Πώς μπορούν οι σχεδιαστές PCB να χρησιμοποιούν εργαλεία σχεδιασμού τοπολογίας και καλωδίωσης για να ολοκληρώσουν γρήγορα τον σχεδιασμό PCB;

Η παρούσα εργασία επικεντρώνεται στην PCB οι σχεδιαστές που χρησιμοποιούν IP και περαιτέρω χρησιμοποιούν εργαλεία τοπολογίας και δρομολόγησης για την υποστήριξη IP, ολοκληρώνουν γρήγορα ολόκληρο τον σχεδιασμό PCB. Όπως μπορείτε να δείτε από το Σχήμα 1, η ευθύνη του μηχανικού του σχεδιασμού είναι να αποκτήσει το IP με την τοποθέτηση ενός μικρού αριθμού απαραίτητων εξαρτημάτων και τον προγραμματισμό κρίσιμων διαδρομών διασύνδεσης μεταξύ τους. Μόλις ληφθεί η IP, οι πληροφορίες IP μπορούν να παρασχεθούν σε σχεδιαστές PCB που κάνουν το υπόλοιπο σχέδιο.

Πώς μπορούν οι σχεδιαστές PCB να χρησιμοποιούν εργαλεία τοπολογίας και καλωδίωσης για να ολοκληρώσουν γρήγορα τον σχεδιασμό PCB

Εικόνα 1: Οι μηχανικοί σχεδιασμού αποκτούν IP, οι σχεδιαστές PCB χρησιμοποιούν περαιτέρω εργαλεία τοπολογίας και καλωδίωσης για την υποστήριξη IP, ολοκληρώνουν γρήγορα ολόκληρο το σχέδιο PCB.

Αντί να χρειαστεί να περάσετε από μια διαδικασία αλληλεπίδρασης και επανάληψης μεταξύ μηχανικών σχεδιασμού και σχεδιαστών PCB για να έχετε τη σωστή πρόθεση σχεδιασμού, οι μηχανικοί σχεδιασμού έχουν ήδη αυτές τις πληροφορίες και τα αποτελέσματα είναι αρκετά ακριβή, γεγονός που βοηθά πολύ τους σχεδιαστές PCB. Σε πολλά σχέδια, οι μηχανικοί σχεδιασμού και οι σχεδιαστές PCB κάνουν διαδραστική διάταξη και καλωδίωση, η οποία καταναλώνει πολύτιμο χρόνο και από τις δύο πλευρές. Ιστορικά, η διαδραστικότητα είναι απαραίτητη, αλλά χρονοβόρα και αναποτελεσματική. Το αρχικό σχέδιο που παρέχεται από τον μηχανικό σχεδιασμού μπορεί να είναι απλώς ένα χειροκίνητο σχέδιο χωρίς κατάλληλα εξαρτήματα, πλάτος διαύλου ή ενδείξεις εξόδου πείρου.

Ενώ οι μηχανικοί που χρησιμοποιούν τεχνικές σχεδιασμού τοπολογίας μπορούν να καταγράψουν τη διάταξη και τις διασυνδέσεις ορισμένων εξαρτημάτων καθώς οι σχεδιαστές PCB εμπλέκονται στο σχεδιασμό, ο σχεδιασμός μπορεί να απαιτεί τη διάταξη άλλων εξαρτημάτων, να καταγράφει άλλες δομές IO και διαύλου και όλες τις διασυνδέσεις.

Οι σχεδιαστές PCB πρέπει να υιοθετήσουν σχεδιασμό τοπολογίας και να αλληλεπιδράσουν με διαμορφωμένα και μη επενδυμένα στοιχεία για να επιτύχουν βέλτιστο σχεδιασμό διάταξης και αλληλεπίδρασης, βελτιώνοντας έτσι την αποδοτικότητα του σχεδιασμού PCB.

