Personalizando Regras de Design Elétrico Baseadas em Desempenho no Altium Designer

Determinar as regras de design elétrico corretas no seu software ECAD é essencial para um design eletrônico eficaz. Regras de design de PCB determinadas corretamente garantem que um design possa ser fabricado com alta taxa de sucesso e que os componentes possam ser montados. Muitas regras de design elétrico vêm de fabricantes de PCB e padrões IPC, mas as regras de design elétrico vão além da fabricação e montagem. PCBs também requerem um design elétrico que leve em conta o comportamento elétrico dos sinais. Trilhas críticas podem requerer várias regras de design elétrico personalizadas para garantir a integridade do sinal e da energia, bem como a fabricabilidade.

Por exemplo, um PCB pode ter uma regra de design elétrico onde a maioria das rotas tem um requisito de distância comum baseado no crosstalk permitido calculado. Isso também pode conter um grupo de outras trilhas que são extremamente sensíveis a todo tipo de ruído e, portanto, requerem atenção especial quanto ao crosstalk e acoplamento de ruído. Para estas trilhas sensíveis ao ruído, precisamos de uma distância maior—uma regra de design diferente—em vez da regra de design de distância comum. Para garantir que a verificação da regra de design (DRC) analise com precisão esta área crítica do PCB, precisamos ter regras de design elétrico únicas baseadas no desempenho para estas trilhas sensíveis.

Altium Designer® possui opções para definir regras de design personalizadas para trilhas específicas. Neste artigo, descrevo um dos meus métodos para definir regras de design baseadas na função Classe do Altium Designer. Eu passo por um fluxo de trabalho passo a passo para atribuir trilhas em uma classe e como definir regras de design para a classe criada.

Personalização de Regras de Design Elétrico no Altium Designer

As regras de design elétrico são melhor definidas durante o projeto de esquemáticos. A partir do esquemático, você pode identificar quais redes transportam sinais importantes e requerem regras de design elétrico específicas. Estas podem ser sinais de alta velocidade, sinais que requerem impedância controlada, sinais que necessitam de uma distância especial em relação a outras redes, ou até mesmo componentes que requerem certas distâncias. Em muitos dos meus designs de sensores capacitivos, preciso de duas regras de distância diferentes para os sinais dos sensores: uma para o eletrodo do sensor e outra para as trilhas sendo roteadas para o sensor.

Exemplo: Definindo Distâncias

Independentemente do tipo de sinal e da regra de design elétrico que ele requer, as regras de design são mais facilmente organizadas criando uma classe individual para sinais que requerem as mesmas regras de design. Se você tem vários grupos de sinais, cada um requer sua própria classe. Classes de Rede podem ser criadas no Altium Designer selecionando o Conjunto de Parâmetros de Diretivas de Colocação. Agora, você poderia colocar esta diretiva para sinais, mas antes de colocá-la em qualquer lugar, pressione a tecla tab, que abre a janela de Propriedades. Nessa janela, você pode definir um rótulo para esta classe em particular, que você verá apenas no esquemático. Para criar a classe, selecione na parte inferior da janela de Propriedades, clique em Adicionar, e a partir daí clique em Classe de Rede como mostrado na imagem abaixo.

Em seguida, na janela de Parâmetros, insira um nome único para esta nova classe que forneça uma boa descrição. Este mesmo nome será visto mais tarde ao criar a regra de design elétrico envolvendo esta classe, portanto, vale a pena usar um nome que ajude a identificá-la.

Agora você pode colocar esta diretiva determinada para todos os sinais que requerem regras de design específicas. Sinais classificados são marcados por um círculo vermelho com o rótulo que você determinou anteriormente.

Após atualizar o esquemático para o layout, as redes no layout têm a mesma classificação que foi feita no esquemático. Todas as regras de design físico e elétrico são definidas na caixa de diálogo PCB Rules and Constraints Editor. Aqui selecionamos a regra que queremos definir, e como exemplo, selecionamos a regra de distância elétrica. Criamos a nova regra e damos a ela um nome apropriado. No campo onde o objeto corresponde, selecionamos Classe de Rede, e escolhemos da lista das classes, aquela que definimos no esquemático.

A janela acima mostra que, para esta classe específica, existe uma regra de distância que se aplica apenas à classe selecionada, e agora podemos definir a regra de distância entre redes nesta classe e todas as outras regras de design. Neste caso, definimos uma distância de 1 mm para outras trilhas, e selecionamos "Todos" no campo "Onde o Segundo Objeto Corresponde". Isso determina que a distância das trilhas da classe de sinal Sensível deve ser de pelo menos 1 mm de todas as outras características neste layout.

A razão para esta regra de design específica pode levar em conta a fabricabilidade ou pode considerar o comportamento elétrico. As regras de design devem tentar equilibrar ambos. Fabricantes modernos de PCB podem fabricar tamanhos de recursos muito menores que 1 mm como uma capacidade padrão, então a regra de design elétrico neste caso é puramente para garantir que os sinais nessas redes recebam o mínimo de ruído possível via diafonia.

