Program Altium Designer 20 zmienił mój sposób projektowania układów PCB

Właśnie skończyłem pierwszy projekt PCB w programie Altium Designer 20®. Jednocześnie przetestowałem pewne nowe funkcje AD20 i w tym artykule przedstawię moje spostrzeżenia dotyczące tych funkcji, które zrobiły na mnie największe wrażenie: przesuwanie ścieżek i trasowanie ścieżek pod dowolnym kątem. Po wcześniejszym przeczytaniu informacji i obejrzeniu filmów dotyczących tych funkcji trasowania bardzo chciałem je wypróbować. Miałem okazję wytyczać ścieżki na zakrzywionych obszarach o topologii 45 stopni i doznawałem uczucia frustracji, gdy próbowałem zmieścić wszystkie ścieżki na wymaganym obszarze. W AD19 była już dostępna możliwość „trasowania ścieżek pod dowolnym kątem”, ponieważ w rzeczywistości można było wybrać dowolny kąt. Jednak po dodaniu i zastosowaniu reguł projektowych dotyczących odstępów nie byłem w stanie wystarczająco zbliżyć się do krawędzi lub zaokrąglonych przedmiotów, przez co musiałem zachowywać znacznie większe odstępy niż były niezbędne. Jednocześnie próby ręcznego minimalizowania odstępów wydłużały czas przygotowywania projektu, a rezultaty i tak nie były satysfakcjonujące. Pamiętając to uczucie frustracji, miałem duże oczekiwania dotyczące przesuwania i trasowania ścieżek pod dowolnym kątem.

Udoskonalona funkcja przesuwania zmieniła mój proces trasowania małych grup ścieżek. Zamiast od razu wytyczać ostateczne przebiegi wszystkich ścieżek, szybko i z grubsza poprowadziłem grupę ścieżek, nie zwracając uwagi na kąty, optymalne odstępy czy inne szczegóły. Jednak po wszystkim przeprowadziłem końcowe grupowanie i optymalizację układu, używając funkcji przesuwania. W ten sposób umieściłem ścieżki w najdogodniejszych położeniach w danym obszarze. Wydaje się, że wszystko działało dobrze, gdy najpierw zdefiniowałem stos, a potem określiłem reguły dotyczące szerokości ścieżek i odstępów między nimi pod kątem docelowej impedancji i minimalizacji przesłuchów. Po tym zgrubnym poprowadzeniu zgrupowałem ścieżki i przesunąłem je do ich pozycji finalnych. Przesuwanie sprawdzało się również dobrze w przypadku ścieżek poprowadzonych pod dowolnym kątem. Przy przesuwaniu ścieżek w kierunku „zablokowanej” ścieżki (opcja Walkaround Obstacles [Obchodzenie przeszkód]) przyjmowały one taki sam kształt przy jednoczesnym przestrzeganiu reguły dotyczącej minimalnych odstępów. W przypadku małej grupy ścieżek ta metoda pozwala na szybkie trasowanie przy zachowaniu zgodności z regułami projektowymi. Na ilustracji 1 widać przykłady ukazujące różnorodność dostępnych opcji wytyczania ścieżek poprzez przesuwanie. 

Ilustracja 1. Projektowanie układów PCB – przesuwanie ścieżek w grupie. U góry po lewej stronie widać szybkie poprowadzenie zgrubne, a reszta to przykłady różnych opcji aranżowania ścieżek przez przesuwanie. 

Gdy przesunie się ścieżkę w pobliże krawędzi płytki lub obszaru wycięcia, ścieżka przybiera kształt krawędzi płytki PCB, jednocześnie zachowując zdefiniowany odstęp, jak pokazano na ilustracji 2. Widzę bezsporne korzyści takiego rozwiązania przy projektowaniu elektroniki drukowanej lub strukturalnej. W takich przypadkach obszar płytki nigdy nie jest prostokątny, ale z grubsza podąża za kształtem części. Korzystając z funkcji przesuwania, mogę wytyczyć prostą ścieżkę i po prostu dociągnąć ją do krawędzi obszaru płytki. To pozwala na prowadzenie ścieżek możliwie najbliżej krawędzi płytki PCB, dzięki czemu można wykorzystać cały dostępny obszar układu, a nie tylko te jego części, gdzie udało nam się wytyczyć ścieżki pod kątem 45 stopni. AD20 umożliwia sprytne przesuwanie indywidualnych lub zgrupowanych ścieżek, co jest bardzo przydatną funkcją, gdy trzeba upakować ścieżki na optymalnym, a może nawet minimalnym obszarze. Zalety tej funkcji są szczególnie widoczne w przypadku płytek o zaokrąglonych krawędziach. 