Αφού διατυπωθούν κρίσιμες περιοχές υψηλής πυκνότητας και επιτευχθεί ο τοπολογικός σχεδιασμός, η διάταξη μπορεί να ολοκληρωθεί πριν από τον τελικό τοπολογικό σχεδιασμό. Επομένως, ορισμένες διαδρομές τοπολογίας μπορεί να χρειαστεί να λειτουργήσουν με την υπάρχουσα διάταξη. Αν και είναι χαμηλότερης προτεραιότητας, εξακολουθούν να χρειάζονται σύνδεση. Έτσι, μέρος του σχεδιασμού δημιουργήθηκε γύρω από τη διάταξη των εξαρτημάτων. Επιπλέον, αυτό το επίπεδο προγραμματισμού μπορεί να απαιτεί περισσότερες λεπτομέρειες για να δοθεί η απαραίτητη προτεραιότητα σε άλλα σήματα.

Αναλυτικός σχεδιασμός τοπολογίας

Το σχήμα 2 δείχνει μια λεπτομερή διάταξη των εξαρτημάτων μετά την τοποθέτησή τους. Ο δίαυλος έχει 17 bit συνολικά και έχουν αρκετά καλά οργανωμένη ροή σήματος.

Εικόνα 2: Οι γραμμές δικτύου για αυτά τα λεωφορεία είναι αποτέλεσμα τοπολογικού σχεδιασμού και διάταξης με μεγαλύτερη προτεραιότητα.

Για να σχεδιάσουν αυτό το δίαυλο, οι σχεδιαστές PCB πρέπει να λάβουν υπόψη τα υπάρχοντα εμπόδια, τους κανόνες σχεδιασμού στρώσεων και άλλους σημαντικούς περιορισμούς. Έχοντας υπόψη αυτές τις συνθήκες, χάραξαν μια διαδρομή τοπολογίας για το δίαυλο όπως φαίνεται στο σχήμα 3.

Εικόνα 3: Το προγραμματισμένο λεωφορείο.

Στο Σχήμα 3, η λεπτομέρεια “1” παρουσιάζει τις ακίδες των συστατικών στο πάνω στρώμα του “κόκκινου” για την τοπολογική διαδρομή που οδηγεί από τις ακίδες των συστατικών στη λεπτομέρεια “2”. Η μη ενθυλακωμένη περιοχή που χρησιμοποιείται για αυτό το τμήμα και μόνο το πρώτο στρώμα αναγνωρίζεται ως το στρώμα καλωδίωσης. Αυτό φαίνεται προφανές από άποψη σχεδιασμού και ο αλγόριθμος δρομολόγησης θα χρησιμοποιήσει την τοπολογική διαδρομή με το ανώτερο στρώμα συνδεδεμένο με το κόκκινο. Ωστόσο, ορισμένα εμπόδια ενδέχεται να παρέχουν στον αλγόριθμο άλλες επιλογές δρομολόγησης επιπέδου πριν από την αυτόματη δρομολόγηση του συγκεκριμένου διαύλου.

Καθώς το λεωφορείο είναι οργανωμένο σε σφιχτά ίχνη στο πρώτο στρώμα, ο σχεδιαστής αρχίζει να σχεδιάζει τη μετάβαση στο τρίτο επίπεδο με λεπτομέρεια 3, λαμβάνοντας υπόψη την απόσταση που διανύει το λεωφορείο σε ολόκληρο το PCB. Σημειώστε ότι αυτό το τοπολογικό μονοπάτι στο τρίτο στρώμα είναι ευρύτερο από το ανώτερο στρώμα λόγω του επιπλέον χώρου που απαιτείται για να φιλοξενήσει τη σύνθετη αντίσταση. Επιπλέον, ο σχεδιασμός καθορίζει την ακριβή θέση (17 οπές) για τη μετατροπή του επιπέδου.

Καθώς η τοπολογική διαδρομή ακολουθεί το τμήμα δεξιού-κέντρου του σχήματος 3 για να αναφέρει λεπτομερώς το “4”, πολλές συνδέσεις σε σχήμα Τ ενός μονό-bit πρέπει να αντληθούν από τις συνδέσεις τοπολογικής διαδρομής και μεμονωμένες ακίδες συστατικών. Η επιλογή του σχεδιαστή PCB είναι να διατηρήσει το μεγαλύτερο μέρος της ροής σύνδεσης στο επίπεδο 3 και σε άλλα στρώματα για τη σύνδεση ακίδων συστατικών. Έτσι, σχεδίασαν μια περιοχή τοπολογίας για να υποδείξουν τη σύνδεση από την κύρια δέσμη στο στρώμα 4 (ροζ) και έκαναν αυτές τις επαφές σχήματος Τ να συνδέονται με το στρώμα 2 και στη συνέχεια να συνδέονται με τις ακίδες της συσκευής χρησιμοποιώντας άλλες οπές.

