ピン、パーツ、およびディフペアの交換でルーティングを簡素化

PCB設計で部品を配置する際、配置によっては接続が互いに交差することがよくあります。少数の交差接続に対しては、他の層へのビアやわずかに長いトレースルーティングを使用することができますが、下図のような多数の交差がある場合、ルーティングが非常に困難で時間がかかることになります。

より複雑なルーティングで交差数が多い場合、PCB設計者は通常、交差接続の数を減らすためにデバイスピンとサブパートの入れ替えを行います。ピンまたは部品の入れ替えはPCB内の交差を排除しますが、その変更は回路図にも反映されなければなりません。この論文では、ピン、サブパート、および差動ペアの入れ替えを簡単に管理し、交差接続を減らすことで最適なルーティングを実現し、回路図とPCBルーティングの設計同期を維持する方法について説明します。

多くの交差接続を持つPCB

導入

最適な部品配置は、交差接続ラインを最小限に抑える上で非常に重要です。しかし、交差を完全に避けることはできません。多数の交差接続があると、PCBのルーティングが非常に困難で時間がかかる作業になります。PCB設計者は、電気的に可能な限り、あるデバイスピンから別の適格なデバイスピンへネット割り当てを入れ替えることが一般的です。同様に、共通パッケージ内のサブパーツも交差接続を減らすために入れ替えることができます。

ピン入れ替えは、2つの異なる物理ピンのネットを入れ替えても設計の電気機能に悪影響を与えないという事実に基づいています。基本的な例としては、抵抗器の2つのピンがあります。抵抗器のピンには固有の極性がないため、交差を排除するためにピンを自由に入れ替えても、意図したとおりに機能します。

もう一つの実用的な例としては、特定の信号が各ピンに厳密に割り当てられているわけではない高ピン数コネクタがあります。コネクタ上の多くのピンを交換できる柔軟性を持つことで、いくつかのクロスオーバー接続を排除できる可能性があります。ピン交換に最も適したコンポーネントタイプは、適用可能な電圧バンク内でユーザーが定義可能なI/Oピンを持つFPGAデバイスであり、必要に応じて自由にピンを再割り当てできます。

サブパート交換では、共通のパッケージ内の類似部品が交換されます。例えば、LM6154クアッドオペアンプICには、単一のパッケージ内に4つの別々で同一のオペアンプがあります。したがって、オペアンプC（ピン8、9、10）をオペアンプA（ピン2、3、1）と交換して、同じ機能を維持しながらクロスオーバー接続ラインを排除できます。サブパート交換は時々「ゲート交換」と呼ばれ、SN74S02NクアッドNORゲートパッケージ内の4つの個別ゲートが自由に交換できることを意味します。

デバイスピンおよびサブパート交換は、PCBグラウンディングにおけるクロスオーバー接続の全体数を大幅に削減するのに大いに役立ちます。デバイスピンまたはサブパートの交換を成功させるには、どのピンが交換可能であるかを事前に定義する必要があります。さらに、プリント基板PCB設計内でピンまたは部品の交換が行われたら、回路図を更新して変更を反映させ、PCBレイアウトと同期させる必要があります。それらを同期させないと、致命的なエラーにつながる可能性があります。

ピンおよび部品の交換

ピンまたは部品の交換は、一般的に3つのステップで行われます：交換データの設定、ピンまたは部品の交換の実行、最後に、交換の更新と回路図の同期化です。

交換グループの設定

交換グループは、自由に交換できるピンを定義します。特定の交換グループ内の任意のピンは、同じグループ内の他のピンと交換できます。交換グループの定義は、通常、シンボルライブラリレベル、回路図レベル、またはPCBドキュメント内で一度だけ行う作業です。Configure Pin Swappingパネルを使用して、設計プロセスの任意の時点で任意のコンポーネントまたはコンポーネントインスタンスに対して交換グループを定義できます。差動ペアおよびサブパーツの交換に対しても同様に交換グループを定義できます。図は、交換グループが簡単に定義できることを示すスクリーンショットです。

バンク番号に従ってFPGA I/Oピンのグループを定義

ピンまたは部品の交換の実行

スワップグループが定義されると、ピンのスワップ、差動ペアのスワップ、またはサブパートのスワップをPCB設計プロセスドキュメント内で対話的に実行できます。対話的なスワップ機能を呼び出すには、選択した対話的なピンスワップに従って、ツール > ピン/パーツスワップを使用します。また、レイアウト内のすべてのクロスオーバー接続を分析し、可能な限りクロスオーバーの数を最小限にするために複数のピンを自動的にスワップする自動ピンスワップモードもあります。

スワップ更新とスキーマティックの同期:

ピンスワップの非常に重要な側面は、PCBレイアウトで行われたピンスワップの変更をプロジェクトと同期させるためにスキーマティックを更新することです。これは、Altium Designer内でPCBからスキーマティックへの更新を実行することで簡単に行えます。心に留めておくべきベストプラクティスは、スワップグループに関連する可能性のあるネットに対してスキーマティックでネットラベルによる接続を使用することです。この方法を使用すると、スキーマティックへの変更はネットラベルの置換のみになることが保証されます。それ以外の場合、ネットラベルが利用できない場合は、ピンスワップを実行するためにスキーマティックシンボルのピン置換が必要になります。スキーマティックピンの置換は許可されていますが、デフォルトでは無効になっています。これは、結果として得られるシンボルがライブラリ内の元のシンボルと異なるため、推奨されません。ネットラベルによる接続は、ピンスワップをサポートするための最も実用的な方法です。

スワップが行われた後、どれだけ改善されたかを再度確認することができます。ここで説明されている方法を使用すると、最初のイラストのボードは以下のように表示されます。クロスオーバーの数が大幅に減少しています。

FPGAで実行されたピンスワップ（以前の図と比較）

結論

PCBエディタ内のクロスオーバー接続は、ルーティング作業を複雑にし、ルーティングに追加の時間やレイヤーを必要とする場合があります。プロジェクトまたはシンボルライブラリ内でスワップ可能なピンまたはサブパーツを宣言することで、クロスオーバーを排除する多くの機会が生まれます。対話的または自動的なスワップ機能を使用することで、設計内のクロスオーバー接続の数を大幅に減少させることができます。