Anpassen von leistungsorientierten elektrischen Designregeln in Altium Designer

Die Bestimmung der korrekten elektrischen Designregeln in Ihrer ECAD-Software ist für ein effektives Elektronikdesign unerlässlich. Richtig festgelegte PCB-Designregeln stellen sicher, dass ein Design hergestellt werden kann mit hoher Ausbeute und dass Komponenten montiert werden können. Viele elektrische Designregeln stammen von PCB-Herstellern und IPC-Standards, aber elektrische Designregeln gehen über die Herstellung und Montage hinaus. PCBs erfordern auch ein elektrisches Design, das das elektrische Verhalten von Signalen berücksichtigt. Kritische Leiterbahnen könnten mehrere spezielle elektrische Designregeln erfordern, um Signal- und Leistungsintegrität sowie Herstellbarkeit zu gewährleisten.

Beispielsweise könnte eine PCB eine elektrische Designregel haben, bei der die meisten Verdrahtungen eine gemeinsame Freiraumanforderung basierend auf berechnetem zulässigem Nebensprechen haben. Dies kann auch eine Gruppe anderer Leiterbahnen enthalten, die extrem empfindlich gegenüber jeglichem Rauschen sind und daher besondere Aufmerksamkeit hinsichtlich Nebensprechen und Rauschkopplung erfordern. Für diese rauschempfindlichen Leiterbahnen benötigen wir einen größeren Freiraum – eine andere Designregel – als die gemeinsame Freiraum-Designregel. Um sicherzustellen, dass die Designregelprüfung (DRC) diesen kritischen Bereich der PCB genau analysiert, benötigen wir einzigartige leistungsbasierte elektrische Designregeln für diese empfindlichen Leiterbahnen.

Altium Designer® bietet Optionen, um benutzerdefinierte Entwurfsregeln für spezifische Leiterbahnen zu definieren. In diesem Artikel beschreibe ich eine meiner Methoden zur Definition von Entwurfsregeln, die auf der Altium Designer Klassenfunktion basieren. Ich erkläre einen Schritt-für-Schritt-Workflow, um Leiterbahnen einer Klasse zuzuweisen und wie man Entwurfsregeln für die erstellte Klasse festlegt.

Elektrische Entwurfsregelanpassung in Altium Designer

Elektrische Entwurfsregeln sind am besten definiert, wenn man Schaltpläne entwirft. Aus dem Schaltplan können Sie erkennen, welche Netze wichtige Signale tragen und spezifische elektrische Entwurfsregeln benötigen. Das können hochgeschwindigkeitssignale, Signale, die eine kontrollierte Impedanz erfordern, Signale, die einen speziellen Abstand zu anderen Netzen benötigen, oder sogar Komponenten, die bestimmte Abstände erfordern, sein. In vielen meiner kapazitiven Sensor-Designs benötige ich zwei verschiedene Abstandsregeln für Sensorsignale: eine für die Sensorelektrode und eine andere für Leiterbahnen, die zum Sensor geführt werden.

Beispiel: Festlegen von Abständen

Unabhängig vom Signaltyp und der erforderlichen elektrischen Designregel lassen sich Designregeln am einfachsten organisieren, indem man eine individuelle Klasse für Signale erstellt, die die gleichen Designregeln benötigen. Wenn Sie mehrere Gruppen von Signalen haben, benötigt jede ihre eigene Klasse. Netz-Klassen können in Altium Designer erstellt werden, indem man das Place Directives Parameters Set auswählt. Nun könnten Sie diese Direktive für Signale platzieren, aber bevor Sie sie irgendwo platzieren, drücken Sie die Tabulatortaste, was das Eigenschaften-Fenster öffnet. In diesem Fenster können Sie eine Bezeichnung für diese spezielle Klasse definieren, die Sie nur im Schaltplan sehen werden. Um die Klasse zu erstellen, wählen Sie im unteren Teil des Eigenschaften-Fensters, klicken Sie auf Hinzufügen, und von dort klicken Sie auf Net Class, wie im Bild unten gezeigt.

Als Nächstes geben Sie im Parameterfenster einen eindeutigen Namen für diese neue Klasse ein, der eine gute Beschreibung liefert. Dieser gleiche Name wird später beim Erstellen der elektrischen Designregel, die diese Klasse betrifft, gesehen, daher lohnt es sich, einen Namen zu verwenden, der Ihnen hilft, sie zu identifizieren.

