Tùy chỉnh các Quy tắc Thiết kế Điện dựa trên Hiệu suất trong Altium Designer

Xác định các quy tắc thiết kế điện tử chính xác trong phần mềm ECAD của bạn là điều cần thiết cho việc thiết kế điện tử hiệu quả. Các quy tắc thiết kế PCB được xác định một cách chính xác đảm bảo rằng thiết kế có thể được sản xuất với hiệu suất cao và các thành phần có thể được lắp ráp. Nhiều quy tắc thiết kế điện tử đến từ các nhà sản xuất PCB và tiêu chuẩn IPC, nhưng quy tắc thiết kế điện tử vượt ra ngoài việc sản xuất và lắp ráp. PCB cũng yêu cầu thiết kế điện tử tính đến hành vi điện của tín hiệu. Các đường mạch quan trọng có thể yêu cầu một số quy tắc thiết kế điện tử tùy chỉnh để đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu và nguồn điện, cũng như khả năng sản xuất.

Ví dụ, một PCB có thể có một quy tắc thiết kế điện tử nơi hầu hết các đường dẫn có yêu cầu khoảng cách chung dựa trên sự tính toán cho phép nhiễu chéo có thể chấp nhận được. Điều này cũng có thể bao gồm một nhóm các đường mạch khác cực kỳ nhạy cảm với mọi loại nhiễu và do đó yêu cầu sự chú ý đặc biệt liên quan đến nhiễu chéo và sự kết hợp nhiễu. Đối với những đường mạch nhạy cảm với nhiễu này, chúng ta cần khoảng cách rộng hơn - một quy tắc thiết kế khác - thay vì quy tắc thiết kế khoảng cách chung. Để đảm bảo kiểm tra quy tắc thiết kế (DRC) phân tích chính xác khu vực quan trọng này của PCB, chúng ta cần có các quy tắc thiết kế điện tử dựa trên hiệu suất độc đáo cho những đường mạch nhạy cảm này.

Altium Designer® có các tùy chọn để định nghĩa các quy tắc thiết kế tùy chỉnh cho các đường dẫn cụ thể. Trong bài viết này, tôi mô tả một trong những phương pháp của mình để định nghĩa các quy tắc thiết kế dựa trên chức năng Class của Altium Designer. Tôi đi qua một quy trình từng bước để gán các đường dẫn vào một lớp và cách thiết lập các quy tắc thiết kế cho lớp đã tạo.

Tùy chỉnh Quy Tắc Thiết Kế Điện trong Altium Designer

Quy tắc thiết kế điện được định nghĩa tốt nhất khi thiết kế sơ đồ. Từ sơ đồ, bạn có thể xác định được những mạch nào mang tín hiệu quan trọng và yêu cầu các quy tắc thiết kế điện cụ thể. Điều này có thể là tín hiệu tốc độ cao, tín hiệu yêu cầu trở kháng kiểm soát, tín hiệu yêu cầu khoảng cách đặc biệt so với các mạch khác, hoặc thậm chí là các linh kiện yêu cầu khoảng cách nhất định. Trong nhiều thiết kế cảm biến dung lượng của tôi, tôi cần hai quy tắc khoảng cách khác nhau cho tín hiệu cảm biến: một cho điện cực cảm biến, và một cho các đường dẫn được định tuyến đến cảm biến.

Ví dụ: Thiết lập Khoảng Cách

Bất kể loại tín hiệu và quy tắc thiết kế điện nào mà nó đòi hỏi, quy tắc thiết kế dễ dàng được tổ chức nhất bằng cách tạo một lớp riêng biệt cho các tín hiệu yêu cầu cùng một quy tắc thiết kế. Nếu bạn có nhiều nhóm tín hiệu, mỗi nhóm yêu cầu lớp của riêng mình. Các Lớp Mạng có thể được tạo trong Altium Designer bằng cách chọn Bộ Tham Số Chỉ Đạo Đặt. Bây giờ bạn có thể đặt chỉ thị này cho các tín hiệu, nhưng trước khi đặt nó ở bất cứ đâu, nhấn phím tab, điều này mở cửa sổ Thuộc tính. Trong cửa sổ đó, bạn có thể định nghĩa một nhãn cho lớp cụ thể này, mà bạn chỉ thấy trong sơ đồ. Để tạo lớp, chọn từ phần dưới của cửa sổ Thuộc tính, nhấp vào Thêm, và từ đó nhấp vào Lớp Mạng như được hiển thị trong hình dưới đây.

Tiếp theo, trong cửa sổ Tham số, nhập một tên duy nhất cho lớp mới này cung cấp một mô tả tốt. Tên này sẽ được thấy sau này khi tạo quy tắc thiết kế điện liên quan đến lớp này, vì vậy đáng giá sử dụng một tên giúp bạn nhận diện nó.

