Altium Designer 20 cambió mis costumbres de diseño de PCB

Acabo de finalizar mi primer diseño de PCB con Altium Designer 20®. Mientras estaba trabajando en él, he probado algunas de las funciones avanzadas de diseño de AD20 y, en este artículo, daré mi opinión sobre dos que me han impresionado gratamente: deslizamientos y enrutamiento de cualquier ángulo. Después de haber leído y visto vídeos de estas funciones de enrutado de antemano, estaba deseando probarlas. Tengo experiencia en enrutar pistas en áreas de diseño con forma curvada que presentan una topología de enrutado de 45 grados, y me frustraba cuando intentaba que todas las pistas cupieran en la zona requerida. AD19 ya tenía una especie de función de enrutamiento de cualquier ángulo, ya que, de hecho, eras libre de seleccionar cualquier ángulo mientras enrutabas. Pero cuando añadía y habilitaba reglas de diseño de espaciado, no podía acercarme lo suficiente a los extremos o a los objetos redondeados, y tenía que mantener espaciados mucho mayores de lo que necesitaba. Mientras tanto, reducir el espaciado manualmente incrementaba el tiempo de diseño, y los resultados no terminaban de satisfacerme. Me sentía frustrado y, por ello, tenía altas expectativas en el diseño y el enrutamiento de cualquier ángulo.

La mejora de la opción de deslizamiento cambió otra de mis costumbres de diseño de PCB: mi proceso de creación de enrutamientos para pequeños grupos de pistas. En vez de tener listo el enrutamiento de todas las pistas en la primera vuelta, enruté aprisa y corriendo un grupo de pistas sin preocuparme por los ángulos, los espaciados óptimos u otros detalles. En cambio, procedí con el agrupamiento final y la optimización del diseño con la función de deslizamiento después y, de este modo, coloqué las pistas en las ubicaciones más apropiadas del área de diseño. Parecía funcionar bien al principio: definí el apilado y, a continuación, determiné las reglas de anchura y espaciado de acuerdo con la impedancia final y la reducción de interferencias. Después de este enrutamiento tosco del diseño, agrupé las pistas y las moví a su posición final deslizándolas. La función de deslizamiento también fue bien para las pistas enrutadas con la función de enrutamiento de cualquier ángulo con un ángulo arbitrario. Al deslizar las pistas enrutadas a una pista «bloqueada» (seleccionar «Walkaround Obstacles», obstáculos de recorrido), la pista que se desliza adopta la misma forma mientras se sigue respetando la regla de espaciado mínimo. Para pequeños grupos de pistas, este método permite crear enrutados rápidamente, mientras se siguen aplicando las reglas de diseño. En la imagen 1, puedes ver ejemplos que muestran que hay muchas opciones de cómo disponer pistas con solo deslizarlas. 

Imagen 1. Funciones avanzadas de diseño de PCB. Deslizar pistas enrutadas en un grupo. La imagen superior izquierda presenta un enrutado aprisa y corriendo, mientras que el resto son ejemplos de diversas opciones para disponer las pistas deslizándolas. 

Al deslizar pistas cerca del borde exterior de la placa o del área recortada, la pista adopta la forma del extremo de la PCB respetando la regla de espaciado del extremo de la placa predefinida (ver imagen 2). El diseño de productos electrónicos estructurales o impresos acarrea beneficios evidentes. En estas situaciones, el área de la placa nunca es rectangular, pero más o menos sigue la forma de la parte. Al deslizarla, puedo dibujar una pista recta y empujarla hasta el borde del área de la placa. Así se puede proceder con el enrutamiento de las pistas en la ubicación permitida más cercana al extremo de la PCB y, de esta forma, podemos utilizar el área de diseño completa disponible, no solo áreas en las nos apañamos para poner pistas en ángulo de 45 grados. AD20 desliza pistas individuales o en grupo de forma inteligente, siendo esta una función muy útil para agrupar pistas en un área óptima o quizá incluso en un área mínima. El beneficio es especialmente notorio cuando trabajamos con áreas de placas con los extremos en forma curvada. 

Imagen 2. Funciones avanzadas de diseño de PCB. Deslizar pistas al borde de una placa electrónica impresa. En la primera imagen se muestra un enfoque tradicional. En la segunda imagen se muestra cuando las pistas se deslizan hacia el borde curvado del área de diseño.

El enrutamiento de cualquier ángulo muestra cuál es la pista necesaria más corta entre dos puntos. En la imagen 3 de más abajo se aprecia un ejemplo en el que la pista resaltada se enrutó por el método tradicional de 45 grados y la pista más clara es una propuesta del enrutamiento de cualquier ángulo. Como se puede observar, la pista cambia los ángulos de forma inteligente al evitar las vías. Lo mismo sucede con otros obstáculos, como otras pistas y componentes, con el objetivo de que el enrutado sea suave y fluido. Enruté montones de pistas con el enrutamiento de cualquier ángulo y, en todos los casos, encontré la forma más corta para las pistas, incluso en situaciones complicadas con muchos tamaños y siluetas de obstáculos diferentes. Así logré un método de enrutamiento nuevo: el principio de la distancia de pista mínima.

Imagen 3. Cambio de costumbres de diseño de PCB. Longitud de pista mínima con enrutamiento de cualquier ángulo.

