Zasady projektowania PCB – prowadzenie ścieżek

Altium Designer

|  Created: August 3, 2018  |  Updated: December 27, 2020

_{Prowadzenie ścieżek w projekcie PCB}

Dorastałem w zamierzchłej epoce, gdy nie było jeszcze PlayStation. Wtedy królowały ogólne konsole oraz ich markowe odpowiedniki, jak Super Nintendo czy Sega. Po raz pierwszy odkryłem swoje zacięcie podczas gry w Super Mario, w której zabawnie wyglądający ludzik zaczyna strzelać kulami ognia, gdy uzyska energię z grzybów. Nie potrafię zliczyć, ile razy powtarzałem całą grę, mimo że ostatecznie i tak ponosiłem porażkę na ostatnim poziomie. Ponieważ w tamtych czasach nie były dostępne opcje „zapisz” i „kontynuuj”, spędziłem niezliczone godziny, próbując wycisnąć więcej z nikczemnego krokodyla.

Na szczęście wykazałem nieco więcej rozsądku, radząc sobie z problemami prowadzenia ścieżek w projekcie PCB wynikającymi z ograniczeń dotyczących rozmiarów. Zaczynając karierę jako inżynier sprzętowy, niektórzy zakładają, że projektowanie PCB to zabawny proces rozmieszczania podzespołów i prowadzenia połączeń. To błędne wyobrażenie szybko zostaje rozwiane, gdy przez kilka dni trzeba się zmagać ze ścieżkami na płytce, która zdawała się być prostym projektem. Jeśli znajdziemy się w sytuacji, gdy wpatrujemy się w płytkę, na której po prostu nie da się poprowadzić ścieżek, warto skorzystać z tych wskazówek, aby ruszyć z miejsca:

1. Zastosuj mniejsze podzespoły
2. Obróć podzespoły
3. Zmień położenie podzespołów
4. Zastosuj mniejsze ścieżki, przelotki i odstępy
5. Zastosuj wielowarstwową płytkę PCB

Dlaczego nie można poprowadzić ścieżek na płytce PCB?

Każdy pracujący w branży wystarczająco długo wie, że z wielu przyczyn poprowadzenie ścieżek w projektach PCB może być trudne lub niemożliwe. Nawet początkujący projektant PCB w końcu stanie w obliczu skomplikowanej sytuacji, gdy rozmieszczenie elementów i poprowadzenie ścieżek na płytce będzie dość trudne.

Niemożność poprowadzenia ścieżek na płytce ma rozmaite przyczyny, a wiele z nich wiąże się z wyborem układu elementów dokonywanym zaraz po sporządzeniu schematu. Błędna strategia planowania rozmieszczenia, nieprawidłowo dobrane podzespoły, niewystarczająca liczba warstw lub niewłaściwy stos warstw, a także złe rozmiary ścieżek powodują, że poprowadzenie ścieżek na płytce może być niemożliwe. W niektórych przypadkach być może chcemy zmieścić zbyt wiele na zbyt małej przestrzeni i jedynym wyjściem jest zwiększenie rozmiarów płytki. Jednak przed podjęciem decyzji o zwiększeniu rozmiarów płytki i odstępów między podzespołami warto zapoznać się z poniższymi wskazówkami i sprawdzić, czy prowadzenie ścieżek znowu stanie się łatwiejsze.

Zasady projektowania PCB dotyczące „niemożliwego” poprowadzenia ścieżek

1. Zastosuj mniejsze podzespoły

Jeśli nadal stosujesz podzespoły do montażu przewlekanego, musisz mieć ku temu dobre powody. Takie elementy zajmują więcej miejsca niż ich odpowiedniki do montażu powierzchniowego. Podzespoły do montażu powierzchniowego są dostępne w rozmaitych rozmiarach i wybór mniejszego elementu może zapewnić miejsce na poprowadzenie miedzianych ścieżek.

Czasami wybór podzespołów BGA zamiast QFP może zwiększyć ilość dostępnego miejsca na płytce na poprowadzenie ścieżek. Oczywiście zastosowanie mniejszych podzespołów utrudnia ręczne wykonywanie napraw, ponieważ potrzebny jest tu wyższy poziom precyzji i umiejętności technicznych.