Οι τοπολογικές διαδρομές συνεχίζονται στο επίπεδο 3 για να δώσουν λεπτομέρειες στο “5” για τη σύνδεση ενεργών συσκευών. Αυτές οι συνδέσεις στη συνέχεια συνδέονται από τους ενεργούς πείρους σε μια αντίσταση αναδίπλωσης κάτω από την ενεργή συσκευή. Ο σχεδιαστής χρησιμοποιεί μια άλλη περιοχή τοπολογίας για τη ρύθμιση των συνδέσεων από το στρώμα 3 στο στρώμα 1, όπου οι ακίδες των εξαρτημάτων χωρίζονται σε ενεργές συσκευές και αντιστάσεις.

Αυτό το επίπεδο λεπτομερούς προγραμματισμού χρειάστηκε περίπου 30 δευτερόλεπτα για να ολοκληρωθεί. Μόλις καταγραφεί αυτό το σχέδιο, ο σχεδιαστής PCB μπορεί να θέλει να δρομολογήσει αμέσως ή να δημιουργήσει περαιτέρω σχέδια τοπολογίας και, στη συνέχεια, να ολοκληρώσει όλα τα σχέδια τοπολογίας με αυτόματη δρομολόγηση. Λιγότερα από 10 δευτερόλεπτα από την ολοκλήρωση του σχεδιασμού έως τα αποτελέσματα της αυτόματης καλωδίωσης. Η ταχύτητα δεν έχει πραγματικά σημασία και στην πραγματικότητα είναι χάσιμο χρόνου εάν αγνοηθούν οι προθέσεις του σχεδιαστή και η ποιότητα της αυτόματης καλωδίωσης είναι κακή. Τα παρακάτω διαγράμματα δείχνουν τα αποτελέσματα της αυτόματης καλωδίωσης.

Τοπολογία Δρομολόγηση

Ξεκινώντας από πάνω αριστερά, όλα τα σύρματα από τις ακίδες των εξαρτημάτων βρίσκονται στο στρώμα 1, όπως εκφράστηκε από τον σχεδιαστή και συμπιέζονται σε μια στενή δομή διαύλου, όπως φαίνεται στις λεπτομέρειες “1” και “2” στο σχήμα 4. Η μετάβαση μεταξύ του επιπέδου 1 και του επιπέδου 3 πραγματοποιείται λεπτομερώς “3” και λαμβάνει τη μορφή μιας πολύ τροφοδοσίας που καταναλώνει πολύ χώρο. Και πάλι, ο συντελεστής σύνθετης αντίστασης λαμβάνεται υπόψη, οπότε οι γραμμές είναι ευρύτερες και πιο απομακρυσμένες, όπως αντιπροσωπεύεται από την πραγματική διαδρομή πλάτους.

Εικόνα 4: Αποτελέσματα δρομολόγησης με τοπολογίες 1 και 3.

Όπως φαίνεται λεπτομερώς “4” στο Σχήμα 5, η διαδρομή τοπολογίας γίνεται μεγαλύτερη λόγω της ανάγκης χρήσης οπών για την προσαρμογή των συνδέσεων τύπου Τ ενός τύπου bit. Εδώ το σχέδιο αντικατοπτρίζει και πάλι την πρόθεση του σχεδιαστή για αυτά τα σημεία ανταλλαγής τύπου Τ ενός τύπου bit, καλωδίωση από το επίπεδο 3 στο επίπεδο 4. Επιπλέον, το ίχνος στο τρίτο στρώμα είναι πολύ σφιχτό, αν και διαστέλλεται λίγο στην οπή εισαγωγής, σύντομα σφίγγει ξανά αφού περάσει την τρύπα.

Εικόνα 5: Αποτέλεσμα δρομολόγησης με τοπολογία λεπτομέρειας 4.

