برای مسیریابی PCB، ابتدا نت‌ها و حلقه‌های جریانی را که کمترین انعطاف‌پذیری را دارند شناسایی کنید، سپس پیش از تکمیل سایر اتصالات، محدودیت‌های الکتریکی و ساخت آن‌ها را تعیین کنید. هر مسیر مهم را به‌صورت یک مسیر کامل بررسی کنید: هادی، صفحه مرجع، انتقال‌های بین لایه‌ای، جریان بازگشت و اتصالات در هر دو انتها.
ترتیب مسیریابی یکسانی برای همه طرح‌ها وجود ندارد. بسته به طراحی، ممکن است یک رابط پرسرعت، حلقه سوئیچینگ مبدل یا مسیر جریان بالا اولویت داشته باشد. پرسش کلیدی این است که تغییر کدام تصمیم‌های چیدمان در مراحل بعد دشوارتر است و خطا در کدام‌یک پیامد بیشتری دارد.
تصمیم‌های مربوط به جانمایی و شماتیک نیز مسیرهای در دسترس را تعیین می‌کنند؛ برای آشنایی با این مراحل گسترده‌تر، به راهنمای طراحی PCB مراجعه کنید.
پیش از ترسیم ترک‌ها، محدودیت‌ها را تعیین کنید
هر محدودیت مسیریابی باید منبع و مسئول مشخصی داشته باشد. مستندات قطعات، الزامات رابط، تحلیل مدار و ساختار لایه‌ای موردنظر همگی در تعیین الزامات الکتریکی نقش دارند. فرایند ساخت انتخاب‌شده نیز محدودیت‌های تولیدی را مشخص می‌کند. پیش از تأیید هر قاعده چیدمان، تعارض‌ها را برطرف کنید.
با این ورودی‌ها شروع کنید:
- ساختار لایه‌ای و صفحات مرجع. لایه‌های مسی، کارکرد موردنظر هر یک و مرجع موجود برای سیگنال‌های بحرانی را مشخص کنید. تغییر لایه، محیط الکترومغناطیسی سیگنال را نیز تغییر می‌دهد و ممکن است به انتقال مسیر جریان بازگشت نیاز داشته باشد.
- الزامات سیگنال. نت‌هایی را که محدودیت امپدانس، زمان‌بندی، توپولوژی، تطبیق یا نویز دارند شناسایی کنید. به‌جای فرض اینکه همه نت‌هایی که ظاهراً سریع‌اند به یک روش یکسان نیاز دارند، از الزامات رابط و قطعات واقعی استفاده کنید.
- شرایط توان و حرارتی. مسیرهای جریان و شرایط کاری مورد انتظار آن‌ها را تعیین کنید. عرض، ضخامت مس، افزایش دما، مس اطراف و انتقال‌های بین لایه‌ای همگی بر نتیجه اثر می‌گذارند.
- نیازهای ولتاژ و ایزولاسیون. فاصله‌گذاری و سایر الزامات ایزولاسیون را بر اساس الزامات مربوط به محصول و محیط کاری تعیین کنید، نه یک قاعده عمومی مسیریابی.
- محدودیت‌های ساخت. قابلیت تحقق ویژگی‌های موردنظر ترک، فاصله، سوراخ‌کاری و مس را برای طرح پیشنهادی تأیید کنید. یک قاعده پیش‌فرض در نرم‌افزار CAD اثبات نمی‌کند که برد انتخاب‌شده را می‌توان مطابق مشخصات ساخت.
این الزامات را، حسب مورد، در ابزار چیدمان به کلاس‌های نت، نت‌های مجزا، نواحی یا قواعد مختص لایه اختصاص دهید. استثناها و دلیل آن‌ها را ثبت کنید. اگر محدودیتی هنوز موقتی است، آن را برای تعیین تکلیف علامت‌گذاری کنید و بی‌آنکه مشخص باشد به آن تکیه نکنید.
برای بررسی دقیق‌تر تصمیم‌های مربوط به لایه‌ها که مبنای مسیریابی هستند، به طراحی ساختار لایه‌ای PCB مراجعه کنید.
