Η αυξανόμενη πολυπλοκότητα του PCB σχεδιαστικές εκτιμήσεις, όπως ρολόι, διασταυρούμενη ομιλία, σύνθετη αντίσταση, ανίχνευση και διαδικασίες κατασκευής, συχνά αναγκάζουν τους σχεδιαστές να επαναλαμβάνουν πολλές εργασίες διάταξης, επαλήθευσης και συντήρησης. Ο επεξεργαστής περιορισμών παραμέτρων κωδικοποιεί αυτές τις παραμέτρους σε τύπους για να βοηθήσει τους σχεδιαστές να αντιμετωπίσουν καλύτερα αυτές τις μερικές φορές αντιφατικές παραμέτρους κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού και της παραγωγής.

Τα τελευταία χρόνια, οι απαιτήσεις διάταξης και δρομολόγησης PCB έχουν γίνει πιο περίπλοκες και ο αριθμός των τρανζίστορ στα ολοκληρωμένα κυκλώματα έχει αυξηθεί όπως προβλέπεται από τον νόμο του Moore, καθιστώντας τις συσκευές γρηγορότερες και κάθε παλμό συντομότερο κατά τη διάρκεια της ανόδου, καθώς και αυξάνοντας τον αριθμό των ακίδων – συχνά 500 έως 2,000. Όλα αυτά δημιουργούν προβλήματα πυκνότητας, ρολογιού και διασταύρωσης κατά το σχεδιασμό ενός PCB.

Πριν από μερικά χρόνια, τα περισσότερα PCBS είχαν μόνο μια χούφτα “κρίσιμων” κόμβων (Nets), που συνήθως ορίζονται ως περιορισμοί στη σύνθετη αντίσταση, το μήκος και το διάκενο. Οι σχεδιαστές PCB θα κατευθύνουν χειροκίνητα αυτές τις διαδρομές και στη συνέχεια θα χρησιμοποιούν λογισμικό για να αυτοματοποιήσουν τη δρομολόγηση μεγάλης κλίμακας ολόκληρου του κυκλώματος. Το σημερινό PCBS έχει συχνά 5,000 ή περισσότερους κόμβους, πάνω από το 50% των οποίων είναι κρίσιμοι. Λόγω του χρόνου πίεσης στην αγορά, η χειροκίνητη καλωδίωση δεν είναι δυνατή σε αυτό το σημείο. Επιπλέον, όχι μόνο έχει αυξηθεί ο αριθμός των κρίσιμων κόμβων, αλλά έχουν αυξηθεί και οι περιορισμοί σε κάθε κόμβο.

Αυτοί οι περιορισμοί οφείλονται κυρίως στις παραμέτρους συσχέτισης και τις απαιτήσεις σχεδίασης όλο και πιο πολύπλοκων, για παράδειγμα, τα δύο γραμμικά διαστήματα μπορεί να εξαρτώνται από μια τάση κόμβου και τα υλικά της πλακέτας κυκλώματος είναι συναφείς λειτουργίες, ο χρόνος ανόδου ψηφιακού IC μειώνεται σε υψηλές και χαμηλές ταχύτητες. η ταχύτητα ρολογιού μπορεί να επηρεάσει το σχεδιασμό, λόγω του παλμού γρηγορότερα και να καθιερώσει και να διατηρήσει μικρότερο χρόνο, Επιπλέον, ως σημαντικό μέρος της συνολικής καθυστέρησης του σχεδιασμού κυκλωμάτων υψηλής ταχύτητας, η καθυστέρηση διασύνδεσης είναι επίσης πολύ σημαντική για το σχεδιασμό χαμηλών ταχυτήτων.

Ορισμένα από αυτά τα προβλήματα θα ήταν ευκολότερα να επιλυθούν εάν οι πίνακες ήταν μεγαλύτεροι, αλλά η τάση είναι προς την αντίθετη κατεύθυνση. Λόγω των απαιτήσεων καθυστέρησης διασύνδεσης και πακέτου υψηλής πυκνότητας, η πλακέτα κυκλώματος γίνεται όλο και μικρότερη, έτσι εμφανίζεται ο σχεδιασμός κυκλώματος υψηλής πυκνότητας και πρέπει να τηρούνται οι κανόνες σχεδιασμού μικρογραφίας. Οι μειωμένοι χρόνοι ανόδου σε συνδυασμό με αυτούς τους μικροσκοπικούς κανόνες σχεδίασης καθιστούν το θόρυβο των διασταυρώσεων ένα ολοένα και πιο εμφανές πρόβλημα, και οι συστοιχίες πλέγματος μπάλας και άλλα πακέτα υψηλής πυκνότητας επιδεινώνουν τις διασταυρώσεις, το θόρυβο και την αναπήδηση στο έδαφος.

