핀, 부품, 그리고 Diff-Pair 스와핑으로 라우팅 단순화하기

PCB 설계 시 부품을 배치하면 연결이 서로 교차하는 경우가 종종 발생합니다. 비록 소수의 교차 연결을 해결하기 위해 다른 레이어로의 비아 사용이나 약간 더 긴 트레이스 라우팅이 가능하지만, 아래 그림과 같이 많은 수의 교차가 있는 경우 라우팅을 매우 어렵고 시간이 많이 소요될 수 있습니다.

더 복잡한 라우팅과 더 많은 교차가 있는 경우, PCB 설계자들은 일반적으로 교차 연결의 수를 줄이기 위해 장치 핀 및 부분 교환을 사용합니다. 핀 또는 부품 교환은 PCB에서 교차를 제거하지만, 이러한 변경 사항은 스키마틱으로도 전달되어야 합니다. 이 논문은 핀, 부분, 그리고 차동 쌍 교환을 쉽게 관리하여 교차 연결을 줄이고 스키마틱과 PCB 라우팅 간의 설계 동기화를 유지하면서 최적의 라우팅을 가능하게 하는 방법을 설명합니다.

많은 교차 연결이 있는 PCB

소개

최적의 부품 배치는 교차 연결 라인을 최소화하는 데 큰 도움이 됩니다. 하지만, 교차를 완전히 피할 수는 없습니다. 많은 수의 교차 연결은 PCB 라우팅을 매우 도전적이고 시간이 많이 소요되게 만듭니다. PCB 설계자들은 전기적으로 가능한 경우, 하나의 장치 핀에서 다른 적합한 장치 핀으로 넷 할당을 교환하는 것이 일반적입니다. 마찬가지로, 공통 패키지 내의 부분들도 교차 연결을 줄이기 위해 교환될 수 있습니다.

핀 교환은 두 개의 다른 물리적 핀의 넷을 교환해도 설계의 전기적 기능에 부정적인 영향을 미치지 않는다는 사실에 의존합니다. 기본적인 예로, 저항기의 두 핀을 들 수 있습니다. 저항기의 핀은 고유한 극성이 없기 때문에 교차를 제거하기 위해 핀을 자유롭게 교환할 수 있으며, 여전히 의도한 대로 기능합니다.

또 다른 실용적인 예는 특정 신호 할당이 각각의 핀에 엄격하게 요구되지 않는 고 핀 수 커넥터입니다. 커넥터의 많은 핀을 교체할 수 있는 유연성을 통해 여러 개의 교차 연결을 제거할 수 있습니다. 핀 교환에 가장 적합한 구성 요소 유형은 사용자 정의 가능한 I/O 핀을 가진 FPGA 장치일 수 있으며, 적용 가능한 전압 뱅크 내에서 필요에 따라 자유롭게 핀을 재할당할 수 있습니다.

하위 부품 교환을 통해 공통 패키지 내의 유사한 부품이 교환됩니다. 예를 들어, LM6154 쿼드 오프 앰프 IC는 단일 패키지 내에 네 개의 별개이며 동일한 오프 앰프를 가지고 있습니다. 따라서, 교차 연결 선을 제거하면서 동일한 기능을 유지하기 위해 오프 앰프 C(핀 8, 9, 10)를 오프 앰프 A(핀 2, 3, 1)와 교환할 수 있습니다. 하위 부품 교환은 때때로 "게이트 교환"이라고 불리며, 이는 SN74S02N 쿼드 NOR 게이트 패키지 내의 4개 개별 게이트를 자유롭게 교환할 수 있음을 의미합니다.

장치 핀 및 하위 부품 교환은 PCB 접지에서 교차 연결의 전체 수를 크게 줄이는 데 도움이 됩니다. 장치 핀 또는 하위 부품 교환을 성공적으로 구현하려면, 어떤 핀이 교환 가능한지 미리 정의해야 합니다. 또한, 인쇄 회로 기판 PCB 설계 내에서 핀 또는 부품 교환이 이루어지면, 회로도는 변경 사항을 반영하여 업데이트되어 PCB 레이아웃과 동기화되어야 합니다. 이들을 동기화하지 못하면 재앙적인 오류로 이어질 수 있습니다.

