Progettazione PCB - Come utilizzare i vincoli parametrici per la progettazione PCB?

Negli ultimi anni, i requisiti per il layout e il cablaggio del PCB sono diventati sempre più complessi. Il numero di transistor nei circuiti integrati sta ancora aumentando alla velocità prevista dalla Legge di Moore, che rende il dispositivo più veloce e il tempo di salita di ogni bordo dell'impulso è accorciato, e anche il numero di pin è in aumento. Sempre più spesso da 500 a 2000 pin. Tutto questo porterà problemi di densità, orologio e crosstalk durante la progettazione del PCB.

Al giorno d'oggi, i fattori considerati nella progettazione di PCB stanno diventando sempre più complessi, come orologio, crosstalk, impedenza, rilevamento, processo di produzione, ecc., che spesso fa sì che i progettisti di PCB ripetano molto lavoro come layout, verifica e manutenzione. L'editor di vincoli dei parametri può compilare questi parametri in formule, aiutando i progettisti di PCB a gestire meglio questi parametri che a volte si oppongono anche durante il processo di progettazione e produzione del PCB.

Alcuni anni fa, c'erano solo alcuni nodi "critici" (netti) sulla maggior parte dei PCB, il che di solito significava che erano soggetti a alcuni vincoli in termini di impedenza, lunghezza e gap. I progettisti di PCB generalmente prima instradano manualmente queste tracce, e poi usano il software per realizzare il cablaggio automatico su larga scala dell'intero circuito. Oggi i PCB hanno spesso 5.000 o più nodi, e più del 50% di essi sono nodi critici. A causa della pressione time-to-market, il cablaggio manuale non è più possibile in questo momento. Inoltre, non solo il numero di nodi critici è aumentato, ma sono aumentati anche i vincoli di ogni nodo.

Questi vincoli sono principalmente causati dalla correlazione dei parametri e dalla crescente complessità dei requisiti di progettazione PCB. Ad esempio, la distanza tra due tracce può dipendere da una funzione relativa alla tensione del nodo e al materiale del circuito stampato e il tempo di aumento del IC digitale è ridotto. Sia l'alta velocità dell'orologio che la progettazione del PCB a bassa velocità dell'orologio avranno un impatto. Grazie alla generazione di impulsi più rapida, il tempo di installazione e di attesa saranno più brevi. Inoltre, il ritardo di interconnessione come parte importante del ritardo totale della progettazione PCB a circuito ad alta velocità è importante anche per la progettazione PCB a bassa velocità. E' anche molto importante e così via.

Se il circuito stampato può essere progettato più grande, alcuni dei problemi di cui sopra saranno più facili da risolvere, ma l'attuale tendenza di sviluppo è proprio l'opposto. A causa dei requisiti per il ritardo di interconnessione e l'imballaggio ad alta densità, i circuiti stampati stanno diventando più piccoli, con conseguente progettazione di circuiti stampati ad alta densità. Allo stesso tempo, devono essere seguite le regole di progettazione del PCB miniaturizzato. Il tempo di salita ridotto e queste regole miniaturizzate di progettazione PCB rendono il rumore crosstalk sempre più evidente. Gli array di griglia a sfera e altri pacchetti ad alta densità aggravano anche il crosstalk, il rumore di commutazione e il rimbalzo del terreno.

i limiti dei vincoli fissi

Il modo tradizionale per affrontare questi problemi consiste nel trasformare i requisiti elettrici e tecnologici in parametri di vincolo fissi basati sull'esperienza, sui valori predefiniti, sulle tabelle numeriche o sui metodi di calcolo. Ad esempio, un ingegnere può prima determinare un'impedenza nominale quando progetta un circuito su un PCB, quindi "stimare" una larghezza nominale della linea che può raggiungere l'impedenza richiesta in base ai requisiti finali del processo, oppure utilizzare una tabella di calcolo o un programma aritmetico per testare l'interferenza e quindi trovare le restrizioni di lunghezza.

Questo metodo di solito richiede la progettazione PCB per sviluppare una serie di dati di esperienza come linea guida di base per i progettisti di PCB, in modo che questi dati possano essere utilizzati nella progettazione PCB con strumenti di posizionamento e routing automatici. Il problema con questo metodo è che i dati empirici sono solo un principio generale. Nella maggior parte dei casi, sono corretti, ma a volte non funzionano o portano a risultati sbagliati.