Bây giờ bạn có thể đặt chỉ thị quyết định này cho tất cả các tín hiệu yêu cầu quy tắc thiết kế cụ thể. Các tín hiệu được phân loại được đánh dấu bằng một vòng tròn đỏ với nhãn bạn đã xác định trước đó.

Sau khi cập nhật sơ đồ vào bố trí, các mạch trong bố trí có cùng phân loại như đã được thực hiện trong sơ đồ. Tất cả các quy tắc thiết kế vật lý và điện được định nghĩa trong hộp thoại PCB Rules and Constraints Editor. Tại đây, chúng ta chọn quy tắc mà chúng ta muốn định nghĩa, và như một ví dụ, chúng ta chọn quy tắc Khoảng cách điện. Chúng ta tạo quy tắc mới và đặt cho nó một tên phù hợp. Trong trường hợp đối tượng khớp với lĩnh vực, chúng ta chọn Lớp Mạch, và chúng ta chọn từ danh sách các lớp, cái mà chúng ta đã định nghĩa trong sơ đồ.

Cửa sổ trên cho thấy, đối với lớp cụ thể này, có một quy tắc khoảng cách chỉ áp dụng cho lớp đã chọn, và bây giờ chúng ta có thể thiết lập quy tắc khoảng cách giữa các mạch trong lớp này và tất cả các quy tắc thiết kế khác. Trong trường hợp này, chúng ta thiết lập khoảng cách 1 mm so với các đường dẫn khác, và chúng ta chọn "Tất cả" trong trường "Nơi Đối Tượng Thứ Hai Khớp". Điều này xác định khoảng cách từ các đường dẫn của lớp tín hiệu Nhạy cảm phải ít nhất 1 mm so với tất cả các tính năng khác trong bố trí này.

Lý do cho quy tắc thiết kế cụ thể này có thể là để tính đến khả năng sản xuất, hoặc có thể là để tính đến hành vi điện tử. Quy tắc thiết kế nên cố gắng cân bằng cả hai. Các nhà sản xuất PCB hiện đại có thể chế tạo các kích thước đặc điểm nhỏ hơn nhiều so với 1 mm như một khả năng tiêu chuẩn, vì vậy quy tắc thiết kế điện tử trong trường hợp này hoàn toàn là để đảm bảo rằng các tín hiệu trên các mạng này nhận được ít nhiễu nhất có thể thông qua crosstalk.

Tiếp theo, tôi xác định một quy tắc khoảng cách thứ hai cho cùng một tín hiệu Nhạy cảm, nghĩa là khoảng cách tối thiểu cho phép giữa các tín hiệu thuộc về lớp mạng cụ thể này. Tôi tạo một quy tắc thiết kế thứ hai và đặt cho nó một tên khác, tín hiệu Nhạy cảm int. Tôi xác định "Nơi Đối Tượng Đầu Tiên Khớp" theo cùng một cách như với quy tắc đầu tiên, sau đó tôi chọn "Lớp Mạng" nhưng trong trường "Nơi Đối Tượng Thứ Hai Khớp", và từ danh sách tôi chọn lớp "tín hiệu Nhạy cảm" và đặt giá trị Ràng buộc là 0.2 mm. Điều này quy định một khoảng cách tối thiểu 0.2 mm cho các tín hiệu thuộc về lớp tín hiệu Nhạy cảm.

Thiết lập Ưu tiên

Bây giờ chúng tôi đã xác định hai quy tắc khoảng cách cho lớp tín hiệu Nhạy cảm mà chúng tôi đã định nghĩa ở phía sơ đồ. Để các quy tắc thiết kế hoạt động đúng cách, tôi cần thiết lập độ ưu tiên cho các quy tắc này. Tôi cần thiết lập độ ưu tiên sao cho Altium kiểm tra trước tiên khoảng cách giữa các tín hiệu Nhạy cảm, sau đó là khoảng cách giữa tín hiệu Nhạy cảm và các đối tượng khác, và cuối cùng là quy tắc khoảng cách chung cho các mạch khác. Thiết lập độ ưu tiên quy tắc bằng cách nhấp vào Priorities ở bên trái và dưới cùng, điều này mở ra một cửa sổ trong đó bạn có thể thay đổi độ ưu tiên của các quy tắc thiết kế.

Hình ảnh dưới đây cho thấy cách các quy tắc khoảng cách cho lớp tín hiệu Nhạy cảm quan trọng của tôi đã ảnh hưởng đến bố cục. Năm đường dẫn ở phía trên cùng thuộc về lớp tín hiệu Nhạy cảm mà tôi đã định nghĩa trong sơ đồ. Chúng ta thấy khoảng cách giữa các tín hiệu được phân loại và đa giác nền cho năm đường dẫn ở phía trên cùng, được phân loại là tín hiệu Nhạy cảm, tuân theo quy tắc khoảng cách 1 mm. Khoảng cách giữa đa giác và các tín hiệu khác tuân theo quy tắc 0.2 mm. 5 đường dẫn ở phía dưới cửa sổ không thuộc về lớp tín hiệu Nhạy cảm, vì vậy chúng tuân theo quy tắc khoảng cách chung. Khi đa giác được đổ, động cơ DRC của Altium tự động kiểm tra khu vực đổ đa giác và áp dụng tất cả các quy tắc khoảng cách liên quan cho đa giác. Lưu ý rằng quy tắc này được áp dụng ngay cả khi đa giác được định nghĩa xuyên suốt cửa sổ hiển thị dưới đây.