Διορθώθηκαν οι περιορισμοί που υπάρχουν

Η παραδοσιακή προσέγγιση σε αυτά τα προβλήματα είναι η μετάφραση των ηλεκτρικών απαιτήσεων και των απαιτήσεων διεργασίας σε σταθερές παραμέτρους περιορισμού βάσει εμπειρίας, προεπιλεγμένων τιμών, αριθμών πινάκων ή μεθόδων υπολογισμού. Για παράδειγμα, ένας μηχανικός που σχεδιάζει ένα κύκλωμα μπορεί πρώτα να καθορίσει μια ονομαστική σύνθετη αντίσταση και στη συνέχεια να “εκτιμήσει” ένα ονομαστικό πλάτος γραμμής για να επιτύχει την επιθυμητή σύνθετη αντίσταση με βάση τις απαιτήσεις της τελικής διαδικασίας, ή να χρησιμοποιήσει έναν πίνακα υπολογισμών ή ένα αριθμητικό πρόγραμμα για να ελέγξει τις παρεμβολές και στη συνέχεια να εργαστεί έξω από τους περιορισμούς μήκους.

Αυτή η προσέγγιση απαιτεί συνήθως ένα σύνολο εμπειρικών δεδομένων να σχεδιαστεί ως βασική οδηγία για τους σχεδιαστές PCB, έτσι ώστε να μπορούν να αξιοποιήσουν αυτά τα δεδομένα όταν σχεδιάζουν με αυτόματα εργαλεία διάταξης και δρομολόγησης. Το πρόβλημα με αυτήν την προσέγγιση είναι ότι τα εμπειρικά δεδομένα είναι μια γενική αρχή και τις περισσότερες φορές είναι σωστά, αλλά μερικές φορές δεν λειτουργούν ή οδηγούν σε λάθος αποτελέσματα.

Ας χρησιμοποιήσουμε το παράδειγμα προσδιορισμού της σύνθετης αντίστασης παραπάνω για να δούμε το σφάλμα που μπορεί να προκαλέσει αυτή η μέθοδος. Οι παράγοντες που σχετίζονται με τη σύνθετη αντίσταση περιλαμβάνουν τις διηλεκτρικές ιδιότητες του υλικού της σανίδας, το ύψος του φύλλου χαλκού, την απόσταση μεταξύ των στρωμάτων και του στρώματος γείωσης/ισχύος και το πλάτος της γραμμής. Δεδομένου ότι οι τρεις πρώτες παράμετροι καθορίζονται γενικά από τη διαδικασία παραγωγής, οι σχεδιαστές συνήθως χρησιμοποιούν το πλάτος γραμμής για τον έλεγχο της σύνθετης αντίστασης. Δεδομένου ότι η απόσταση από κάθε επίπεδο γραμμής στο επίπεδο γείωσης ή ισχύος είναι διαφορετική, είναι σαφώς λάθος η χρήση των ίδιων εμπειρικών δεδομένων για κάθε επίπεδο. Αυτό προστίθεται από το γεγονός ότι η διαδικασία κατασκευής ή τα χαρακτηριστικά της πλακέτας κυκλώματος που χρησιμοποιούνται κατά την ανάπτυξη μπορούν να αλλάξουν ανά πάσα στιγμή.

Τις περισσότερες φορές αυτά τα προβλήματα θα εκτεθούν στο στάδιο παραγωγής του πρωτότυπου, το γενικό είναι να μάθετε το πρόβλημα μέσω της επισκευής της πλακέτας κυκλώματος ή του επανασχεδιασμού για την επίλυση του σχεδιασμού της πλακέτας. Το κόστος για αυτό είναι υψηλό και οι διορθώσεις συχνά δημιουργούν πρόσθετα προβλήματα που απαιτούν περαιτέρω εντοπισμό σφαλμάτων και η απώλεια εσόδων λόγω καθυστερημένου χρόνου στην αγορά υπερβαίνει κατά πολύ το κόστος εντοπισμού σφαλμάτων.Σχεδόν κάθε κατασκευαστής ηλεκτρονικών συσκευών αντιμετωπίζει αυτό το πρόβλημα, το οποίο τελικά οφείλεται στην αδυναμία του παραδοσιακού λογισμικού σχεδιασμού PCB να συμβαδίσει με την πραγματικότητα των τρεχουσών απαιτήσεων ηλεκτρικής απόδοσης. Δεν είναι τόσο απλό όσο τα εμπειρικά δεδομένα σχετικά με τον μηχανικό σχεδιασμό.

