A crescente complexidade de PCB design considerations, such as clock, cross talk, impedance, detection, and manufacturing processes, often forces designers to repeat a lot of layout, verification, and maintenance work. O editor de restrição de parâmetro codifica esses parâmetros em fórmulas para ajudar os designers a lidar melhor com esses parâmetros às vezes contraditórios durante o design e a produção.

Nos últimos anos, o layout do PCB e os requisitos de roteamento se tornaram mais complexos, e o número de transistores em circuitos integrados aumentou conforme previsto pela Lei de Moore, tornando os dispositivos mais rápidos e cada pulso mais curto ao longo do tempo de subida, além de aumentar o número de pinos – frequentemente 500 a 2,000. Tudo isso cria problemas de densidade, clock e crosstalk ao projetar uma PCB.

Alguns anos atrás, a maioria dos PCBS tinha apenas um punhado de nós “críticos” (Nets), normalmente definidos como restrições de impedância, comprimento e espaço livre. Os projetistas de PCB roteariam manualmente essas rotas e, em seguida, usariam o software para automatizar o roteamento em grande escala de todo o circuito. Os PCBS de hoje geralmente têm 5,000 ou mais nós, mais de 50% dos quais são críticos. Devido ao tempo de pressão do mercado, a fiação manual não é possível neste momento. Além disso, não apenas o número de nós críticos aumentou, mas as restrições em cada nó também aumentaram.

Essas restrições são principalmente devido aos parâmetros de correlação e requisitos de design cada vez mais complexos, por exemplo, os dois intervalos lineares podem depender de uma tensão de nó e e os materiais da placa de circuito são funções relacionadas, diminuições de tempo de aumento de IC digital de alta velocidade e baixa a velocidade do relógio pode influenciar o projeto, devido ao pulso mais rápido e para estabelecer e manter um tempo mais curto, Além disso, como uma parte importante do atraso total do projeto de circuito de alta velocidade, o atraso de interconexão também é muito importante para o projeto de baixa velocidade.

Alguns desses problemas seriam mais fáceis de resolver se as placas fossem maiores, mas a tendência é na direção oposta. Devido aos requisitos de retardo de interconexão e pacote de alta densidade, a placa de circuito está se tornando cada vez menor, então o design de circuito de alta densidade aparece e as regras de design de miniaturização devem ser seguidas. Tempos de subida reduzidos combinados com essas regras de design miniaturizadas tornam o ruído de diafonia um problema cada vez mais proeminente, e as matrizes de grade de bolas e outros pacotes de alta densidade exacerbam a diafonia, o ruído de comutação e o salto de solo.

Restrições corrigidas que existem

A abordagem tradicional para esses problemas é traduzir os requisitos elétricos e de processo em parâmetros de restrição fixos por experiência, valores padrão, tabelas numéricas ou métodos de cálculo. Por exemplo, um engenheiro que projeta um circuito pode primeiro determinar uma impedância nominal e, em seguida, “estimar” uma largura de linha nominal para atingir a impedância desejada com base nos requisitos do processo final, ou usar uma tabela de cálculo ou programa aritmético para testar a interferência e, em seguida, trabalhar as restrições de comprimento.

Esta abordagem normalmente requer um conjunto de dados empíricos a ser projetado como uma diretriz básica para designers de PCB para que eles possam aproveitar esses dados ao projetar com layout automático e ferramentas de roteamento. O problema com essa abordagem é que os dados empíricos são um princípio geral e, na maioria das vezes, estão corretos, mas às vezes não funcionam ou levam a resultados errados.

Vamos usar o exemplo de determinação da impedância acima para ver o erro que esse método pode causar. Fatores relacionados à impedância incluem as propriedades dielétricas do material da placa, a altura da folha de cobre, a distância entre as camadas e a camada de solo / energia e a largura da linha. Uma vez que os três primeiros parâmetros são geralmente determinados pelo processo de produção, os designers geralmente usam a largura da linha para controlar a impedância. Como a distância de cada camada de linha ao solo ou camada de energia é diferente, é claramente um erro usar os mesmos dados empíricos para cada camada. Isso é agravado pelo fato de que o processo de fabricação ou as características da placa de circuito usadas durante o desenvolvimento podem mudar a qualquer momento.