Ilustracja 2. Przesunięcie ścieżek w kierunku krawędzi płytki obwodu drukowanego. Pierwsza ilustracja przedstawia tradycyjne podejście. Druga ilustracja pokazuje przypadek przesunięcia ścieżek do zaokrąglonej krawędzi płytki.

Funkcja prowadzenia ścieżek pod dowolnym kątem wyszukuje najkrótsze niezbędne połączenie między dwoma punktami. Ilustracja 3 poniżej pokazuje przykład ścieżki poprowadzonej przy zachowaniu kąta 45 stopni oraz zarys ścieżki proponowanej przez funkcję prowadzenia ścieżek pod dowolnym kątem. Jak widać, ścieżka inteligentnie zmienia kąty, aby ominąć przelotki. Tak samo dzieje się w przypadku wszelkich innych przeszkód, jak ścieżki czy podzespoły, przy zachowaniu płynnego trasowania. Poprowadziłem wiele ścieżek pod dowolnym kątem i za każdym razem udawało mi się znaleźć najkrótszy przebieg ścieżki, nawet w bardzo wymagających sytuacjach, gdy występowało wiele przeszkód o różnych rozmiarach i kształtach. Tak zrodziła się moja nowa metoda trasowania: zasada minimalnej długości ścieżki.

Ilustracja 3. Możliwości programu do projektowania układów. Minimalna długość ścieżki dzięki funkcji prowadzenia ścieżek pod dowolnym kątem

Zasada projektowania układów PCB przy zachowaniu minimalnych długości ścieżek może zapewnić kilka korzyści. Jednym z przykładów jest projektowanie czujników pojemnościowych. Tego rodzaju czujniki mierzą bardzo małe pojemności, nawet poniżej jednego pikofarada. Ze względu na to istotne jest zaprojektowanie ścieżek o minimalnej pojemności pasożytniczej. Każda ścieżka na płytce ma pojemność (a także indukcyjność) pasożytniczą, która zależy zarówno od projektu stosu, jak i długości ścieżki. Wartość pojemności dla określonej długości można szybko uzyskać z profilu impedancji w menedżerze stosu warstw. Całkowita pojemność stanowi wtedy iloczyn długości ścieżki oraz pojemności na długość. Minimalizowanie pojemności ścieżki wymaga zminimalizowania długości ścieżki. 

Innym przykładem są sytuacje, gdy szybkie czasy narastania powodują problemy z integralnością sygnału. Przy topologii trasowania z zachowaniem kąta 45 stopni ścieżka może być na tyle długa, aby powodować problemy, jednak wyprostowanie linii dzięki funkcji prowadzenia ścieżek pod dowolnym kątem może skrócić długość ścieżki poniżej wartości krytycznej. Nie twierdzę, że prowadzenie ścieżek pod dowolnym kątem rozwiązuje wszystkie problemy, ponieważ nadal trzeba zaprojektować obciążenie zakończeniowe, jeśli mimo skrócenia ścieżki czas narastania jest zbyt szybki. Funkcja prowadzenia ścieżek pod dowolnym kątem to narzędzie pozwalające znaleźć minimalną długość ścieżki. Może się zatem okazać pomocne lub nie. Po skróceniu ścieżki nadal trzeba ustalić, czy jest potrzebne obciążenie zakończeniowe, czy nie.

W elektronice drukowanej minimalna długość ścieżki minimalizuje jej rezystancję. W tego rodzaju zastosowaniach skrócenie ścieżki zawsze jest korzystne, ponieważ rezystancja przewodzącego tuszu drukowanych ścieżek zawsze odgrywa istotną rolę. Każdy om, o jaki można zmniejszyć rezystancję ścieżki, jest wart zachodu.