_{Zasady projektowania PCB: wybierz mniejsze podzespoły, jeśli musisz.}
 

2. Obróć podzespoły

Można by się zastanawiać, czemu obrócenie podzespołu miałoby pomóc w przypadku braku możliwości poprowadzenia ścieżek w projekcie PCB? Przyjrzyjmy się płytce pokazanej poniżej. Dwa układy scalone są usytuowane naprzeciwko siebie, dzięki czemu można bardzo łatwo poprowadzić ścieżki bezpośrednio pomiędzy tymi układami na warstwie wierzchniej. Gdyby obrócić lewy układ scalony o 90 stopni, trzeba by poprowadzić ścieżki wokół zewnętrznej krawędzi układu, aby utworzyć wymagane połączenia. Jeśli na warstwie wierzchniej jest dość miejsca, to może nie stanowić problemu, chociaż trudniej może być rozmieścić struktury o dostrojonej długości. Jeśli warstwa wierzchnia jest zatłoczona, poprowadzenie ścieżek może się okazać niemożliwe.

Zwykłe obrócenie układu scalonego może zapewnić wyrównanie styków i znacznie ułatwić prowadzenie ścieżek w projekcie PCB.
(Alt text: Zwykłe obrócenie układu scalonego może zapewnić wyrównanie styków i znacznie ułatwić prowadzenie ścieżek w projekcie PCB.)

3. Zmień położenie podzespołów

To wykracza poza zwykłe obrócenie podzespołów. Tu chodzi o utworzenie prawidłowego planu rozmieszczenia elementów na płytce przed rozpoczęciem prowadzenia ścieżek. Poczucie prostoty może czasami pomóc porządnie zorganizować podzespoły i nie marnować cennej przestrzeni. Staraj się zwracać uwagę na następujące kwestie:

• Umieszczaj podzespoły w układzie kaskadowym blisko siebie i w kolejności. To pozwoli wyeliminować zbędne przeprojektowywanie ścieżek na płytce.
• W miarę możliwości konsoliduj podzespoły. Przykładowo zamiast używać wielu małych rezystorów połączonych równolegle lub szeregowo, zastosuj jeden rezystor zapewniający żądaną rezystancję.
• Grupuj podzespoły w bloki funkcjonalne i umieszczaj współpracujące bloki obok siebie. To pozwoli zmniejszyć odległości między grupami podzespołów, które muszą się ze sobą komunikować.
• Podzespoły, które trzeba podłączać do złącza krawędziowego, należy umieszczać jak najbliżej złącza. Pozostałe podzespoły w łańcuchu sygnałów powinny być rozmieszczone kaskadowo, jak opisano powyżej.

Prawdopodobnie wiesz już wystarczająco dużo na temat separowania podzespołów analogowych i cyfrowych od siebie w różnych sekcjach płytki wielowarstwowej. Wtedy przetworniki ADC muszą obejmować obie strony linii podziału między tymi dwiema grupami podzespołów, aby zapobiec zakłóceniom mieszanych sygnałów. W tego rodzaju układzie umieszczaj najbliżej podzespoły, które muszą być podłączone do przetworników ADC, a pozostałe podzespoły umieść w układzie kaskadowym z dala od tej części płytki.

_{Zasady projektowania PCB: obróć układ scalony z wieloma wyprowadzeniami)}

4. Zastosuj mniejsze ścieżki, przelotki i odstępy

Wielu projektów płytek drukowanych z poprzednich lat nie dało się wyprodukować, ale wiele starszych ograniczeń produkcyjnych udało się wyeliminować. Planując rozmieszczenie podzespołów, projektanci mogą decydować się na mniejsze rozmiary przelotek, ścieżek i odstępów aż po zastosowanie technologii HDI na bardzo zagęszczonych płytkach. Są pewne ograniczenia, które nie zawsze pozwalają na zastosowanie mniejszych ścieżek:

• Kontrolowana impedancja: Gdy ścieżki na płytce zachowują się jak linie transmisyjne, jak w przypadku sygnałów o dużych częstotliwościach i szybkościach zboczy, trzeba prowadzić ścieżki o kontrolowanej impedancji. To ogranicza możliwą szerokość ścieżek do określonych wartości.
• Pary różnicowe: Pary różnicowe wymagają zachowania określonych odstępów, aby zapewnić określoną wartość impedancji różnicowej.
• Projekty wysokoprądowe: Ścieżki, którymi płynie prąd o dużym natężeniu, muszą mieć określoną szerokość, aby ograniczyć wzrost temperatury.
• Projekty wysokonapięciowe: Na płytkach z układami wysokiego napięcia ścieżki i inne przewodniki muszą być dostatecznie daleko od siebie, aby nie dochodziło do wyładowań elektrostatycznych. Koniecznie sprawdź powierzchniowe i powietrzne odstępy izolacyjne między odkrytymi przewodnikami.