Na maioria das vezes esses problemas serão expostos na fase de produção do protótipo, o geral é descobrir o problema através do reparo ou redesenho da placa de circuito para resolver o design da placa. O custo de fazer isso é alto e as correções geralmente criam problemas adicionais que exigem mais depuração, e a perda de receita devido ao atraso no lançamento no mercado excede em muito o custo da depuração.Quase todos os fabricantes de eletrônicos enfrentam esse problema, que em última análise se resume à incapacidade do software de design de PCB tradicional de acompanhar as realidades dos requisitos de desempenho elétrico atuais. Não é tão simples quanto dados empíricos sobre projetos mecânicos.

O que pode ser usado para restringir o design do PCB?

Solução: Parametrizar restrições

Atualmente, os fornecedores de software de design tentam resolver esse problema adicionando parâmetros às restrições. O aspecto mais avançado dessa abordagem é a capacidade de especificar especificações mecânicas que refletem totalmente várias características elétricas internas. Uma vez que eles são incorporados ao design da PCB, o software de design pode usar essas informações para controlar o layout automático e a ferramenta de roteamento.

Quando o processo de produção subsequente muda, não há necessidade de redesenhar. Os projetistas simplesmente atualizam os parâmetros de características do processo e as restrições relevantes podem ser alteradas automaticamente. O designer pode então executar o DRC (Design Rule Check) para determinar se o novo processo viola qualquer outra regra de design e descobrir quais aspectos do design devem ser alterados para corrigir todos os erros.

As restrições podem ser inseridas na forma de expressões matemáticas, incluindo constantes, vários operadores, vetores e outras restrições de projeto, fornecendo aos projetistas um sistema parametrizado baseado em regras. As restrições podem até mesmo ser inseridas como tabelas de consulta, armazenadas em um arquivo de projeto em um PCB ou esquemático. A fiação do PCB, a localização da área da folha de cobre e as ferramentas de layout seguem as restrições geradas por essas condições, e o DRC verifica se todo o projeto está em conformidade com essas restrições, incluindo largura de linha, espaçamento e requisitos de espaço, como restrições de área e altura.

Gestão hierárquica

Um dos principais benefícios das restrições parametrizadas é que podem ser classificadas. Por exemplo, a regra de largura de linha global pode ser usada como uma restrição de projeto em todo o projeto. Obviamente, algumas regiões ou nós não podem copiar esse princípio, portanto, a restrição de nível superior pode ser contornada e a restrição de nível inferior no design hierárquico pode ser adotada. Parametric Constraint Solver, um editor de restrições da ACCEL Technologies, recebe um total de 7 níveis:

1. Restrições de design para todos os objetos que não possuem outras restrições.

2. Restrições de hierarquia, aplicadas a objetos em um determinado nível.

3. A restrição de tipo de nó se aplica a todos os nós de um determinado tipo.

4. Restrição de nó: aplica-se a um nó.

5. Restrição entre classes: indica a restrição entre nós de duas classes.

6. Restrição espacial, aplicada a todos os dispositivos em um espaço.

7. Restrições de dispositivo, aplicadas a um único dispositivo.

O software segue várias restrições de design de dispositivos individuais a todas as regras de design e mostra a ordem de aplicação dessas regras no design por meio de gráficos.

Exemplo 1: Largura da linha = F (impedância, espaçamento da camada, constante dielétrica, altura da folha de cobre). Aqui está um exemplo de como as restrições parametrizadas podem ser usadas como regras de projeto para controlar a impedância. Como mencionado acima, a impedância é uma função da constante dielétrica, distância até a camada de linha mais próxima, largura e altura do fio de cobre. Uma vez que a impedância exigida pelo projeto foi determinada, esses quatro parâmetros podem ser arbitrariamente considerados como variáveis ​​relevantes para reescrever a fórmula da impedância. Na maioria dos casos, os designers podem controlar apenas a largura da linha.