اولویت‌های مسیریابی را بر اساس ریسک‌های طراحی انتخاب کنید
بهتر است اولویت مسیریابی هم‌زمان با جانمایی تعیین شود. مسیری که به حلقه‌ای کوتاه، توپولوژی خاص یا مرجعی پیوسته نیاز دارد، ممکن است بیش از خود مسیر به محل قطعات وابسته باشد. اگر این مکان‌ها تأمین الزام را غیرعملی می‌کنند، پیش از افزودن مسیرهای انحرافی جانمایی را بازنگری کنید.
یک ترتیب عملی این است که ساختارهای دارای محدودیت را شناسایی کنید، فضا و مراجع موردنیازشان را اختصاص دهید و سپس اتصالات کم‌محدودیت‌تر را پیرامون آن‌ها مسیریابی کنید. ساختارهای دارای محدودیت ممکن است شامل موارد زیر باشند:
- حلقه‌های سوئیچینگ و جریان ورودی یک مبدل که در آن‌ها جانمایی قطعات و مساحت حلقه اهمیت دارد.
- یک لینک پرسرعت که توپولوژی، پیوستگی مرجع یا امپدانس آن مشخص شده است.
- یک مسیر جریان بالا که آرایش هادی و ویاهای آن باید با شرایط الکتریکی و حرارتی متناسب باشد.
- یک ورودی آنالوگ حساس که باید از یک منبع نویز شناسایی‌شده فاصله داشته باشد.
- مسیرهای خروجی یک کانکتور که در آن‌ها تخصیص پایه‌ها و لایه‌های موجود گزینه‌های مسیریابی را محدود می‌کنند.
این‌ها مواردی هستند که ممکن است به رسیدگی زودهنگام نیاز داشته باشند، نه یک فهرست رتبه‌بندی‌شده. برای مثال، حلقه یک مبدل ممکن است جانمایی محلی را تعیین کند، در حالی که یک رابط حافظه تعیین‌کننده ناحیه مسیریابی بزرگ‌تری باشد. هر دو ممکن است به برنامه‌ریزی زودهنگام نیاز داشته باشند، حتی اگر یکی زودتر به‌صورت فیزیکی مسیریابی شود.
موفقیت را صرفاً بر اساس کوتاه‌ترین ترک قابل مشاهده ارزیابی نکنید. ممکن است مسیر طولانی‌تر روی مرجعی پیوسته، به مسیر کوتاه‌تری که از روی یک شکاف عبور می‌کند ترجیح داشته باشد. در مقابل، یک مسیر انحرافی غیرضروری می‌تواند تأخیر، کوپلینگ یا تراکم ایجاد کند. مسیر را در برابر محدودیت‌های واقعی آن ارزیابی کنید.
ماتریس بازبینی مسیریابی
در بازبینی چیدمان، بین الزامی که بررسی شده و قاعده‌ای که صرفاً در پایگاه داده CAD وجود دارد تمایز قائل شوید.