Jetzt können Sie diese bestimmte Direktive für alle Signale platzieren, die spezifische Designregeln erfordern. Klassifizierte Signale sind durch einen roten Kreis mit der von Ihnen bestimmten Bezeichnung markiert.

Nach dem Aktualisieren des Schaltplans im Layout haben die Netze im Layout dieselbe Klassifizierung, wie sie im Schaltplan vorgenommen wurde. Alle physischen und elektrischen Designregeln sind im PCB Rules and Constraints Editor-Dialog definiert. Hier wählen wir die Regel aus, die wir definieren möchten, und als Beispiel wählen wir die Regel für den elektrischen Abstand. Wir erstellen die neue Regel und geben ihr einen passenden Namen. Im Feld "Wo das Objekt übereinstimmt", wählen wir Netzklassen aus, und wir wählen aus der Liste der Klassen diejenige aus, die wir im Schaltplan definiert haben.

Das obige Fenster zeigt, dass für diese spezielle Klasse eine Abstandsregel gilt, die nur für die ausgewählte Klasse anwendbar ist, und jetzt können wir die Abstandsregel zwischen Netzen in dieser Klasse und allen anderen Designregeln festlegen. In diesem Fall legen wir einen 1 mm Abstand zu anderen Leiterbahnen fest und wählen "Alle" im Feld "Wo das zweite Objekt übereinstimmt". Dies bestimmt, dass der Abstand von Leiterbahnen der Klasse für empfindliche Signale mindestens 1 mm von allen anderen Elementen in diesem Layout betragen muss.

Die Begründung für diese spezielle Entwurfsregel kann die Herstellbarkeit berücksichtigen oder sie kann sich auf das elektrische Verhalten beziehen. Entwurfsregeln sollten beides ausbalancieren. Moderne PCB-Hersteller können Merkmalsgrößen deutlich kleiner als 1 mm als Standardfähigkeit fertigen, daher dient die elektrische Entwurfsregel in diesem Fall rein dazu, sicherzustellen, dass die Signale auf diesen Netzen so wenig Rauschen wie möglich durch Übersprechen erhalten.

Als Nächstes bestimme ich eine zweite Freiraumregel für dieselben empfindlichen Signale, was den minimal zulässigen Abstand zwischen Signalen, die zu dieser speziellen Netzklasse gehören, bedeutet. Ich erstelle eine zweite Entwurfsregel und gebe ihr einen anderen Namen, empfindliche Signale int. Ich bestimme das "Wo das erste Objekt passt" auf die gleiche Weise wie bei der ersten Regel, dann wähle ich "Netzklasse", aber im Feld "Wo das zweite Objekt passt", und aus der Liste wähle ich die Klasse "empfindliche Signale" und setze den Einschränkungswert auf 0,2 mm. Dies gibt einen minimalen Freiraum von 0,2 mm für Signale an, die zur Klasse der empfindlichen Signale gehören.

Prioritäten setzen

Nun haben wir zwei Freiraumregeln für die von uns im Schaltplan definierte Klasse der empfindlichen Signale festgelegt. Um die Designregeln ordnungsgemäß zu nutzen, muss ich Prioritäten für diese Regeln festlegen. Ich muss die Prioritäten so setzen, dass Altium zuerst den Abstand zwischen empfindlichen Signalen prüft, dann den Abstand zwischen empfindlichen Signalen und anderen Objekten und schließlich eine allgemeine Freiraumregel für andere Schaltkreise. Setzen Sie die Regel-Prioritäten, indem Sie links unten auf Prioritäten klicken, was ein Fenster öffnet, in dem Sie die Prioritäten der Designregeln ändern können.

