PCB Οι μέθοδοι καλωδίωσης συνεχίζουν να βελτιώνονται και οι ευέλικτες τεχνικές καλωδίωσης μπορούν να μειώσουν το μήκος του καλωδίου και να ελευθερώσουν περισσότερο χώρο PCB. Η συμβατική καλωδίωση PCB περιορίζεται από σταθερές συντεταγμένες καλωδίων και την έλλειψη αυθαίρετα γωνιακών καλωδίων. Η κατάργηση αυτών των περιορισμών μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την ποιότητα της καλωδίωσης.

Let’s start with some terminology. Ορίζουμε την αυθαίρετη καλωδίωση γωνίας ως καλωδίωση σύρματος χρησιμοποιώντας αυθαίρετα τμήματα γωνίας και ακτίνια. Είναι ένα είδος καλωδίωσης καλωδίων, αλλά δεν περιορίζεται στη χρήση μόνο τμημάτων γραμμής γωνίας 90 μοιρών και 45 μοιρών. Topological wiring is wire wiring that does not adhere to grids and coordinates and does not use regular or irregular grids like shape-based wiring. Ας ορίσουμε τον όρο εύκαμπτη καλωδίωση ως καλωδίωση σύρματος χωρίς σταθερό σχήμα που επιτρέπει τον επανυπολογισμό σχήματος σύρματος σε πραγματικό χρόνο για να επιτύχουμε τις ακόλουθες δυνατότητες μετασχηματισμού. Μόνο τόξα από εμπόδια και κοινές εφαπτομένες τους χρησιμοποιούνται για να σχηματίσουν το σχήμα της γραμμής. (Obstacles include pins, copper foil, forbidden areas, holes and other objects) part of the circuit of two PCB models. Τα πράσινα και κόκκινα καλώδια λειτουργούν σε διαφορετικά στρώματα του μοντέλου PCB. The blue circles are the perforations. The red element is highlighted. There are also some red round pins. Use only line segments and models with an Angle of 90 degrees between them. Το σχήμα 1Β είναι ένα μοντέλο PCB που χρησιμοποιεί τόξα και αυθαίρετες γωνίες. Wiring at any Angle may seem strange, but it does have many advantages. The way it is wired is very similar to how engineers wired it by hand half a century ago. Δείχνει ένα πραγματικό PCB που αναπτύχθηκε το 1972 από μια αμερικανική εταιρεία που ονομάζεται Digibarn για πλήρη καλωδίωση χεριών. This is a PCB board based on Intel8008 computer. Η αυθαίρετη καλωδίωση γωνίας που φαίνεται στο σχήμα 2 είναι στην πραγματικότητα παρόμοια. Why would they use arbitrary Angle wiring? Επειδή αυτός ο τύπος καλωδίωσης έχει πολλά πλεονεκτήματα. Arbitrary Angle wiring has many advantages. Πρώτον, η μη χρήση των γωνιών μεταξύ των τμημάτων γραμμής εξοικονομεί χώρο στο PCB (τα πολύγωνα καταλαμβάνουν πάντα περισσότερο χώρο από τις εφαπτομένες). Traditional automatic cablers can place only three wires between adjacent components (see left and center in Figure 3). Ωστόσο, κατά την καλωδίωση σε οποιαδήποτε γωνία, υπάρχει αρκετός χώρος για να τοποθετήσετε 4 σύρματα στην ίδια διαδρομή χωρίς να παραβιάσετε τον έλεγχο των κανόνων σχεδιασμού (DRC). Ας υποθέσουμε ότι έχουμε ένα τσιπ θετικής λειτουργίας και θέλουμε να συνδέσουμε τις καρφίτσες των τσιπ σε δύο άλλες ακίδες. Using only 90 degrees takes up a lot of space. Η χρήση αυθαίρετης καλωδίωσης γωνίας μπορεί να μειώσει την απόσταση μεταξύ του τσιπ και άλλων ακίδων, μειώνοντας παράλληλα το αποτύπωμα. In this case, the area was reduced from 30 square centimeters to 23 square centimeters. Rotating the chip at any Angle can also provide better results. In this case, the area was reduced from 23 square centimeters to 10 square centimeters. It shows a real PCB. Arbitrary Angle wiring with rotating chip function is the only wiring method for this circuit board. Αυτή δεν είναι μόνο μια θεωρία, αλλά και μια πρακτική λύση (μερικές φορές η μόνη δυνατή λύση). Shows an example of a simple PCB. Τα αποτελέσματα τοπολογίας cabler, ενώ τα αποτελέσματα αυτόματης καλωδίωσης με βάση το βέλτιστο σχήμα είναι φωτογραφίες του πραγματικού PCB. An automatic cabler based on optimal shape cannot do this because the components are rotated at arbitrary angles. Χρειάζεστε περισσότερη επιφάνεια και αν δεν περιστρέψετε τα εξαρτήματα, η συσκευή πρέπει να γίνει μεγαλύτερη. Layout performance would be greatly improved without parallel segments, which are often a source of crosstalk. The level of crosstalk increases linearly as the length of parallel wires increases. As the spacing between parallel wires increases, crosstalk decreases quadratic. Let’s set the level of crosstalk produced by two parallel 1mm wires spaced d to e. Εάν υπάρχει γωνία μεταξύ των τμημάτων σύρματος, τότε καθώς αυτή η γωνία αυξάνεται, το επίπεδο της αντιπαράθεσης θα μειωθεί. The crosstalk does not depend on the length of the wire, but only on the Angle value: where α represents the Angle between the wire segments. Consider the following three wiring methods. On the left side of Figure 8 (90 degree layout), there is the maximum wire