Por causa disso, as restrições na largura da linha são funções de impedância, constante dielétrica, distância até a camada de linha mais próxima e altura da folha de cobre. Se a fórmula for definida como uma restrição hierárquica e os parâmetros do processo de manufatura como uma restrição no nível do projeto, o software ajustará automaticamente a largura da linha para compensar quando a camada da linha projetada muda. Da mesma forma, se a placa de circuito projetada for produzida em um processo diferente e a altura da folha de cobre for alterada, as regras relevantes no nível de design podem ser recalculadas automaticamente alterando os parâmetros de altura da folha de cobre.

Exemplo 2: Intervalo do dispositivo = Máx (intervalo padrão, F (altura do dispositivo, ângulo de detecção).O benefício óbvio de usar restrições de parâmetro e verificação de regra de design é que a abordagem parametrizada é portátil e monitorada quando ocorrem alterações de design. This example shows how device spacing can be determined by process characteristics and test requirements. The formula above shows that device spacing is a function of device height and detection Angle.

O ângulo de detecção é geralmente uma constante para toda a placa, portanto, pode ser definido no nível do projeto. Ao verificar em uma máquina diferente, todo o projeto pode ser atualizado simplesmente inserindo novos valores no nível do projeto. Depois que os novos parâmetros de desempenho da máquina são inseridos, o projetista pode saber se o projeto é viável simplesmente executando o DRC para verificar se o espaçamento do dispositivo está em conflito com o novo valor de espaçamento, o que é muito mais fácil do que analisar, corrigir e, em seguida, fazer cálculos difíceis de acordo com aos novos requisitos de espaçamento.

O que pode ser usado para restringir o design do PCB?

Exemplo 3: layout do componente,Além de organizar objetos de design e restrições, regras de design também podem ser usadas para layout de componentes, ou seja, podem detectar onde colocar dispositivos sem causar erros com base em restrições. Destacado na figura 1 é para atender às restrições físicas (como intervalo e a borda do espaçamento da placa e dispositivo) área de colocação de dispositivos, a figura 2 destaques é para atender às áreas de colocação de dispositivos elétricos restritos, como comprimento máximo de linha, a figura 3 mostra apenas a área de restrição de espaço, finalmente, a figura 4 é a interseção das três primeiras partes da imagem, este é o layout da área efetiva, Dispositivos colocados nesta região podem satisfazer todas as restrições.

O que pode ser usado para restringir o design do PCB？

Na verdade, gerar restrições de maneira modular pode melhorar muito sua capacidade de manutenção e reutilização. Novas expressões podem ser geradas referindo-se aos parâmetros de restrição de diferentes camadas no estágio anterior, por exemplo, a largura da linha da camada superior depende da distância da camada superior e da altura do fio de cobre, e das variáveis ​​Temp e Diel_Const no nível de design. Observe que as regras de design são exibidas em ordem decrescente e a alteração de uma restrição de nível superior afeta imediatamente todas as expressões que se referem a essa restrição.

O que pode ser usado para restringir o design do PCB？

Reutilização de design e documentação

Restrições paramétricas, não só podem melhorar significativamente o processo de design inicial e reutilização de mudança de engenharia e design mais útil, a restrição pode ser usada como parte do design, sistema e documentos, se não apenas na mente do engenheiro ou designer, então quando eles voltar para outros projetos pode ser lentamente esquecido. Os documentos de restrição documentam as regras de desempenho elétrico a serem seguidas durante o processo de projeto e fornecem uma oportunidade para que outros entendam as intenções do projetista para que essas regras possam ser facilmente aplicadas a novos processos de fabricação ou alteradas de acordo com os requisitos de desempenho elétrico. Os multiplexadores futuros também podem conhecer as regras exatas de design e fazer alterações inserindo novos requisitos de processo sem ter que adivinhar como as larguras de linha foram obtidas.

Conclusão deste artigo

O editor de restrição de parâmetro facilita o layout de PCB e o roteamento sob restrições multidimensionais e, pela primeira vez, permite que o software de roteamento automático e as regras de projeto sejam totalmente verificadas em relação a requisitos elétricos e de processo complexos, ao invés de apenas confiar na experiência ou regras de projeto simples que são de pouco uso. O resultado é um design que pode alcançar um sucesso único, reduzindo ou até mesmo eliminando a depuração do protótipo.