| تصمیم مسیریابی | محدودیتی که باید تعیین شود | پرسش بازبینی | مستنداتی که باید نگهداری شوند |
|---|---|---|---|
| اولویت و جانمایی | حلقه‌های بحرانی، توپولوژی و نواحی اختصاص‌یافته به مسیریابی | آیا هر مسیر بحرانی را می‌توان بدون به خطر انداختن منبع، بار یا مرجع آن مسیریابی کرد؟ | فهرست نت‌ها، بازبینی جانمایی و مسیرهای بحرانی شناسایی‌شده |
| لایه سیگنال و مرجع | هادی مرجع موردنظر برای هر مسیر بحرانی | آیا مسیر در تمام طول خود روی مرجع پیوسته و مناسبی باقی می‌ماند، از جمله در نزدیکی کانکتورها و نواحی خالی از مس؟ | ساختار لایه‌ای و نماهای چیدمان که لایه‌های سیگنال و مرجع را نشان می‌دهند |
| انتقال بین لایه‌ها | هندسه ویای سیگنال و مسیر جریان بازگشت | جریان بازگشت چگونه بین مراجع جابه‌جا می‌شود و آیا این انتقال برای مدار مناسب است؟ | بازبینی ویا و نواحی صفحه، همراه با دلایل طراحی |
| امپدانس کنترل‌شده | مقدار هدف، تلرانس، هندسه و فرض‌های ساختار لایه‌ای | آیا هندسه پیشنهادی با لایه و مرجع مشخص‌شده مطابقت دارد؟ | الزامات امپدانس و ساختار لایه‌ای توافق‌شده یا بازخورد سازنده |
| مسیریابی توان و جریان بالا | جریان، مس، شرایط حرارتی و الزامات ولتاژ | آیا ترک‌ها، صفحات، بخش‌های باریک‌شده و ویاها برای مسیر مورد انتظار مناسب‌اند؟ | فرض‌های جریان و حرارتی، محاسبات یا بازبینی مهندسی |
| مدارهای حساس و نویزی | منابع نویز، مسیرهای کوپلینگ و نیازهای زمین‌کردن خاص قطعات | آیا جریان سوئیچینگ یا یک منبع تداخل مجاور می‌تواند مسیر حساس را مختل کند؟ | راهنمای قطعات و بازبینی چیدمان ناحیه مربوط |
| تحویل به سازنده | قواعد ساخت، فایل‌ها و الزامات پذیرش | آیا خروجی‌های منتشرشده همان بازنگری و محدودیت‌های استفاده‌شده در بازبینی را توصیف می‌کنند؟ | بررسی خروجی‌ها، مقایسه نت‌لیست و یادداشت‌های ساخت |
ماتریس تکمیل‌شده جایگزین تحلیل یا آزمون نیست. ارزش آن در آشکار کردن فرض‌ها و پرسش‌های حل‌نشده پیش از انتشار طرح است.
مسیر بازگشت را حفظ کنید
هر سیگنال بخشی از یک مدار است: جریان از منبع خارج می‌شود و از مسیری که هادی‌ها و امپدانس‌های موجود تعیین می‌کنند بازمی‌گردد. در لبه‌های سریع، جریان بازگشت تمایل دارد مسیر مرجع کم‌امپدانسی را در نزدیکی خود دنبال کند. اگر مسیری از روی شکاف یا ناپیوستگی مرجع عبور کند، جریان بازگشت ممکن است ناچار به طی کردن مسیر انحرافی شود؛ در نتیجه مساحت حلقه افزایش می‌یابد و احتمالاً کوپلینگ یا انتشار الکترومغناطیسی تشدید می‌شود.
مرجع زیر تمام طول مسیر را بررسی کنید، نه اینکه فقط لایه سیگنال را به‌تنهایی ببینید. به‌دنبال شکاف‌های صفحه، نواحی خالی از مس، برش‌ها، آنتی‌پدها و نواحی کانکتور باشید که مسیر موردنظر را قطع می‌کنند. ممکن است مسیری از بررسی فاصله‌گذاری عبور کند، اما همچنان از ناحیه‌ای با مرجع نامناسب بگذرد.
وقتی سیگنالی لایه عوض می‌کند، هر دو طرف انتقال را بررسی کنید:
- مرجع مسیر ورودی و مرجع مسیر خروجی را مشخص کنید.
- بررسی کنید که مراجع پیوسته باشند یا به شکلی به هم متصل شده باشند که از جریان بازگشت پشتیبانی کند.
- ویای سیگنال و ساختارهای مجاور را در بستر ساختار لایه‌ای و مدار بررسی کنید.
- اگر انتقال مسیر بازگشت روشن نیست، تغییر مسیر، تخصیص لایه یا آرایش صفحه را در نظر بگیرید.
ویاهای زمین در صورت مناسب بودن می‌توانند بین مراجع زمین اتصال برقرار کنند. هنگامی که مراجع به نت‌های متفاوتی تعلق دارند، انتقال مسیر بازگشت ممکن است به مدار و طراحی توزیع توان آن وابسته باشد؛ فرض نکنید که ویای زمین به‌تنهایی مسئله را حل می‌کند. راه‌حل مناسب به صفحات مرجع واقعی و الزامات قطعات بستگی دارد.