Prowadzenie ścieżek pod dowolnym kątem to doskonały wybór dla zatłoczonych obszarów płytki. Prowadzenie ścieżek pod kątem 45 stopni prowadziło do zatorów w warunkach „zagęszczenia”, ale funkcja prowadzenia ścieżek pod dowolnym kątem z łatwością radzi sobie w takich sytuacjach. Problemy związane z zatłoczonymi obszarami o dużej liczbie przelotek, podzespołów, ograniczeń czy innych przeszkód na niewielkiej przestrzeni, najłatwiej rozwiązać za pomocą funkcji prowadzenia ścieżek pod dowolnym kątem. Zamiast blokować się wskutek braku możliwości znalezienia kąta 45 stopni dla ścieżki, funkcja prowadzenia ścieżek pod dowolnym kątem znajduje najdogodniejszy kąt dla ścieżki i pozwala ominąć przeszkody przy zachowaniu reguły dotyczącej odstępów. Prowadzenie ścieżek pod dowolnym kątem pozwala „obejmować” przeszkody z zachowaniem minimalnych odstępów przez ścieżki o dowolnym kształcie. Stosowny przykład widać na ilustracji 4.

Ilustracja 4. Możliwości programu do projektowania układów PCB. Prowadzenie ścieżki pod dowolnym kątem w zatłoczonym obszarze. 

Podczas projektowania układu PCB, musimy również wziąć pod uwagę przesłuchy. Jedną z przyczyn przesłuchów są zbyt małe odstępy między ścieżkami w porównaniu do grubości dielektryka między ścieżką a płaszczyzną odniesienia. Korzystając z funkcji prowadzenia ścieżek pod dowolnym kątem, zauważyłem, że ścieżki bardzo rzadko przesuwają się równolegle z zachowaniem dopuszczalnych odstępów. Zamiast tego ścieżki rozchodzą się w nieco innych kierunkach, ponieważ nieczęsto najkrótsze odcinki między dwoma zestawami punktów prowadzą dokładnie w tym samym kierunku, co pokazano na ilustracji 5. Z tego powodu w wielu przypadkach odstępy między ścieżkami były większe niż minimalne dopuszczalne, co oznacza mniejsze przesłuchy. A przy korzystaniu z funkcji prowadzenia ścieżek pod dowolnym kątem był to efekt uboczny. Można by powiedzieć, że układ nie jest piękny, ale w końcu czy musi taki być, jeśli po prostu działa lepiej?

Ilustracja 5. Różne podejścia do projektowania układów PCB. Ten sam projekt przy zachowaniu kątów 45 stopni oraz przy prowadzeniu ścieżek pod dowolnym kątem

Po zakończeniu projektu doszedłem do wniosku, że funkcje przesuwania i prowadzenia ścieżek pod dowolnym kątem zapewniają następujące korzyści:

1. Przesuwanie umożliwia szybkie grupowanie ścieżek. Bez względu na kąt grupowanie odbywa się płynnie i z zachowaniem reguł dotyczących odstępów.
2. Dzięki funkcji przesuwania można wykorzystać cały dostępny obszar płytki lub układu drukowanego, co jest szczególnie cenne, gdy obszar rozmieszczania elementów jest zaokrąglony.
3. Funkcja prowadzenia ścieżek pod dowolnym kątem wyszukuje najkrótszy możliwy przebieg ścieżki. Dzięki temu można stosować zasadę projektowania najkrótszych ścieżek, co minimalizuje wartości pojemności, indukcyjności i rezystancji pasożytniczych w elektronice drukowanej.
4. Prowadzenie ścieżek pod dowolnym kątem zapewnia ogromne korzyści w przypadku zatłoczonych obszarów płytki. Zdecydowanie przyspiesza proces trasowania, dając większą swobodę w wyborze kierunku.
5. Stosując zasadę minimalnych długości ścieżek w połączeniu z prowadzeniem ścieżek pod dowolnym kątem, „przypadkowo” zmniejszamy przesłuchy, ponieważ najprawdopodobniej nie uzyskamy równoległych ścieżek z minimalnymi odstępami.

Funkcje przesuwania i prowadzenia ścieżek pod dowolnym kątem zmieniły moje metody trasowania ścieżek na płytkach PCB i w układach drukowanych. Te funkcje udostępniają nowe opcje prowadzenia ścieżek, a także przyspieszają i ułatwiają ten proces. Ponadto mogą również stworzyć nowe możliwości wdrożenia innych zasad prowadzenia ścieżek, jak np. minimalna długość ścieżek. Rozpoczynając projekt, miałem duże oczekiwania, a po skorzystaniu z tych funkcji widzę, że będą one niezwykle przydatne przy realizowaniu każdego zadania projektowego.

Masz więcej pytań? Porozmawiaj z ekspertem Altium lub zapoznaj się z naszymi przyjaznymi samouczkami projektowania płytek PCB, aby lepiej zrozumieć zaawansowane funkcje programu do projektowania układów w miarę zgłębiania tajników projektowania PCB.