Tương tự, tôi có thể định nghĩa một quy tắc thiết kế chiều rộng cho tín hiệu Nhạy cảm. Tôi chọn quy tắc Chiều rộng, tạo một quy tắc mới, và giống như tôi đã làm trong quy tắc thiết kế khoảng cách, tôi xác định quy tắc chiều rộng này cho lớp tín hiệu Nhạy cảm. Bây giờ chiều rộng của những đường dẫn này phải tuân thủ chặt chẽ quy tắc 0.15 mm, và cấu hình này áp dụng quy tắc đó chỉ cho các đường dẫn thuộc về lớp tín hiệu Nhạy cảm. Tất cả các định tuyến khác tuân theo quy tắc Chiều rộng chung.

Chúng tôi nhận thấy các vi phạm quy tắc thiết kế sau khi áp dụng quy tắc này, và để xóa bỏ các vi phạm, chúng tôi phải thay đổi chiều rộng của các đường dẫn tín hiệu nhạy cảm theo quy tắc chiều rộng 0.15mm mà chúng tôi vừa tạo ra. Một lần nữa, năm đường dẫn bên dưới cùng không thuộc về các tín hiệu được phân loại, và quy tắc chiều rộng cụ thể không áp dụng cho chúng.

Giờ đây, chúng tôi đã xác định được các tín hiệu quan trọng trên phần mạch schematic, cập nhật thông tin này sang phần layout và định nghĩa các quy tắc thiết kế khoảng cách và độ rộng đặc biệt cho các tín hiệu quan trọng của chúng tôi. Phương pháp này dễ thực hiện và hiệu quả cho các trường hợp đặc biệt mà quy tắc thiết kế khác biệt so với các quy tắc chung. Đối với các đa giác, tôi không sử dụng bất kỳ phương pháp nào khác, như thêm các khu vực cắt bỏ một cách thủ công. Ngoài ra, với cách tiếp cận này, bạn có thể xác định khoảng cách độc đáo cho các thành phần được kết nối với các đường dẫn và khoảng cách độc đáo cho chính đường dẫn. Gần đây, tôi đã tham gia webinar của Altium về việc Khớp chiều dài trong các bus tốc độ cao high-speed. Trong webinar này, cùng một nguyên tắc được sử dụng để khớp chiều dài của các tín hiệu bus vi sai bằng cách xác định các đường dẫn quan trọng trên phần mạch schematic bằng cách sử dụng phân loại tương tự và sau đó xác định các quy tắc thiết kế layout. Tôi khuyên bạn nên xem webinar này để xem cách thực hiện trong thực tế và để học thêm một vài mẹo không được trình bày trong bài viết này, ngay cả khi bạn không thiết kế các bus tốc độ cao.

Kết luận

Tôi thường sử dụng cả quy tắc thiết kế dựa trên sản xuất và quy tắc thiết kế điện. Các nhà sản xuất PCB luôn có quy định về chiều rộng tối thiểu và khoảng cách tối thiểu cho tất cả các độ dày đồng có sẵn, và những quy định này đặt ra giới hạn tối thiểu cực đoan cho thiết kế. Nằm trong phạm vi sản xuất đảm bảo bạn đạt được hiệu suất sản xuất cao nhất. Tuy nhiên, để đạt được hiệu suất tốt nhất, bạn cần tuân theo vật lý của điện tử và để đảm bảo một mạch điện tử phức tạp đáp ứng được hiệu suất mục tiêu bạn cần chuyển đổi các định luật vật lý thành các quy tắc thiết kế cơ bản, như khoảng cách, chiều rộng và chiều dài. Việc tuân theo những quy tắc này có vẻ hiển nhiên, nhưng khi độ phức tạp của một PCB tăng lên, việc tuân theo những yêu cầu này một cách thủ công và bằng kiểm tra thị giác trở nên thách thức và sớm thôi, lựa chọn duy nhất là sử dụng các tính năng DRC. Bằng cách xác định các quy tắc thiết kế một cách chính xác, bạn có thể đảm bảo những quy tắc này được tuân theo ở tất cả các vị trí của một PCB.

Bạn có muốn tìm hiểu thêm về cách Altium có thể giúp bạn với thiết kế PCB tiếp theo của mình không? Hãy nói chuyện với một chuyên gia tại Altium.