El principio de diseño de distancia de pista mínima puede tener un par de beneficios. Un caso de ejemplo es el diseño de sensores capacitivos. Estos sensores miden capacitancias extremadamente pequeñas, incluso inferiores a un picofaradio. Por ello, diseñar enrutamientos con una capacitancia parasitaria mínima es importante. Cada pista enrutada tiene una capacitancia parasitaria (y también inductancia), y la capacitancia depende de tanto el diseño de apilado como de la longitud de la pista. La capacitancia por longitud se puede obtener rápidamente del perfil de la impedancia del gestor de apilado de capas, y la capacitancia total es solo multiplicar la longitud de la pista con la capacitancia por la longitud. Minimizar la capacitancia de la pista requiere minimizar la longitud de la pista. 

Otro caso de ejemplo es las situaciones en las que el tiempo de subida provoca problemas de integridad de la señal. Con la tipología de enrutamiento de 45 grados, la longitud de la pista puede ser lo suficientemente larga para causar problemas, pero enderezar la línea con el enrutamiento de cualquier ángulo puede reducir la longitud por debajo de la longitud crítica. No diría que el enrutamiento de cualquier ángulo por sí solo resuelve este problema, ya que necesitas diseñar la terminación si el tiempo de ascenso es demasiado rápido, incluso si se acorta la pista. El enrutamiento de cualquier ángulo te permitirá encontrar la longitud de pista mínima. Puede ser o no de ayuda. Cuando acortes la pista, aún tienes que determinar si es necesaria o no la terminación.

En componentes electrónicos impresos, la longitud de pista mínima reduce la resistencia de la pista. En este tipo de aplicaciones, acortar la longitud de pista es siempre ventajoso, ya que la resistencia de las pistas de tinta conductora impresa siempre desempeña un papel esencial. Cada ohmio que puedes restar a la pista, es un esfuerzo que merece la pena.

El enrutamiento de cualquier ángulo es una opción excelente en áreas con un diseño saturado. Hasta ahora, el enrutamiento a 45 grados entorpecía cuando había prisa, pero el enrutamiento de cualquier ángulo es sencillo. Las zonas saturadas en las que se disponen muchas vías, componentes, áreas de restricción u otros obstáculos en una pequeña zona son más sencillas de resolver con el enrutamiento de cualquier ángulo. En vez de interferir porque no se puede disponer el recorrido de la pista con ángulos de 45 grados, el enrutamiento de cualquier ángulo encuentra el ángulo más apropiado para la pista y puede sortear los obstáculos mientras continúa respetando la regla de espaciado. El enrutamiento de cualquier ángulo permite «abrazar» obstáculos con un espaciado mínimo y con cualquier silueta de pista. En la imagen 4 de más abajo incluimos un ejemplo ilustrativo.

Imagen 4. Funciones avanzadas de diseño de PCB. Enrutamiento de cualquier ángulo en una zona saturada.

En el proceso de diseño, tenemos que tener en cuenta las interferencias. Uno de los motivos de las interferencias es que el espaciado es demasiado pequeño entre pistas en comparación con el grosor del dieléctrico entre la pista y el plano de referencia. Cuando estuve enrutando con enrutamiento de cualquier ángulo observé que es extraño que las pistas se desplacen en paralelo con el espaciado mínimo permitido. En cambio, las pistas recorren direcciones ligeramente diferentes, porque rara vez recorren las distancias más cortas entre dos series de puntos en la misma dirección exacta, como podemos ver en la imagen 5. Por ello, en muchos casos, los espaciados entre pistas eran superiores al mínimo permitido, lo que supone menos interferencias. Y con el enrutamiento de cualquier ángulo, esto sucedió de forma fortuita. Alguien podría decir que el diseño no es lo que se dice bonito, pero, al final del día, ¿tiene que serlo si funciona mejor?

Imagen 5. Cambio de costumbres de diseño de PCB. Mismo diseño con enrutamiento en 45 grados y enrutamiento de cualquier ángulo.

Después de mi diseño de PCB, concluí que el deslizamiento y el enrutamiento de cualquier ángulo tienen una serie de ventajas útiles:

1. El deslizamiento permite el agrupamiento rápido de pistas. No importa cuál sea el ángulo, el agrupamiento puede realizarse fácilmente a la par que se tienen en cuenta las reglas de espaciado.
2. Con la función de deslizamiento, puedes utilizar un área de diseño de componentes electrónicos impresos o de una PCB completa, que es especialmente valiosa en casos en los que el área de diseño tiene forma curvada.
3. El enrutamiento de cualquier ángulo busca el recorrido más corto para cualquier pista. Gracias a ello, puedes utilizar el principio de diseño de pista más corta, con el que se reducen las capacitancias y resistencias parasitarias en componentes electrónicos impresos.
4. El enrutamiento de cualquier ángulo beneficia en gran medida las zonas de diseño saturadas. El enrutamiento es definitivamente más rápido, al ofrecer mucha más libertad para las instrucciones de enrutamiento.
5. Al utilizar el principio de longitud de pista mínima con el enrutamiento de cualquier ángulo, reduces «fortuitamente» las interferencias, porque lo más probable es que no enrutes pistas paralelas con espaciado mínimo.

El deslizamiento y el enrutamiento desde cualquier ángulo cambiaron mis costumbres de enrutamiento de pistas en PCB y en componentes electrónicos. Estas funciones ofrecen nuevas posibilidades de enrutamiento, y hacen del enrutamiento un proceso más sencillo y rápido. Además, ofrecen nuevas oportunidades para implementar diferentes principios de enrutamiento, como la distancia de pista mínima. Tenía grandes expectativas cuando comenzamos con el diseño y, después de usar estas funciones, estas han demostrado que serán increíblemente útiles en cualquiera de las tareas de diseño.

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