Personalización de reglas de diseño eléctrico basadas en rendimiento en Altium Designer

Determinar las reglas de diseño eléctrico correctas en su software ECAD es esencial para un diseño electrónico efectivo. Las reglas de diseño de PCB correctamente determinadas aseguran que un diseño pueda ser fabricado con un alto rendimiento y que los componentes puedan ser ensamblados. Muchas reglas de diseño eléctrico provienen de los fabricantes de PCB y los estándares IPC, pero las reglas de diseño eléctrico van más allá de la fabricación y el ensamblaje. Los PCB también requieren un diseño eléctrico que tenga en cuenta el comportamiento eléctrico de las señales. Las pistas críticas podrían requerir varias reglas de diseño eléctrico personalizadas para asegurar la integridad de la señal y la potencia, así como la fabricabilidad.

Por ejemplo, un PCB podría tener una regla de diseño eléctrico donde la mayoría del enrutamiento tiene un requisito de separación común basado en el crosstalk permitido calculado. Esto también puede contener un grupo de otras pistas que son extremadamente sensibles a todo tipo de ruido y, por lo tanto, requieren una atención especial respecto al crosstalk y el acoplamiento de ruido. Para estas pistas sensibles al ruido, necesitamos una separación más amplia, una regla de diseño diferente, en lugar de la regla de diseño de separación común. Para asegurar que la verificación de la regla de diseño (DRC) analice con precisión esta área crítica del PCB, necesitamos tener reglas de diseño eléctrico únicas basadas en el rendimiento para estas pistas sensibles.

Altium Designer® ofrece opciones para definir reglas de diseño personalizadas para trazas específicas. En este artículo, describo uno de mis métodos para definir reglas de diseño basadas en la función de Clase de Altium Designer. Paso a paso, explico cómo asignar trazas en una clase y cómo establecer reglas de diseño para la clase creada.

Personalización de Reglas de Diseño Eléctrico en Altium Designer

Las reglas de diseño eléctrico se definen mejor al diseñar esquemáticos. Desde el esquemático, puedes identificar qué redes llevan señales importantes y requieren reglas de diseño eléctrico específicas. Estas pueden ser señales de alta velocidad, señales que requieren impedancia controlada, señales que requieren un espacio especial respecto a otras redes, o incluso componentes que requieren ciertos espacios. En muchos de mis diseños de sensores capacitivos, necesito dos reglas de espacio diferentes para las señales del sensor: una para el electrodo del sensor y otra para las trazas que se dirigen al sensor.

Ejemplo: Estableciendo Espacios

Independientemente del tipo de señal y la regla de diseño eléctrico que requiera, las reglas de diseño se organizan más fácilmente creando una clase individual para señales que requieren las mismas reglas de diseño. Si tienes varios grupos de señales, cada uno requiere su propia clase. Las Clases de Red pueden crearse en Altium Designer seleccionando el Conjunto de Parámetros de Directivas de Colocación. Ahora podrías colocar esta directiva para señales, pero antes de colocarla en cualquier lugar, presiona la tecla de tabulación, lo que abre la ventana de Propiedades. En esa ventana, puedes definir una etiqueta para esta clase en particular, que solo verás en el esquemático. Para crear la clase, selecciona desde la parte inferior de la ventana de Propiedades, haz clic en Agregar, y desde allí haz clic en Clase de Red como se muestra en la imagen a continuación.

A continuación, en la ventana de Parámetros, ingresa un nombre único para esta nueva clase que proporcione una buena descripción. Este mismo nombre se verá más adelante al crear la regla de diseño eléctrico que involucre esta clase, por lo que vale la pena usar un nombre que te ayude a identificarla.

Ahora puedes colocar esta directiva determinada para todas las señales que requieran reglas de diseño específicas. Las señales clasificadas están marcadas por un círculo rojo con la etiqueta que determinaste anteriormente.

Después de actualizar el esquemático en el diseño, las redes en el diseño tienen la misma clasificación que se hizo en el esquemático. Todas las reglas de diseño físicas y eléctricas se definen en el diálogo Editor de Reglas y Restricciones de PCB. Aquí seleccionamos la regla que queremos definir, y como ejemplo, seleccionamos la regla de separación eléctrica. Creamos la nueva regla y le damos un nombre apropiado. En el campo donde el objeto coincide, seleccionamos Clase de Red, y elegimos de la lista de clases, la que definimos en el esquemático.

La ventana anterior muestra que, para esta clase en particular, hay una regla de separación que solo se aplica a la clase seleccionada, y ahora podemos establecer la regla de separación entre redes en esta clase y todas las demás reglas de diseño. En este caso, establecemos una separación de 1 mm con otras pistas, y seleccionamos "Todos" en el campo "Donde el Segundo Objeto Coincide". Esto determina que la separación de las pistas de la clase de señal Sensible debe ser de al menos 1 mm de todas las demás características en este diseño.

La razón de esta regla de diseño particular puede deberse a la fabricabilidad o puede deberse al comportamiento eléctrico. Las reglas de diseño deberían intentar equilibrar ambos aspectos. Los fabricantes de PCB modernos pueden fabricar tamaños de características mucho menores a 1 mm como una capacidad estándar, por lo que la regla de diseño eléctrico en este caso es puramente para asegurar que las señales en estas redes reciban la menor cantidad de ruido posible a través del diafonía.

