Про преимущества гибкой топологической трассировки написано немало [1], однако недоверие отечественных разработчиков к отечественной САПР рассеивается довольно медленно. Объяснить это только необычным видом топологии проводников не получается, ведь лет сорок назад все печатные платы имели схожий вид, например, одноплатный компьютер KIM-1, разработанный и выпущенный в 1975 году компанией MOS Technology, Inc. (см. рис. 1а), и радиоприёмник Yamaha CR-1040, произведённый в 1980 г. (см. рис. 1б), и это никого не смущало.
Сегодня на рынке представлены в основном иностранные САПР. Отечественный же программный продукт, ориентированный на российского разработчика, только набирает популярность.
В таблицах 1 и 2 приведены результаты трассировки двух тестовых примеров (Bench36 и Board3) в четырёх различных программах – Expedition, PADs компании Mentor Graphics, Specctra компании Cadence и TopoR компании Эремекс. Bench36 – тестовый пример от компании Mentor Graphics, Board3 – от компании Altium Designer. В таблице 3 представлены характеристики обоих тестовых примеров.
В обоих примерах варианты разводки САПР TopoR имеют заметное преимущество, как по суммарной длине соединений, так и по числу межслойных переходов.
Ещё одним важным показателем качества топологии печатной платы является уровень перекрёстных электромагнитных помех. Интуитивно понятно, что снижение суммарной длины проводников, а также числа параллельных участков трасс должно приводить к снижению уровня паразитных взаимодействий и, следовательно, давать преимущества трассировке в произвольных направлениях.
Величина перекрёстной связи между парой параллельных проводников пропорциональна их взаимной протяжённости и обратно пропорциональна S2 и H2, где S – зазор между проводниками, а H – расстояние до ближайшего опорного слоя [2, 3].
Если проводники не параллельны, то зазор между проводниками быстро увеличивается с удалением от места максимального сближения проводников, и значение помехи определяется значениями минимального расстояния между проводниками и тангенса угла между ними [1].
Трассировка под произвольным углом хотя и не гарантирует полного отсутствия параллельных участков, тем не менее, способствует снижению уровня перекрёстных электромагнитных помех по сравнению с трассировкой, ограниченной несколькими преимущественными направлениями, поскольку в среднем суммарная протяжённость параллельных участков проводников на плате будет существенно меньшей.
В таблицах 4 и 5 приведены результаты экспресс-анализа (QUICK ANALYSIS) уровня перекрёстных электромагнитных помех, полученные в программе HyperLynx v8.1.1 для представленных в таблицах 1 и 2 вариантов топологии.
Расчёт для варианта топологии примера Bench36, полученного в программе Specctra, не проводился, поскольку были разведены не все трассы, а потому сравнение вариантов не вполне корректно.
Видно, что уровень максимальной помехи в вариантах трассировки под произвольным углом (TopoR 6.1) существенно ниже (в таблице 4 – в 2,5 раза, в таблице 5 – в 10 раз). Кроме того, отметим существенное уменьшение числа цепей с суммарной наводкой, превышающей заданное пороговое значение (100, 150 и 300 мв).
QUICK ANALYSIS позиционируется как предварительный (оценочный) анализ, по результатам которого для отдельных цепей с критической оценкой уровня помех проводится детальное моделирование. Детальное моделирование весьма ресурсоёмко, поэтому число цепей, для которых это моделирование целесообразно проводить, является важным параметром. Кроме того, если превышение допустимого уровня установлено, требуется коррекция топологии в целях снижения уровня наводки. Далеко не всегда это можно обеспечить только увеличением зазоров между «цепью-жертвой» и «цепями-агрессорами». В ряде случаев потребуется перекладка проводников и многочисленные итерации редактирования топологии и моделирования.
Как видно из таблиц 4 и 5, топологическая трассировка в произвольных направлениях (TopoR) обеспечивает не только «среднюю температуру по больнице»: например, для платы Board3 экспресс-анализ демонстрирует нецелесообразность детального моделирования (нет цепей с уровнем помехи, превышающим 10% от напряжения питания). И, если хочется перестраховаться, то можно провести моделирование только для двух цепей – с уровнем помехи, превышающим 5% от напряжения питания.
Почему же значительная часть конструкторов печатных плат не используют автоматическую трассировку?
Чарльз Пфейл, технический директор компании Mentor Graphics, приводит следующие причины [4]:
- Сложность (невозможность) контроля топологических решений.
- Низкое качество результатов (завышенные длина проводников и число межслойных переходов).
- Слишком высокая сложность ручной доводки полученных автоматически вариантов топологии.
- Невозможность автоматической трассировки экстремально плотных плат.
В случае использования гибкой топологической трассировки актуальным остаётся только первый пункт, поскольку:
- по минимизации суммарной длины проводников и числа межслойных переходов конструктору средней квалификации трудно тягаться с САПР TopoR;
- автоматический расчёт формы проводников, автоматическая подвижка, автоматическая прокладка отдельного проводника и ряд других процедур делают редактирование проводников весьма быстрым и эффективным;
- именно на экстремально плотных платах свойства гибкости и топологичности трассировки оказывают решающее влияние.
Что касается сложности или даже невозможности контроля топологических решений, то совсем не обязательно сразу запускать автоматическую трассировку всех цепей. Можно трассировать частями под контролем пользователя, разумно ограничивая буйные и не всегда понятные пользователю фантазии автотрассировщика.
В системе TopoR версии 6.1 доступна выборочная трассировка проводников, то есть такой режим автоматической трассировки, при котором поиск оптимума осуществляется только для части проводников. Для того чтобы ранее созданная разводка не была удалена, но и не мешала процессу оптимизации, рекомендуется использовать возможность гибкой фиксации проводников.
Суть гибкой фиксации в том, что она обеспечивает сохранение топологии цепи, не гарантируя при этом сохранение «геометрических» свойств разводки, например проводник между двумя контактами может быть переложен чуть выше, ниже, правее или левее.
Общий порядок работы при этом выглядит примерно так:
1) выбрать цепи для трассировки;
2) запустить трассировку;
3) после остановки трассировки отредактировать полученный результат вручную;
4) если получен приемлемый результат трассировки выбранных цепей, то установить для этих цепей флаг гибкой фиксации;
5) если необходимо, вернуться к шагу 1.
В заключение сошлёмся на результаты исследований японского специалиста Хироши Мюрата, который достаточно давно и успешно занимается трассировкой многокристальных модулей [5, 6]. В своей работе он использует топологический подход без автоматических процедур, за исключением расчёта формы проводников (см. рис. 2).
Он утверждает, что эффективность ручного редактирования только за счёт автоматического расчёта формы проводников повышается до восьми раз.
Литература
- Лузин С.Ю., Попов С.И., Попов Ю.И. Гибкая топологическая трассировка в произвольных направлениях. Особенности и преимущества. Электроника: НТБ. 2013. Вып. 1. С. 96–104.
- Джонсон Г., Грэхем М. Высокоскоростная передача цифровых данных: высший курс чёрной магии. М.: ИД Вильямс. 2005. 1024 с.
- Stephen H. Hall, Garrett W. Hall, James A. McCall High-Speed Digital System Design: A Handbook of Interconnect Theory and Design Practices. A Wiley-Interscience Publication. 2000.
- Pfeil Ch. Revolutionary new routing method. Presentation at the «PCB West 2013» Conf. Santa-Clara, CA, USA. 2013.
- H. Murata «A New Routing Design Method-ology for Multi-Chip IC Packages» 47th IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems. 2004. С. 485–488.
- http://www.gemdt.com/en/products/products01gpk_4.html
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
