходы веерной разводки и оцените их качество. Возможно, в проблемных областях потребуется выполнить веерную разводку вручную.

• Для выполнения отдельных операций автоматической трассировки используйте следующие команды подменю Route » Auto Route:

  • Net — трассировать все соединения указанной цепи. После запуска команды автотрассировщик выполнит инициализацию, а курсор примет вид перекрестия. Наведите курсор на любую линию связи (или контактную площадку) цепи, которую требуется трассировать, затем щелкните мышью или нажмите Enter. Автотрассировщик попытается автоматически трассировать все соединения цепи, используя стратегию трассировки Main.

  • Net Class — трассировать все соединения в указанных классах цепей. После запуска команды откроется диалоговое окно Choose Net Classes to Route. Выберите один или несколько классов цепей, которые требуется трассировать с помощью автотрассировщика, затем нажмите OK — автотрассировщик попытается автоматически трассировать все соединения всех цепей выбранных классов, используя стратегию трассировки Main.

    
    Диалоговое окно Choose Net Class to Route

  • Connection — трассировать отдельное соединение между двумя контактными площадками в текущем проекте.
  • Area — трассировать все соединения, начало и конец которых находятся в указанной области. После запуска команды автотрассировщик выполнит инициализацию, а курсор примет вид перекрестия. Установите курсор в нужном месте и щелкните мышью, чтобы зафиксировать первый угол области трассировки. Переместите курсор, чтобы задать размер области трассировки, затем щелкните мышью, чтобы зафиксировать второй угол. Автотрассировщик попытается автоматически трассировать все соединения, начало и конец которых находятся в заданной области, используя стратегию трассировки Main.

  • Room — трассировать все соединения, полностью находящиеся в границах выбранной области размещения (Room). После запуска команды автотрассировщик выполнит инициализацию, а курсор примет вид перекрестия. Наведите курсор на область размещения, в которой требуется выполнить трассировку, затем щелкните мышью или нажмите Enter. Автотрассировщик попытается автоматически трассировать все соединения, полностью находящиеся в границах области размещения, используя стратегию трассировки Main.

    Чтобы трассировать все соединения, полностью находящиеся в границах области размещения под курсором, можно щелкнуть эту область правой кнопкой мыши и выбрать команду Room Actions » Autoroute Room  в контекстном меню. После запуска команды автотрассировщик попытается автоматически трассировать все соединения, полностью находящиеся в границах области размещения, используя стратегию трассировки Main.

  • Component — трассировать все соединения, отходящие от контактных площадок указанного компонента. После запуска команды автотрассировщик выполнит инициализацию, а курсор примет вид перекрестия. Наведите курсор на компонент, соединения которого требуется трассировать, затем щелкните мышью или нажмите Enter. Автотрассировщик попытается автоматически трассировать все соединения, отходящие от контактных площадок выбранного компонента, в каждом случае до следующей контактной площадки, используя стратегию трассировки Main.

    Чтобы трассировать все соединения, отходящие от контактных площадок компонента под курсором, можно щелкнуть этот компонент правой кнопкой мыши и выбрать команду Component Actions » Autoroute Component  в контекстном меню.

  • Component Class — трассировать все соединения, отходящие от контактных площадок компонентов указанных классов. После запуска команды откроется диалоговое окно Choose Component Classes to Route. Выберите один или несколько классов компонентов, соединения которых требуется трассировать с помощью автотрассировщика, задайте Connections Routing Mode , затем нажмите OK — автотрассировщик попытается автоматически трассировать все соединения, отходящие от контактных площадок всех компонентов выбранных классов, используя стратегию трассировки Main.

    
    Диалоговое окно Choose Component Class to Route

  • Connections On Selected Components - трассировать все соединения, выходящие из контактных площадок компонентов, выбранных в данный момент в рабочей области. После запуска команды автотрассировщик попытается автоматически проложить все соединения, выходящие из контактных площадок выбранных компонентов, в каждом случае до следующей встреченной контактной площадки, используя стратегию трассировки Main.
  • Connections Between Selected Components - трассировать все соединения между компонентами, выбранными в данный момент в рабочей области. После запуска команды автотрассировщик попытается автоматически проложить все соединения между контактными площадками выбранных компонентов, используя стратегию трассировки Main.
• Для управления процессом автотрассировки используйте следующие команды подменю Route » Auto Route:
  • Stop - завершить процесс автотрассировки после окончания текущего прохода трассировки. Автотрассировщик остановится, и дальнейшая трассировка платы выполняться не будет. Все уже проложенные на плате соединения сохранятся.
  • Reset - сбросить автотрассировщик, инициализировав необходимую ему память перед началом трассировки. Это позволяет на лету изменять существующую стратегию трассировки или переключаться на другую при трассировке всей платы. После запуска команды откроется диалоговое окно Situs Routing Strategies. В этом окне внесите изменения в текущую стратегию трассировки (если это возможно) или выберите другую, а затем нажмите кнопку Route All. Автотрассировщик выполнит инициализацию для трассировки на основе измененной или новой стратегии.
  • Pause - приостановить текущую операцию автотрассировки. После запуска команды работа автотрассировщика будет временно приостановлена. Чтобы продолжить, выполните команду еще раз (теперь она отображается как команда Route » Auto Route » Resume ).

Обзор проходов и стратегий трассировки

Заданные в настоящее время стратегии трассировки перечислены в нижней части диалогового окна Situs Routing Strategies. Нажмите кнопку Add, чтобы открыть диалоговое окно Situs Strategy Editor, в котором можно указать проходы, включаемые в новую стратегию. Также можно воспользоваться кнопкой Duplicate, чтобы создать копию существующей стратегии, а затем отредактировать ее нужным образом. Набор проходов трассировки и порядок их выполнения определяют «интеллект» автотрассировщика. Эти проходы преобразуют виртуальные пути трассировки, определенные на топологической карте, в качественно проложенные на плате проводники.

Пример редактирования копии стратегии.

Доступны следующие проходы трассировки. Их можно выполнять в любом порядке. В качестве ориентира изучите порядок проходов в одной из существующих стратегий.

См. также