Soluzione: vincoli parametrizzati

Attualmente, i fornitori di software di progettazione PCB cercano di risolvere questo problema aggiungendo parametri ai vincoli. La parte più avanzata di questo metodo è che può specificare gli indicatori meccanici che riflettono pienamente le varie caratteristiche elettriche interne. Finché vengono aggiunti alla progettazione PCB, il software di progettazione PCB può utilizzare queste informazioni per controllare gli strumenti automatici di posizionamento e routing.

I vincoli possono essere inseriti sotto forma di espressioni matematiche, tra cui costanti, vari operatori, vettori e altri vincoli di progettazione PCB, fornendo ai progettisti PCB un sistema parametrico basato su regole. I vincoli possono anche essere inseriti sotto forma di tabelle di ricerca e memorizzati in file di progettazione PCB o schemi PCB. Il cablaggio PCB, la posizione dell'area della lamina di rame e gli strumenti di layout devono rispettare le regole di vincolo generate da queste condizioni. RDC verifica se l'intero progetto PCB soddisfa questi vincoli, inclusi i requisiti di larghezza della linea, spaziatura e spazio (come restrizioni di area e altezza), ecc.

Un esempio molto semplice è il vincolo di tempo di salita, che generalmente è impostato a una costante di 1,5ns. In base a questa condizione, il vincolo di lunghezza massima della traccia può essere ottenuto, cioè 5.800mil/ns moltiplicato per il tempo di salita 1,5ns. Un esempio più complicato è la spaziatura dei componenti, che viene determinata moltiplicando il valore tangente dell'angolo di rilevamento per l'altezza del dispositivo. Questa formula può calcolare il valore minimo di spaziatura dei componenti.

gestione gerarchica

Uno dei principali vantaggi dei vincoli parametrizzati è che può essere elaborato gerarchicamente. Ad esempio, la regola della larghezza della linea globale può essere utilizzata come vincolo di progettazione PCB per l'intero progetto PCB. Naturalmente, ci sono alcune aree o nodi che non possono copiare questo principio. In questo caso, i vincoli di livello superiore possono essere aggirati e i vincoli di livello inferiore nella progettazione gerarchica PCB possono essere utilizzati. Prendiamo come esempio l'editor di vincoli di ACCEL Technologies Parametric Constraint Solver, ci sono 7 livelli di vincoli:

1. vincoli di progettazione PCB, utilizzati per tutti gli oggetti senza altri vincoli.

2. Vincoli di livello, utilizzati per oggetti su un certo livello.

3. Vincoli di tipo Node, utilizzati per tutti i nodi contenuti in un certo tipo.

4. vincolo nodale, utilizzato per un determinato nodo.

5. Vincoli interclasse, che significa vincoli tra due tipi di nodi.

6. Limitazioni di spazio, utilizzate per tutti i dispositivi in un certo spazio.

7. Vincoli del dispositivo, utilizzati per un determinato dispositivo.

Il software segue i vari vincoli di progettazione PCB nell'ordine dai singoli dispositivi alle regole di progettazione PCB intere e mostra graficamente l'ordine di applicazione di queste regole nella progettazione PCB.

Riutilizzo e documentazione della progettazione PCB

I vincoli parametrici possono non solo migliorare significativamente il processo iniziale di progettazione PCB, ma sono anche più utili per le modifiche ingegneristiche e il riutilizzo della progettazione PCB. I vincoli possono essere utilizzati come parte della progettazione, del sistema e della documentazione PCB. In caso contrario, saranno memorizzati solo nell'ingegnere o nella progettazione PCB. Nelle menti delle persone, possono lentamente dimenticare quando passano ad altri progetti. I documenti di vincolo registrano le regole di prestazione elettrica che dovrebbero essere seguite nel processo di progettazione del PCB, in modo che altri abbiano l'opportunità di comprendere l'intenzione del progettista del PCB, in modo che queste regole possano essere facilmente applicate a nuovi processi di produzione o modificate in base ai requisiti di prestazione elettrica. I futuri riutilizzatori possono anche conoscere le regole accurate di progettazione PCB e apportare modifiche inserendo nuovi requisiti di processo, senza dover indovinare problemi come come viene ottenuta la larghezza della linea.