Das Bild unten zeigt, wie sich diese Abstandsregeln für meine wichtige Klasse von Sensitiven Signalen auf das Layout ausgewirkt haben. Die fünf obersten Leiterbahnen gehören zur Klasse der Sensitiven Signale, die ich im Schaltplan definiert habe. Wir sehen, dass der Abstand zwischen klassifizierten Signalen und dem Ground-Polygon für die fünf obersten Leiterbahnen, die als Sensitive Signale klassifiziert sind, der 1 mm Abstandsregel folgt. Der Abstand zwischen dem Polygon und anderen Signalen folgt der 0,2 mm Regel. Die 5 Leiterbahnen am unteren Rand des Fensters gehören nicht zur Klasse der Sensitiven Signale, daher befolgen sie die allgemeine Abstandsregel. Als das Polygon gegossen wurde, hat Altiums DRC-Engine automatisch den Bereich des Polygon-Gusses überprüft und alle relevanten Abstandsregeln auf das Polygon angewendet. Beachten Sie, dass diese Regel angewendet wurde, obwohl das Polygon im gesamten unten gezeigten Fenster definiert wurde.

Ähnlich kann ich eine Breiten-Designregel für Sensitive Signale definieren. Ich wähle die Breitenregel, erstelle eine neue Regel und bestimme, wie bei den Abstands-Designregeln, diese Breitenregel für die Klasse der Sensitiven Signale. Nun muss die Breite dieser Leiterbahnen strikt der 0,15 mm Regel folgen, und diese Konfiguration wendet diese Regel nur für Leiterbahnen an, die zur Klasse der Sensitiven Signale gehören. Alle anderen Verdrahtungen folgen der allgemeinen Breitenregel.

Wir sehen Verstöße gegen die Entwurfsregeln, nachdem wir diese Regel angewendet haben, und um Verstöße zu beseitigen, müssen wir die Breite der empfindlichen Signalleitungen gemäß der gerade erstellten 0,15-mm-Breitenregel ändern. Die fünf unteren Leitungen auf der Unterseite gehören nicht zu den klassifizierten Signalen, und die spezifische Breitenregel gilt nicht für sie.

Nun haben wir kritische Signale auf der Schaltplanseite bestimmt, diese Informationen auf die Layoutseite aktualisiert und spezielle Abstands- und Breiten-Designregeln für unsere kritischen Signale definiert. Diese Methode ist einfach umzusetzen und effizient für spezielle Fälle, in denen sich Designregeln von den üblichen Regeln unterscheiden. Für Polygone verwende ich keine anderen Methoden, wie das manuelle Hinzufügen von Aussparungsbereichen. Außerdem können Sie mit diesem Ansatz einzigartige Abstände für Komponenten festlegen, die mit Leiterbahnen verbunden sind, und einen einzigartigen Abstand für die Leiterbahn selbst bestimmen. Ich habe kürzlich am Altium-Webinar über Längenabgleich bei hochgeschwindigkeits-Bussen teilgenommen. In diesem Webinar wurde dasselbe Prinzip verwendet, um die Länge von differentiellen Bussignalen abzugleichen, indem kritische Leiterbahnen auf der Schaltplanseite unter Verwendung einer ähnlichen Klassifizierung definiert und dann Layout-Designregeln festgelegt wurden. Ich empfehle Ihnen, dieses Webinar anzusehen, um zu sehen, wie man Dinge in der Praxis macht und um ein paar weitere Tricks zu lernen, die in diesem Artikel nicht vorgestellt wurden, selbst wenn Sie keine Hochgeschwindigkeitsbusse entwerfen.

Fazit

Ich verwende typischerweise sowohl fertigungsbasierte Designregeln als auch elektrische Designregeln. PCB-Hersteller haben immer Mindestbreiten- und Abstandsregeln für alle verfügbaren Kupferdicken, und diese setzen die äußersten Mindestgrenzen für das Design fest. Innerhalb des Fertigungsfensters zu sein, stellt sicher, dass Sie die höchste Fertigungsausbeute erhalten. Um jedoch die beste Leistung zu erzielen, müssen Sie der Physik der Elektronik folgen und sicherstellen, dass ein komplexer elektrischer Schaltkreis die angestrebte Leistung erfüllt, indem Sie physikalische Gesetze in grundlegende Designregeln wie Abstand, Breite und Länge umwandeln. Diesen zu folgen, scheint selbstverständlich, aber wenn die Komplexität einer PCB zunimmt, wird es herausfordernd, diesen Anforderungen manuell und durch visuelle Inspektion zu folgen, und bald ist die einzige Option, DRC-Funktionen zu verwenden. Indem Sie Designregeln korrekt festlegen, können Sie sicherstellen, dass diese Regeln an allen Stellen einer PCB befolgt werden.

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