A continuación, determino una segunda regla de separación para las mismas señales sensibles, lo que significa la separación mínima permitida entre señales que pertenecen a esta clase de red particular. Creo una segunda regla de diseño y le doy un nombre diferente, señales sensibles int. Determino "Donde el Primer Objeto Coincide" de la misma manera que con la primera regla, luego selecciono "Clase de Red" pero en el campo "Donde el Segundo Objeto Coincide", y de la lista selecciono la clase "señales sensibles" y establezco el valor de Restricciones a 0.2 mm. Esto especifica una separación mínima de 0.2 mm para señales que pertenecen a la clase de señales sensibles.

Estableciendo Prioridades

Ahora hemos determinado dos reglas de separación para la clase de señales Sensibles que definimos en el lado esquemático. Para que las reglas de diseño funcionen correctamente, necesito establecer prioridades para estas reglas. Necesito establecer las prioridades de tal manera que Altium verifique primero la separación entre señales Sensibles, luego la separación entre señales Sensibles y otros objetos, y finalmente una regla de separación general para otros circuitos. Establece las prioridades de las reglas haciendo clic en Prioridades en la izquierda y abajo, lo que te abre una ventana en la cual es posible cambiar las prioridades de las reglas de diseño.

La imagen a continuación muestra cómo estas reglas de separación para mi importante clase de señales Sensibles han afectado la disposición. Las cinco pistas superiores pertenecen a la clase de señales Sensibles que definí en el esquemático. Vemos separación entre señales clasificadas y polígono de tierra para las cinco pistas superiores, que están clasificadas como señales Sensibles, sigue la regla de separación de 1 mm. La separación entre el polígono y otras señales sigue la regla de 0.2 mm. Las 5 pistas en la parte inferior de la ventana no son parte de la clase de señales Sensibles, por lo que obedecen la regla de separación común. Cuando se vertió el polígono, el motor DRC de Altium verificó automáticamente la región de vertido del polígono y aplicó todas las reglas de separación relevantes al polígono. Note que esta regla se aplicó aunque el polígono se definió a lo largo de toda la ventana mostrada a continuación.

De manera similar, puedo definir una regla de diseño de ancho para señales Sensibles. Selecciono la regla de Ancho, creo una nueva regla y, como hice en las reglas de diseño de separación, determino esta regla de ancho para la clase de señales Sensibles. Ahora, el ancho de estas pistas debe seguir estrictamente la regla de 0.15 mm, y esta configuración aplica esa regla solo para pistas que pertenecen a la clase de señal Sensible. Todo el otro enrutamiento sigue la regla de Ancho general.

Vemos violaciones de las reglas de diseño después de aplicar esta regla, y para eliminar las violaciones, debemos cambiar el ancho de las pistas de señales sensibles de acuerdo con la regla de ancho de 0.15 mm que acabamos de crear. Nuevamente, las cinco pistas del lado inferior no pertenecen a señales clasificadas, y la regla de ancho específica no es válida para ellas.

Ahora hemos determinado señales críticas en el lado esquemático, actualizado esta información al lado del diseño de la placa, y definido reglas de diseño especiales de separación y ancho para nuestras señales críticas. Este método es fácil de implementar y eficiente para casos especiales en los que las reglas de diseño difieren de las reglas comunes. Para los polígonos, no uso ningún otro método, como agregar áreas de corte manualmente. Además, con este enfoque, puedes determinar separaciones únicas para componentes conectados a trazas y una separación única para la traza misma. Recientemente participé en el webinar de Altium sobre emparejamiento de longitud en buses de alta velocidad. En este webinar, se utilizó el mismo principio para igualar la longitud de las señales de bus diferenciales definiendo trazas críticas en el lado esquemático usando una clasificación similar y luego determinando las reglas de diseño de la disposición. Te recomiendo que veas este webinar para ver cómo hacer las cosas en la práctica y para aprender un par de trucos más no presentados en este artículo, incluso si no estás diseñando buses de alta velocidad.

Conclusión

Normalmente utilizo tanto reglas de diseño basadas en la fabricación como reglas de diseño eléctrico. Los fabricantes de PCB siempre tienen un ancho mínimo y reglas de separación para todos los espesores de cobre disponibles, y estas establecen los límites mínimos extremos para el diseño. Estar dentro del margen de fabricación asegura que obtengas el mayor rendimiento de fabricación. Sin embargo, para obtener el mejor rendimiento, necesitas seguir la física de la electrónica y asegurarte de que un circuito eléctrico complejo cumpla con el rendimiento objetivo necesitas convertir las leyes de la física en reglas de diseño básicas, como la separación, el ancho y la longitud. Seguir estas reglas parece evidente, pero cuando la complejidad de un PCB aumenta, seguir estos requisitos manualmente y mediante inspección visual se vuelve desafiante y pronto, la única opción es usar las características de DRC. Al determinar las reglas de diseño correctamente, puedes asegurarte de que estas reglas se sigan en todas las ubicaciones de un PCB.

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