Em seguida, determino uma segunda regra de distância para os mesmos sinais sensíveis, significando a distância mínima permitida entre sinais pertencentes a esta classe de rede específica. Crio uma segunda regra de design e dou a ela um nome diferente, sinais sensíveis int. Determino o "Onde o Primeiro Objeto Corresponde" da mesma maneira que com a primeira regra, então seleciono "Classe de Rede" mas no campo "Onde o Segundo Objeto Corresponde", e da lista eu seleciono a classe "sinais sensíveis" e defino o valor de Restrições para 0,2 mm. Isso especifica uma distância mínima de 0,2 mm para sinais pertencentes à classe de sinais sensíveis.

Definindo Prioridades

Agora determinamos duas regras de distância para a classe de sinais Sensíveis que definimos no lado esquemático. Para que as regras de design funcionem corretamente, eu preciso definir prioridades para essas regras. Preciso definir as prioridades de forma que o Altium verifique primeiro a distância entre sinais Sensíveis, depois a distância entre sinais Sensíveis e outros objetos, e finalmente uma regra de distância geral para outros circuitos. Defina as prioridades das regras clicando em Prioridades à esquerda e abaixo, o que abre uma janela na qual é possível alterar as prioridades das regras de design.

A imagem abaixo mostra como essas regras de distância para minha importante classe de sinais Sensíveis afetaram o layout. As cinco trilhas superiores pertencem à classe de sinais Sensíveis que defini no esquemático. Observamos distância entre sinais classificados e polígono de terra para as cinco trilhas superiores, que são classificadas como sinais Sensíveis, seguindo a regra de distância de 1 mm. A distância entre o polígono e outros sinais segue a regra de 0,2 mm. As 5 trilhas na parte inferior da janela não fazem parte da classe de sinais Sensíveis, então elas obedecem à regra de distância comum. Quando o polígono foi preenchido, o motor de DRC do Altium verificou automaticamente a região de preenchimento do polígono e aplicou todas as regras de distância relevantes ao polígono. Note que essa regra foi aplicada mesmo que o polígono tenha sido definido por toda a janela mostrada abaixo.

Da mesma forma, posso definir uma regra de design de largura para sinais Sensíveis. Selecionei a regra de Largura, criei uma nova regra e, como fiz nas regras de design de distância, determinei essa regra de largura para a classe de sinais Sensíveis. Agora, a largura dessas trilhas deve seguir estritamente a regra de 0,15 mm, e essa configuração aplica essa regra apenas para trilhas pertencentes à classe de sinal Sensível. Todo o outro roteamento segue a regra geral de Largura.

Vemos violações das regras de design após aplicar esta regra, e para limpar as violações, devemos mudar a largura dos traços de sinal sensíveis de acordo com a regra de largura de 0,15mm que acabamos de criar. Novamente, os cinco traços inferiores não pertencem a sinais classificados, e a regra de largura específica não é válida para eles.

Agora determinamos os sinais críticos no lado esquemático, atualizamos essa informação para o lado do layout e definimos regras de design especiais de distância e largura para nossos sinais críticos. Este método é fácil de implementar e eficiente para casos especiais nos quais as regras de design diferem das regras comuns. Para polígonos, eu não uso nenhum outro método, como adicionar áreas de corte manualmente. Além disso, com essa abordagem, você pode determinar distâncias únicas para componentes conectados a trilhas e uma distância única para a própria trilha. Recentemente, participei do webinar da Altium sobre alta velocidade em barramentos, chamado Length matching. Neste webinar, o mesmo princípio foi usado para igualar o comprimento dos sinais de barramento diferencial, definindo trilhas críticas no lado esquemático usando classificação similar e, em seguida, determinando regras de design de layout. Eu recomendo que você assista a este webinar para ver como fazer as coisas na prática e aprender alguns truques a mais não apresentados neste artigo, mesmo que você não esteja projetando barramentos de alta velocidade.

Conclusão

Eu costumo usar tanto regras de design baseadas em fabricação quanto regras de design elétrico. Os fabricantes de PCB sempre têm regras mínimas de largura e distância para todas as espessuras de cobre disponíveis, e estas estabelecem os limites mínimos extremos para o design. Estar dentro da janela de fabricação garante que você obtenha o maior rendimento de fabricação. No entanto, para obter o melhor desempenho, você precisa seguir a física da eletrônica e, para garantir que um circuito elétrico complexo atenda ao desempenho alvo, você precisa converter as leis da física em regras de design básicas, como distância, largura e comprimento. Seguir estas parece evidente, mas quando a complexidade de um PCB aumenta, seguir esses requisitos manualmente e por inspeção visual torna-se desafiador e logo, a única opção é usar recursos de DRC. Ao determinar as regras de design corretamente, você pode garantir que essas regras sejam seguidas em todas as localizações de um PCB.

Gostaria de saber mais sobre como a Altium pode ajudá-lo com seu próximo design de PCB? Fale com um especialista na Altium.