핀 및 부품 교환

핀 또는 부품 교환은 교환 데이터 구성, 핀 또는 부품 교환 수행, 그리고 마지막으로 교환 업데이트와 회로도 동기화의 세 가지 일반적인 단계로 이루어집니다.

교환 그룹 구성

교환 그룹은 자유롭게 교환될 수 있는 핀을 정의합니다. 주어진 교환 그룹 내의 어떤 핀도 동일한 그룹 내의 다른 핀과 교환될 수 있습니다. 교환 그룹 정의는 일반적으로 한 번의 노력이 필요하며, 심볼 라이브러리 수준, 회로도 수준 또는 PCB 문서 내에서 수행될 수 있습니다. 교환 그룹은 Configure Pin Swapping 패널을 사용하여 설계 과정의 어느 시점에서든지 어떤 구성 요소 또는 구성 요소 인스턴스에 대해서도 정의할 수 있습니다. 차동 쌍 및 하위 부품 교환에 대한 교환 그룹 정의는 유사하게 정의될 수 있습니다. 그림은 교환 그룹을 쉽게 정의하는 방법을 보여주는 스크린샷입니다.

은행 번호에 따른 FPGA I/O 핀 그룹 정의

핀 또는 부품 교환 수행

스왑 그룹이 정의되면, 핀 스왑, 차동 쌍 스왑, 또는 부품 스왑을 PCB 설계 프로세스 문서 내에서 상호 작용적으로 수행할 수 있습니다. 상호 작용적 스왑 기능을 사용하려면, Tools > Pin/Part Swapping을 선택하여 상호 작용적 핀 스왑 선택을 호출합니다. 레이아웃 내의 모든 교차 연결을 분석하고 가능한 한 최소한의 교차 수를 달성하기 위해 여러 핀을 자동으로 스왑하는 자동 핀 스왑 모드도 있습니다.

스왑 업데이트와 스키마 동기화:

핀 스왑의 매우 중요한 측면은 PCB 레이아웃에서 이루어진 핀 스왑 변경 사항과 프로젝트를 동기화하기 위해 스키마를 업데이트하는 것입니다. 이는 Altium Designer 내에서 PCB에서 스키마로 업데이트를 수행함으로써 간단히 수행됩니다. 염두에 두어야 할 최선의 방법은 스왑 그룹과 관련될 수 있는 모든 넷에 대해 스키마에서 Net Label로 연결을 사용하는 것입니다. 이 방법은 스키마에 대한 변경 사항이 Net Label 대체만 될 것임을 보장합니다. 그렇지 않으면, 넷 라벨이 없는 경우 핀 스왑을 수행하기 위해 스키마 심볼 핀 대체가 필요할 것입니다. 스키마 핀 대체는 허용되지만 기본적으로 비활성화되어 있습니다. 이는 결과적으로 심볼이 라이브러리 내의 원래 심볼과 다르게 될 수 있기 때문에 권장되지 않습니다. 넷 라벨로 연결하는 것이 핀 스왑을 지원하는 가장 실용적인 방법입니다.

스왑이 완료되면, 연결을 다시 검토하여 얼마나 개선되었는지 확인할 수 있습니다. 여기서 설명한 방법을 사용하면, 첫 번째 그림에서 보드가 아래와 같이 나타납니다. 교차 수가 상당히 감소했습니다.

FPGA에서 수행된 핀 스왑 (이전 그림과 비교)

결론

PCB 편집기 내의 교차 연결은 라우팅 작업을 복잡하게 만들고 라우팅을 위해 추가 시간이나 레이어가 필요할 수 있습니다. 프로젝트나 심볼 라이브러리 내에서 스왑될 수 있는 핀이나 부품을 선언하는 것은 교차를 제거할 수 있는 많은 기회를 만듭니다. 상호 작용적 또는 자동 스왑 기능을 사용하면 설계 내의 교차 연결 수를 크게 줄일 수 있습니다.