Το σχήμα 6 δείχνει το αποτέλεσμα της αυτόματης καλωδίωσης στη λεπτομέρεια “5”. Οι ενεργές συνδέσεις συσκευής στο επίπεδο 3 απαιτούν μετατροπή σε επίπεδο 1. Οι διαμπερείς οπές είναι διατεταγμένες τακτοποιημένα πάνω από τους πείρους των εξαρτημάτων και το σύρμα στρώματος 1 συνδέεται πρώτα με το ενεργό συστατικό και στη συνέχεια με την αντίσταση αναδίπλωσης στρώματος 1.

Εικόνα 6: Το αποτέλεσμα της δρομολόγησης με την τοπολογία λεπτομέρειας 5.

Το συμπέρασμα του παραπάνω παραδείγματος είναι ότι τα 17 bits αναλύονται σε τέσσερις διαφορετικούς τύπους συσκευών, που αντιπροσωπεύουν την πρόθεση του σχεδιαστή για την κατεύθυνση του επιπέδου και της διαδρομής, η οποία μπορεί να καταγραφεί σε περίπου 30 δευτερόλεπτα. Στη συνέχεια, μπορεί να πραγματοποιηθεί αυτόματη καλωδίωση υψηλής ποιότητας, ο απαιτούμενος χρόνος είναι περίπου 10 δευτερόλεπτα.

Με την αύξηση του επιπέδου αφαίρεσης από την καλωδίωση στον τοπολογικό σχεδιασμό, ο συνολικός χρόνος διασύνδεσης μειώνεται σημαντικά και οι σχεδιαστές έχουν μια σαφή κατανόηση της πυκνότητας και της δυνατότητας ολοκλήρωσης του σχεδιασμού πριν ξεκινήσει η διασύνδεση, όπως για παράδειγμα γιατί να διατηρηθεί η καλωδίωση σε αυτό το σημείο ο σχεδιασμός? Γιατί να μην προχωρήσετε με τον προγραμματισμό και να προσθέσετε καλωδίωση στο πίσω μέρος; Πότε θα προγραμματιστεί η πλήρης τοπολογία; Εάν ληφθεί υπόψη το παραπάνω παράδειγμα, η αφαίρεση ενός σχεδίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί με ένα άλλο σχέδιο και όχι με 17 ξεχωριστά δίκτυα με πολλά τμήματα γραμμών και πολλές οπές σε κάθε δίκτυο, μια έννοια που είναι ιδιαίτερα σημαντική όταν εξετάζεται μια εντολή αλλαγής μηχανικής (ECO) Το

Εντολή αλλαγής μηχανικής (ECO)

Στο ακόλουθο παράδειγμα, η έξοδος ακίδων FPGA δεν είναι πλήρης. Οι μηχανικοί σχεδιασμού ενημέρωσαν τους σχεδιαστές PCB για αυτό το γεγονός, αλλά για λόγους προγραμματισμού, πρέπει να προωθήσουν το σχέδιο όσο το δυνατόν πριν ολοκληρωθεί η έξοδος καρφιτσών FPGA.

Στην περίπτωση γνωστής εξόδου καρφιτσών, ο σχεδιαστής PCB αρχίζει να σχεδιάζει τον χώρο FPGA και ταυτόχρονα, ο σχεδιαστής θα πρέπει να εξετάσει τις δυνατότητες από άλλες συσκευές στο FPGA. Το IO είχε προγραμματιστεί να βρίσκεται στη δεξιά πλευρά του FPGA, αλλά τώρα είναι στην αριστερή πλευρά του FPGA, προκαλώντας την έξοδο των ακίδων να είναι εντελώς διαφορετική από το αρχικό σχέδιο. Επειδή οι σχεδιαστές εργάζονται σε υψηλότερο επίπεδο αφαίρεσης, μπορούν να προσαρμόσουν αυτές τις αλλαγές αφαιρώντας το γενικό κόστος μετακίνησης όλων των καλωδιώσεων γύρω από το FPGA και αντικαθιστώντας το με τροποποιήσεις της διαδρομής τοπολογίας.