Τι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον περιορισμό του σχεδιασμού PCB;

Λύση: Παραμετροποιήστε τους περιορισμούς

Προς το παρόν, οι κατασκευαστές λογισμικού σχεδίασης προσπαθούν να λύσουν αυτό το πρόβλημα προσθέτοντας παραμέτρους στους περιορισμούς. Η πιο προηγμένη πτυχή αυτής της προσέγγισης είναι η δυνατότητα καθορισμού μηχανικών προδιαγραφών που αντικατοπτρίζουν πλήρως διάφορα εσωτερικά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά. Μόλις ενσωματωθούν στο σχεδιασμό PCB, το λογισμικό σχεδιασμού μπορεί να χρησιμοποιήσει αυτές τις πληροφορίες για τον έλεγχο της αυτόματης διάταξης και του εργαλείου δρομολόγησης.

Όταν αλλάξει η μετέπειτα παραγωγική διαδικασία, δεν χρειάζεται επανασχεδιασμός. Οι σχεδιαστές απλώς ενημερώνουν τις χαρακτηριστικές παραμέτρους της διαδικασίας και οι σχετικοί περιορισμοί μπορούν να αλλάξουν αυτόματα. Ο σχεδιαστής μπορεί στη συνέχεια να εκτελέσει το DRC (Έλεγχος κανόνων σχεδίασης) για να διαπιστώσει εάν η νέα διαδικασία παραβιάζει άλλους κανόνες σχεδιασμού και να μάθει ποιες πτυχές του σχεδίου πρέπει να αλλάξουν για να διορθωθούν όλα τα σφάλματα.

Οι περιορισμοί μπορούν να εισαχθούν με τη μορφή μαθηματικών εκφράσεων, συμπεριλαμβανομένων σταθερών, διαφόρων τελεστών, διανυσμάτων και άλλων περιορισμών σχεδιασμού, παρέχοντας στους σχεδιαστές ένα παραμετροποιημένο σύστημα βασισμένο σε κανόνες. Οι περιορισμοί μπορούν ακόμη και να εισαχθούν ως πίνακες αναζήτησης, αποθηκευμένοι σε αρχείο σχεδιασμού σε PCB ή σχηματικό. Η καλωδίωση PCB, η θέση της επιφάνειας του φύλλου από χαλκό και τα εργαλεία διάταξης ακολουθούν τους περιορισμούς που δημιουργούνται από αυτές τις συνθήκες και η DRC επαληθεύει ότι ολόκληρος ο σχεδιασμός συμμορφώνεται με αυτούς τους περιορισμούς, συμπεριλαμβανομένων των απαιτήσεων πλάτους γραμμής, διαστήματος και χώρου, όπως περιορισμοί περιοχής και ύψους.

Ιεραρχική διαχείριση

Ένα από τα κύρια οφέλη των παραμετροποιημένων περιορισμών είναι ότι μπορούν να βαθμολογηθούν. Για παράδειγμα, ο γενικός κανόνας πλάτους γραμμής μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως περιορισμός σχεδιασμού σε ολόκληρο το σχέδιο. Φυσικά, ορισμένες περιοχές ή κόμβοι δεν μπορούν να αντιγράψουν αυτήν την αρχή, οπότε ο περιορισμός υψηλότερου επιπέδου μπορεί να παρακαμφθεί και ο περιορισμός χαμηλότερου επιπέδου στον ιεραρχικό σχεδιασμό να υιοθετηθεί. Το Parametric Constraint Solver, A Editint Editor από την ACCEL Technologies, έχει συνολικά 7 επίπεδα:

1. Σχεδιασμός περιορισμών για όλα τα αντικείμενα που δεν έχουν άλλους περιορισμούς.

2. Περιορισμοί ιεραρχίας, που εφαρμόζονται σε αντικείμενα σε ορισμένο επίπεδο.

3. Ο περιορισμός τύπου κόμβου ισχύει για όλους τους κόμβους ενός συγκεκριμένου τύπου.

4. Περιορισμός κόμβου: ισχύει για έναν κόμβο.

5. Περιορισμός μεταξύ κλάσεων: δηλώνει τον περιορισμό μεταξύ κόμβων δύο κλάσεων.

6. Χωρικός περιορισμός, που εφαρμόζεται σε όλες τις συσκευές ενός χώρου.

7. Περιορισμοί συσκευής, που εφαρμόζονται σε μία μόνο συσκευή.