مثال فرضی: یک سیگنال سریع از لایه‌ای با مرجع صفحه زمین به لایه دیگری با مرجع یک صفحه زمین متفاوت می‌رود. ویای سیگنال بخش‌های ترک را به هم متصل می‌کند، اما به‌خودی‌خود دو صفحه مرجع را به هم وصل نمی‌کند. طراح هندسه صفحات را بررسی می‌کند و، اگر طراحی اجازه دهد، یک اتصال زمین مناسب در نزدیکی انتقال فراهم می‌کند؛ سپس بررسی می‌کند که مسیر در محل انتقال با ناحیه خالی از مس روبه‌رو نشود. اگر لایه خروجی به‌جای آن به یک صفحه توان ارجاع داشته باشد، انتقال مسیر بازگشت به بازبینی جداگانه و متناسب با مدار نیاز دارد.
شکاف زمین به‌طور خودکار بهبود محسوب نمی‌شود و تعداد ثابتی از ویاهای اتصال‌دهنده نیز راه‌حلی همگانی نیست. راهنمای TI با عنوان High-Speed Layout Guidelines و راهنمای Analog Devices درباره چیدمان PCB سیگنال مختلط، منابع اولیه مفیدی برای درک مسیرهای بازگشت و انتخاب‌های مربوط به زمین‌کردن هستند. هرجا مستندات خاص قطعه الزامات مستقیم‌تری ارائه می‌کنند، آن‌ها را به کار ببرید.
مسیرهای توان و سیگنال‌های حساس را در بستر مدار بررسی کنید
در مسیرهای توان، عرض ترک تنها بخشی از مسئله است. کل مسیر را از میان کانکتورها، پدها، بخش‌های باریک‌شده، ویاها، صفحات و مسیرهای بازگشت بررسی کنید. یک بخش عریض، گلوگاهی را که در جای دیگری نادیده گرفته شده جبران نمی‌کند. هنگام انتخاب هندسه، جریان مورد انتظار، ضخامت مس، محیط حرارتی و هرگونه رفتار گذرای مرتبط را در نظر بگیرید.
مبدل‌های سوئیچینگ به توجه ویژه به حلقه‌های حامل جریان با تغییرات سریع نیاز دارند. جانمایی قطعات، اتصالات محلی و رابطه بین مدارهای توان و کنترل ممکن است از مرتب به نظر رسیدن یک ترک توان دورتر مهم‌تر باشند. سند TI با عنوان Layout Optimization of 4-Switch Buck-Boost Converters نشان می‌دهد که چرا چیدمان مبدل باید از رفتار کاری مدار پیروی کند، نه از یک الگوی عمومی زمین‌کردن.
برای سیگنال‌های آنالوگ حساس، پیش از وضع قواعد جداسازی، منابع احتمالی تداخل و سازوکارهای کوپلینگ را شناسایی کنید. یک گره سوئیچینگ، مسیر بازگشت جریان بالا یا مسیر دیجیتال سریع، هر یک ممکن است به شکلی متفاوت بر ورودی حساس اثر بگذارند. بررسی کنید جریان آن‌ها از کجا عبور می‌کند و آیا امپدانس مشترک، کوپلینگ خازنی یا کوپلینگ مغناطیسی محتمل است.
تصمیم‌های مربوط به زمین‌کردن را به قطعات و مسیرهای سیگنال مرتبط نگه دارید. جداسازی خودکار زمین آنالوگ و دیجیتال در نواحی قطع‌شده از یکدیگر، اگر سیگنال‌ها مجبور به عبور از مرز باشند، می‌تواند مشکلات مسیر بازگشت ایجاد کند. هرجا قطعه‌ای آرایش مشخصی برای زمین‌کردن یا جانمایی تعیین می‌کند، آن را با توجه به کل برد و مسیرهای جریان موردنظر ارزیابی کنید.