Ωστόσο, δεν επηρεάζονται μόνο τα FPGas. Αυτές οι νέες έξοδοι καρφιτσών επηρεάζουν επίσης τα καλώδια που βγαίνουν από τις σχετικές συσκευές. Το άκρο της διαδρομής κινείται επίσης για να χωρέσει την επίπεδη ενθυλακωμένη διαδρομή εισόδου μολύβδου. Διαφορετικά, τα καλώδια στριμμένου ζεύγους θα στριφογυρίσουν, χάνοντας πολύτιμο χώρο στο PCB υψηλής πυκνότητας. Η περιστροφή για αυτά τα κομμάτια απαιτεί επιπλέον χώρο για καλωδίωση και διατρήσεις, οι οποίες ενδέχεται να μην πληρούνται στο τέλος της φάσης σχεδιασμού. Εάν το πρόγραμμα ήταν αυστηρό, θα ήταν αδύνατο να γίνουν τέτοιες προσαρμογές σε όλες αυτές τις διαδρομές. Το θέμα είναι ότι ο τοπολογικός σχεδιασμός παρέχει υψηλότερο επίπεδο αφαίρεσης, οπότε η εφαρμογή αυτών των ECO είναι πολύ πιο εύκολη.

Ο αλγόριθμος αυτόματης δρομολόγησης που ακολουθεί την πρόθεση του σχεδιαστή θέτει προτεραιότητα ποιότητας έναντι ποσοτικής προτεραιότητας. Εάν εντοπιστεί πρόβλημα ποιότητας, είναι πολύ σωστό να αφήσετε τη σύνδεση να αποτύχει αντί να παράγει καλωδίωση κακής ποιότητας, για δύο λόγους. Πρώτον, είναι ευκολότερο να συνδέσετε μια αποτυχημένη σύνδεση παρά να καθαρίσετε αυτήν την καλωδίωση με κακά αποτελέσματα και άλλες λειτουργίες καλωδίωσης που αυτοματοποιούν την καλωδίωση. Δεύτερον, η πρόθεση του σχεδιαστή πραγματοποιείται και ο σχεδιαστής αφήνεται να καθορίσει την ποιότητα της σύνδεσης. Ωστόσο, αυτές οι ιδέες είναι χρήσιμες μόνο εάν οι συνδέσεις αποτυχημένης καλωδίωσης είναι σχετικά απλές και εντοπισμένες.

Ένα καλό παράδειγμα είναι η αδυναμία ενός καλωδιαστή να επιτύχει 100% προγραμματισμένες συνδέσεις. Αντί να θυσιάζετε την ποιότητα, επιτρέψτε σε κάποιον προγραμματισμό να αποτύχει, αφήνοντας πίσω του κάποια ασύρματη καλωδίωση. Όλα τα καλώδια δρομολογούνται με τοπολογικό σχεδιασμό, αλλά δεν οδηγούν όλα σε ακίδες στοιχείων. Αυτό εξασφαλίζει ότι υπάρχει χώρος για αποτυχημένες συνδέσεις και παρέχει σχετικά εύκολη σύνδεση.

Σύνοψη αυτού του άρθρου

Ο σχεδιασμός τοπολογίας είναι ένα εργαλείο που λειτουργεί με μια διαδικασία σχεδιασμού ψηφιακής σηματοδότησης PCB και είναι εύκολα προσβάσιμο από τους μηχανικούς σχεδιασμού, αλλά έχει επίσης συγκεκριμένες δυνατότητες ροής χώρου, επιπέδου και σύνδεσης για πολύπλοκους λόγους σχεδιασμού. Οι σχεδιαστές PCB μπορούν να χρησιμοποιήσουν το εργαλείο σχεδιασμού τοπολογίας στην αρχή του σχεδιασμού ή αφού ο μηχανικός σχεδιασμού αποκτήσει την IP τους, ανάλογα με το ποιος χρησιμοποιεί αυτό το εύκαμπτο εργαλείο για να ταιριάζει καλύτερα στο περιβάλλον σχεδιασμού τους.

Τα καλώδια τοπολογίας ακολουθούν απλώς το σχέδιο ή την πρόθεση του σχεδιαστή να παράσχουν αποτελέσματα καλωδίωσης υψηλής ποιότητας. Ο σχεδιασμός τοπολογίας, όταν αντιμετωπίζει το ECO, είναι πολύ πιο γρήγορος στη λειτουργία από τις ξεχωριστές συνδέσεις, επιτρέποντας έτσι στον καλωδιακό τοπολόγο να υιοθετήσει το ECO πιο γρήγορα, παρέχοντας γρήγορα και ακριβή αποτελέσματα.