Το λογισμικό ακολουθεί διάφορους περιορισμούς σχεδιασμού από μεμονωμένες συσκευές έως ολόκληρους κανόνες σχεδιασμού και δείχνει τη σειρά εφαρμογής αυτών των κανόνων στο σχεδιασμό μέσω γραφικών.

Παράδειγμα 1: Πλάτος γραμμής = F (σύνθετη αντίσταση, απόσταση μεταξύ στρώσεων, διηλεκτρική σταθερά, ύψος φύλλου χαλκού). Ακολουθεί ένα παράδειγμα του τρόπου με τον οποίο οι παραμετροποιημένοι περιορισμοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως κανόνες σχεδιασμού για τον έλεγχο της σύνθετης αντίστασης. Όπως προαναφέρθηκε, η σύνθετη αντίσταση είναι συνάρτηση της διηλεκτρικής σταθεράς, της απόστασης στο πλησιέστερο στρώμα γραμμής, του πλάτους και του ύψους του σύρματος χαλκού. Δεδομένου ότι η σύνθετη αντίσταση που απαιτείται από το σχεδιασμό έχει προσδιοριστεί, αυτές οι τέσσερις παράμετροι μπορούν να ληφθούν αυθαίρετα ως σχετικές μεταβλητές για να ξαναγράψουν τον τύπο σύνθετης αντίστασης. Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι σχεδιαστές μπορούν να ελέγχουν μόνο το πλάτος της γραμμής.

Εξαιτίας αυτού, οι περιορισμοί στο πλάτος γραμμής είναι συναρτήσεις σύνθετης αντίστασης, διηλεκτρικής σταθεράς, απόστασης στο πλησιέστερο στρώμα γραμμής και ύψους του φύλλου χαλκού. Εάν ο τύπος ορίζεται ως ιεραρχικός περιορισμός και οι παράμετροι της διαδικασίας κατασκευής ως περιορισμός σε επίπεδο σχεδιασμού, το λογισμικό θα προσαρμόσει αυτόματα το πλάτος γραμμής για να αντισταθμίσει όταν αλλάξει το σχεδιασμένο επίπεδο γραμμής. Ομοίως, εάν η σχεδιασμένη πλακέτα κυκλώματος παράγεται με διαφορετική διαδικασία και αλλάξει το ύψος του φύλλου χαλκού, οι σχετικοί κανόνες στο επίπεδο σχεδιασμού μπορούν να υπολογίζονται εκ νέου αυτόματα αλλάζοντας τις παραμέτρους ύψους του φύλλου χαλκού.

Παράδειγμα 2: Διάστημα συσκευής = Μέγιστο (προεπιλεγμένο διάστημα, F (ύψος συσκευής, γωνία ανίχνευσης).Το προφανές όφελος από τη χρήση τόσο των περιορισμών παραμέτρων όσο και του ελέγχου κανόνων σχεδιασμού είναι ότι η παραμετροποιημένη προσέγγιση είναι φορητή και παρακολουθείται όταν συμβαίνουν αλλαγές σχεδιασμού. Αυτό το παράδειγμα δείχνει πώς μπορεί να προσδιοριστεί η απόσταση των συσκευών από τα χαρακτηριστικά της διαδικασίας και τις απαιτήσεις δοκιμής. Ο παραπάνω τύπος δείχνει ότι η απόσταση των συσκευών είναι συνάρτηση του ύψους της συσκευής και της γωνίας ανίχνευσης.

Η γωνία ανίχνευσης είναι συνήθως μια σταθερά για ολόκληρο τον πίνακα, επομένως μπορεί να οριστεί σε επίπεδο σχεδιασμού. Κατά τον έλεγχο σε διαφορετικό μηχάνημα, ολόκληρος ο σχεδιασμός μπορεί να ενημερωθεί απλά εισάγοντας νέες τιμές σε επίπεδο σχεδίασης. Αφού εισαχθούν οι νέες παράμετροι απόδοσης του μηχανήματος, ο σχεδιαστής μπορεί να γνωρίζει εάν ο σχεδιασμός είναι εφικτός εκτελώντας απλώς το DRC για να ελέγξει εάν η απόσταση των συσκευών έρχεται σε σύγκρουση με τη νέα τιμή απόστασης, κάτι που είναι πολύ πιο εύκολο από την ανάλυση, τη διόρθωση και στη συνέχεια τους σκληρούς υπολογισμούς σύμφωνα με στις νέες απαιτήσεις αποστάσεων.