length and the maximum emi value due to parallel line segments. In the middle of Figure 8 (45 degree layout), the wire length and emi values are reduced. On the right-hand side (at any Angle), the wire length is shortest and there are no parallel wire segments, so the interference value is negligible. So arbitrary Angle wiring helps to reduce the total wire length and significantly reduce electromagnetic interference. You also remember the effect on signal delay (conductors should not be parallel and should not be perpendicular to the PCB fiberglass). Advantages of flexible wiring Manual and automatic movement of components does not destroy the wiring in flexible wiring. Το καλώδιο υπολογίζει αυτόματα το βέλτιστο σχήμα του σύρματος (λαμβάνοντας υπόψη την απαραίτητη απόσταση ασφαλείας). Η ευέλικτη καλωδίωση μπορεί επομένως να μειώσει σημαντικά τον χρόνο που απαιτείται για την επεξεργασία της τοπολογίας, υποστηρίζοντας όμορφα την πολλαπλή επανάληψη για την κάλυψη των περιορισμών. Αυτό δείχνει ένα σχέδιο PCB που κινείται μέσα από τρύπες και σημεία διακλάδωσης. Κατά την αυτόματη κίνηση, τα σημεία διακλάδωσης σύρματος και οι διαμπερείς οπές ρυθμίζονται στη βέλτιστη θέση. In most computer-aided design (CAD) systems, the wiring interconnection problem is reduced to the problem of sequentially finding paths between pairs of points in a maze of pads, forbidden areas, and laid wires. Όταν βρεθεί μια διαδρομή, είναι σταθερή και γίνεται μέρος του λαβυρίνθου. Το μειονέκτημα της διαδοχικής καλωδίωσης είναι ότι το αποτέλεσμα καλωδίωσης μπορεί να εξαρτάται από τη σειρά καλωδίωσης. Όταν η τοπολογική ποιότητα είναι ακόμα πολύ μακριά από την τέλεια, το πρόβλημα του «κολλήματος» εμφανίζεται σε τοπικά μικρές περιοχές. But no matter which wire you rewire, it’s not going to improve the quality of the wiring. This is a serious problem in all CAD systems using sequential optimization. This is where the bending elimination process is useful. Η κάμψη καλωδίων αναφέρεται στο φαινόμενο ότι ένα καλώδιο σε ένα δίκτυο πρέπει να περπατά γύρω από ένα αντικείμενο σε άλλο δίκτυο για να έχει πρόσβαση σε ένα αντικείμενο. Rewiring a wire will not correct this. Εμφανίζεται ένα παράδειγμα κάμψης. A lit red wire travels around a pin in the other network, and an unlit red wire connects to this pin. Εμφανίζονται αποτελέσματα αυτόματης επεξεργασίας. In the second case (on another layer), a lighted green wire is automatically rewired by changing the wiring layer (from green to red). Eliminate wire bending by automatically optimizing wire shape (approximate arcs with line segments just to show any Angle examples without arcs). (top) original design, (bottom) after eliminating bending design. Τα κόκκινα λυγισμένα σύρματα επισημαίνονται. Σε ένα δέντρο Steiner, όλες οι γραμμές πρέπει να συνδέονται ως τμήματα με κορυφές (τελικά σημεία και προσθήκες). Στην κορυφή κάθε νέας κορυφής, τρία τμήματα πρέπει να συγκλίνουν και δεν πρέπει να τελειώσουν περισσότερα από τρία τμήματα. The Angle between the line segments that converge to the vertex shall not be less than 120 degrees. Δεν είναι πολύ δύσκολο να κατασκευαστεί ένα Steiner με αυτές τις επαρκείς υπό όρους ιδιότητες, αλλά δεν είναι απαραίτητα ελάχιστο. Gray Steiner trees are not optimal, but black Steiner trees are. Σε πρακτικό σχεδιασμό επικοινωνίας, πρέπει να ληφθούν υπόψη διάφορα είδη εμποδίων. Περιορίζουν τη δυνατότητα κατασκευής ελάχιστων εκτάσεων δέντρων χρησιμοποιώντας και αλγόριθμους και δέντρων Steiner χρησιμοποιώντας γεωμετρικές μεθόδους. The obstacles are shown in gray and we recommend starting at any end vertex. If there is more than one adjacent terminating vertex, you should choose one that allows you to continue using the second vertex. It depends on the Angle. Ο κύριος μηχανισμός εδώ είναι ένας αλγόριθμος που βασίζεται σε δύναμη και υπολογίζει τις δυνάμεις που δρουν στις νέες κορυφές και τις μετακινεί επανειλημμένα σε ένα σημείο ισορροπίας (το μέγεθος και η κατεύθυνση των δυνάμεων εξαρτώνται από τα σύρματα στα παρακείμενα σημεία διακλάδωσης). Εάν η γωνία μεταξύ ενός ζεύγους τμημάτων γραμμής που συνδέονται με μια κορυφή (άκρο ή πρόσθεση) είναι μικρότερη από 120 μοίρες, μπορεί να προστεθεί ένα σημείο διακλάδωσης και στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί ένας μηχανικός αλγόριθμος για τη βελτιστοποίηση της θέσης της κορυφής. It’s worth noting that simply sorting all angles in descending order and adding new vertices in that order doesn’t work, and the result is worse. After adding a new node, you should check the minimum of a subnet consisting of four pins:

1. If a vertex is added to the vicinity of another newly added vertex, check for the smallest four-pin network.

2. If the four-pin network is not minimal, select a pair of “diagonal” (belonging to the quadrilateral diagonal) endpoints or virtual terminal nodes (virtual terminal nodes – wire bends).

3. The line segment that connects the endpoint (virtual endpoint) to the nearest new vertex is replaced by the line segment that connects the endpoint (virtual endpoint) to the distant new vertex.

4. Use mechanical algorithms to optimize vertex positions.

This method does not guarantee to build the smallest network, but compared with other methods, it can achieve the smallest network length without grazing. Επιτρέπει επίσης περιοχές όπου οι συνδέσεις τελικού σημείου απαγορεύονται και ο αριθμός των κόμβων τελικού σημείου μπορεί να είναι αυθαίρετος.

Flexible wiring at any Angle has some other interesting advantages. For example, if you can automatically move many objects with the help of automatic real-time wire shape recalculation, you can create parallel serpentine lines. This cabling method makes better use of space, minimizes the number of iterations, and allows for flexible use of tolerances. If there are two serpentine lines interlaced with each other, the automatic cabler will reduce the length of one or both, depending on rule priority.

Consider the wiring of BGA components. In the traditional peripheral-to-center approach, the number of channels to the periphery is reduced by 8 with each successive layer (due to a reduction in perimeter). For example, a 28x28mm component with 784 pins requires 10 layers. Some of the layers in the diagram have escaped wiring. Το σχήμα 16 δείχνει ένα τέταρτο ενός BGA. Ταυτόχρονα, όταν χρησιμοποιείτε τη μέθοδο καλωδίωσης “κέντρο προς περιφέρεια”, ο αριθμός των καναλιών που απαιτούνται για έξοδο στην περιφέρεια δεν αλλάζει από στρώμα σε στρώμα. Αυτό θα μειώσει σημαντικά τον αριθμό των στρωμάτων. Για μέγεθος εξαρτήματος 28x28mm, αρκούν 7 στρώσεις. Για μεγαλύτερα εξαρτήματα, είναι ένα win-win. Figure 17 shows a quarter of the BGA. An example of BGA wiring is shown. When using the “center to periphery” cabling approach, we can complete the cabling of all networks. Το αυτόματο αυτόματο καλώδιο αυθαίρετης γωνίας μπορεί να το κάνει αυτό. Traditional automatic cablers cannot route this example. Shows an example of a real PCB where the engineer reduced the number of signal layers from 6 to 4 (compared to the specification). In addition, it took engineers only half a day to complete the wiring of the PCB.