5. Zastosuj wielowarstwową płytkę PCB

Koszty to zdecydowanie istotny czynnik, gdy chodzi o biznesowy aspekt projektowania urządzeń elektronicznych. Większość nowych projektantów stawia na jedno- lub dwuwarstwowe projekty, jeśli nie ma bezpośredniej potrzeby zastosowania wielowarstwowej płytki PCB. Jednak umieszczenie połączeń zasilania i masy w środkowych warstwach płytki PCB zdziała cuda, zwalniając olbrzymie przestrzenie na warstwie zewnętrznej. Duże płaszczyzny zasilania i masy zapewniają również stabilne zasilanie podzespołów na płytce.

_{Zastosowanie wielowarstwowej płytki PCB zapewni więcej miejsca na poprowadzenie ścieżek w projekcie PCB.}

Nowoczesne projekty opierają na minimum 4-warstwowych płytkach PCB. Te płytki mają wewnętrzne płaszczyzny zasilania i masy, dzięki czemu warstwy wierzchnie zostają dostępne dla podzespołów. W miarę zwiększania się gęstości ścieżek i podzespołów trzeba stosować więcej warstw, aby pomieścić ścieżki wymagane do utworzenia połączeń. Te wewnętrzne warstwy mają krytyczne znaczenie dla umieszczania większej liczby podzespołów na płytce, ponieważ zwalniają przestrzeń na wierzchnich warstwach. Pracując z płytkami wielowarstwowymi, koniecznie postępuj zgodnie z najlepszymi praktykami w zakresie projektowania stosu PCB.

Czy warto spróbować automatycznego prowadzenia ścieżek w projekcie PCB?

Doświadczeni projektanci, których znam, zdecydowanie sprzeciwiają się automatycznemu prowadzeniu ścieżek w projekcie PCB z kilku powodów. Zazwyczaj pracują oni przy bardzo złożonych projektach obłożonych wieloma ograniczeniami projektowymi, a typowe autoroutery (narzędzia do automatycznego prowadzenia ścieżek) po prostu nie są w stanie uwzględnić tych ograniczeń. W innych wypadkach i tak trzeba modyfikować wyniki działania autorouterów, a projektant może lepiej poprowadzić ścieżki, nie naruszając reguł, bez takiego narzędzia.

Jeśli nadal zgłębiasz strategie prowadzenia ścieżek na płytkach PCB albo masz po prostu ochotę poeksperymentować, możesz dać kolejną szansę swojemu autorouterowi. Fundamentalne algorytmy w autorouterach były z upływem czasu systematycznie udoskonalane i są na tyle skuteczne, że mogą poprowadzić ścieżki równomiernie pomiędzy warstwami na płytce wielowarstwowej.

Drugą opcją jest auto-interaktywne prowadzenie ścieżek, które stanowi rodzaj kierowanego automatycznego prowadzenia ścieżek. W przypadku narzędzia tego typu projektant wprowadza wytyczne wysokiego poziomu, wybierając konkretne punkty na płytce, a narzędzie wypełnia luki, wytyczając ścieżki między poszczególnymi punktami. Pozwala to na jednoczesne prowadzenie większej liczby ścieżek przy zachowaniu ograniczeń obowiązujących dla projektu. Po potwierdzeniu, że istnieje fizyczna możliwość poprowadzenia ścieżek na płytce PCB, możemy rozpocząć ręczne tworzenie pewnych połączeń krytycznych, zanim pozwolimy zautomatyzowanej części narzędzia uzupełnić resztę.

_{Przy auto-interaktywnym prowadzeniu ścieżek w projekcie PCB wytycza się ścieżki pomiędzy różnymi punktami, a narzędzie wypełnia luki pomiędzy poszczególnymi punktami.}
 

Nadal nie możesz poradzić sobie z fizycznie niemożliwym projektem? Wypróbuj zestaw narzędzi do prowadzenia ścieżek w Altium Designer^®. Funkcje prowadzenia ścieżek w Altium Designer są idealne zarówno dla doświadczonych projektantów, jak i dla nowicjuszy. Uzyskasz dostęp do zautomatyzowanych i półzautomatyzowanych narzędzi do prowadzenia ścieżek, a także do funkcji dopasowywania długości dla układów o dużych szybkościach.

Teraz możesz pobrać bezpłatną wersję próbną i sprawdzić, czy Altium Designer zapewnia to, czego potrzebujesz. Porozmawiaj z ekspertem Altium, aby dowiedzieć się więcej.