Τι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον περιορισμό του σχεδιασμού PCB;

Παράδειγμα 3: Διάταξη εξαρτημάτων,Εκτός από την οργάνωση αντικειμένων και περιορισμών σχεδιασμού, οι κανόνες σχεδίασης μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τη διάταξη εξαρτημάτων, δηλαδή μπορούν να ανιχνεύσουν πού να τοποθετήσουν συσκευές χωρίς να προκαλούν σφάλματα βάσει περιορισμών. Επισημαίνεται στο σχήμα 1 είναι να πληροί φυσικούς περιορισμούς (όπως το διάστημα και το άκρο της πλάκας και της συσκευής) την περιοχή της συσκευής, το σχήμα 2 επισημαίνει ότι πληροί τις περιοχές τοποθέτησης των ηλεκτρικών περιορισμένων συσκευών, όπως το μέγιστο μήκος γραμμής, το σχήμα 3 δείχνει μόνο η περιοχή του περιορισμού του χώρου, τέλος, το σχήμα 4 είναι η τομή των τριών πρώτων τμημάτων της εικόνας, αυτή είναι η αποτελεσματική διάταξη περιοχής, Οι συσκευές που τοποθετούνται σε αυτήν την περιοχή μπορούν να ικανοποιήσουν όλους τους περιορισμούς.

Τι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον περιορισμό του σχεδιασμού PCB;

Στην πραγματικότητα, η δημιουργία περιορισμών με σπονδυλωτό τρόπο μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τη διατηρησιμότητα και την επαναχρησιμοποίησή τους. Νέες εκφράσεις μπορούν να δημιουργηθούν με αναφορά στις παραμέτρους περιορισμού διαφορετικών στρωμάτων στο προηγούμενο στάδιο, για παράδειγμα, το πλάτος γραμμής του ανώτερου στρώματος εξαρτάται από την απόσταση του ανώτερου στρώματος και το ύψος του σύρματος χαλκού και τις μεταβλητές Temp και Diel_Const στο επίπεδο σχεδίασης. Σημειώστε ότι οι κανόνες σχεδιασμού εμφανίζονται με φθίνουσα σειρά και η αλλαγή ενός περιορισμού υψηλότερου επιπέδου επηρεάζει αμέσως όλες τις εκφράσεις που αναφέρονται σε αυτόν τον περιορισμό.

Τι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον περιορισμό του σχεδιασμού PCB;

Σχεδιασμός επαναχρησιμοποίησης και τεκμηρίωσης

Οι παραμετρικοί περιορισμοί, όχι μόνο μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την αρχική διαδικασία σχεδιασμού και η επαναχρησιμοποίηση της μηχανικής αλλαγής και σχεδιασμού πιο χρήσιμη, ο περιορισμός μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μέρος του σχεδιασμού, του συστήματος και των εγγράφων, αν όχι μόνο στο μυαλό του μηχανικού ή του σχεδιαστή, έτσι ώστε όταν στροφή σε άλλα έργα μπορεί αργά να ξεχαστεί. Τα έγγραφα περιορισμού τεκμηριώνουν τους κανόνες ηλεκτρικής απόδοσης που πρέπει να τηρούνται κατά τη διαδικασία σχεδιασμού και παρέχουν την ευκαιρία σε άλλους να κατανοήσουν τις προθέσεις του σχεδιαστή, έτσι ώστε αυτοί οι κανόνες να μπορούν εύκολα να εφαρμοστούν σε νέες διαδικασίες κατασκευής ή να αλλάξουν σύμφωνα με τις απαιτήσεις ηλεκτρικής απόδοσης. Οι μελλοντικοί πολυπλέκτες μπορούν επίσης να γνωρίζουν τους ακριβείς κανόνες σχεδίασης και να κάνουν αλλαγές εισάγοντας νέες απαιτήσεις διαδικασίας χωρίς να χρειάζεται να μαντέψουν πώς αποκτήθηκαν τα πλάτη γραμμών.

Συμπέρασμα αυτού του άρθρου

Ο επεξεργαστής περιορισμών παραμέτρων διευκολύνει τη διάταξη και τη δρομολόγηση PCB υπό πολυδιάστατους περιορισμούς και για πρώτη φορά επιτρέπει τον πλήρη έλεγχο του λογισμικού αυτόματης δρομολόγησης και των κανόνων σχεδιασμού έναντι πολύπλοκων ηλεκτρικών απαιτήσεων και διαδικασιών, αντί να βασίζεται απλώς στην εμπειρία ή τους απλούς κανόνες σχεδιασμού ελάχιστης χρήσης. Το αποτέλεσμα είναι ένας σχεδιασμός που μπορεί να επιτύχει μια εφάπαξ επιτυχία, μειώνοντας ή ακόμη και εξαλείφοντας το πρωτότυπο σφάλμα.