ویاها و امپدانس کنترل‌شده را تأیید کنید
ویا چیزی بیش از یک اتصال بین دو لایه مسی است. برای سیگنال بحرانی، موقعیت آن را نسبت به مسیر، صفحات مرجع و ویاهای دیگر بررسی کنید. اثر انتقال را بر مسیر سیگنال و جریان بازگشت بسنجید. برای توان، مسیر جریان و فرض‌های حرارتی را در مجموعه ویاها و همچنین در مس دو طرف آن ارزیابی کنید.
برای مسیرهای امپدانس کنترل‌شده، مقدار هدف و تلرانس را همراه با نت‌ها یا ساختارهای مربوط، لایه‌ها، ساختار لایه‌ای و فرض‌های مربوط به مرجع ارائه کنید. عرض و فاصله ترک به‌تنهایی و مستقل از هندسه و مواد اطراف، امپدانس را تعیین نمی‌کنند. مسیرهای تفاضلی نیز به توپولوژی و الزامات کوپلینگ متناسب با رابط نیاز دارند؛ تقارن ظاهری به‌تنهایی تأیید محسوب نمی‌شود.
تنظیمات امپدانس ابزار چیدمان فقط زمانی مفیدند که ورودی‌های آن‌ها با ساختار لایه‌ای ساخت موردنظر مطابقت داشته باشد. پیش از قطعی تلقی کردن هندسه، از سازنده بخواهید ساختار لایه‌ای و روش پیشنهادی کنترل امپدانس پروژه را تأیید کند. برای ملاحظات مرتبط با طراحی، به طراحی PCB با امپدانس کنترل‌شده و طراحی PCB پرسرعت مراجعه کنید.
از یک زاویه شکست ثابت یا یک ضریب عمومی برای فاصله بین ترک‌ها به‌عنوان اثبات یکپارچگی سیگنال استفاده نکنید. این انتخاب‌ها ممکن است در برخی شرایط قواعد قراردادی مفیدی برای چیدمان باشند، اما جایگزین تحلیل مسیر واقعی، کوپلینگ و الزامات رابط نمی‌شوند.
برد مسیریابی‌شده را پیش از انتشار بازبینی کنید
بررسی قواعد طراحی را بر اساس مجموعه محدودیت‌های فعلی اجرا کنید، سپس مواردی را که این بررسی‌ها نمی‌توانند تأیید کنند بازبینی کنید. DRC می‌تواند بسیاری از مشکلات هندسی و اتصالی را مشخص کند، اما به‌تنهایی رفتار جریان بازگشت، سازگاری الکترومغناطیسی یا عملکرد مدار را اعتبارسنجی نمی‌کند.
بازبینی مسیریابی باید شامل موارد زیر باشد:
- اتصال‌پذیری: چیدمان را با نت‌لیست موردنظر مقایسه کنید و اتصالات حل‌نشده یا ناخواسته را بررسی کنید.
- مسیرهای بحرانی: مسیرهای کامل را، از جمله پدها، ویاها، تغییرات مرجع و ناپیوستگی‌های مجاور، بررسی کنید.
- مسیرهای توان: ویژگی‌های حامل جریان و گلوگاه‌ها را با فرض‌های مستندشده تطبیق دهید.
- پوشش محدودیت‌ها: تأیید کنید که نت‌های بحرانی قواعد موردنظر را دارند و استثناها بازبینی شده‌اند.
- هندسه ساخت: ویژگی‌های پیشنهادی را با محدودیت‌های ساخت تأییدشده پروژه مقایسه کنید.
- سازگاری خروجی‌ها: تأیید کنید که فایل‌های ساخت، اطلاعات سوراخ‌کاری، ساختار لایه‌ای و یادداشت‌ها همگی یک بازنگری از برد را توصیف می‌کنند.
هرجا محصول به تحلیل یا آزمون نیاز دارد، آن کار را صریحاً تعریف کنید. ساخت یا مونتاژ برد معادل احراز صلاحیت یک سیستم کامل نیست. بررسی‌های سطح برد ممکن است از برنامه احراز صلاحیت پشتیبانی کنند، اما به‌تنهایی عملکرد سیستم را اثبات نمی‌کنند.
درخواست استعلام قیمت ساخت را آماده کنید
یک درخواست استعلام قیمت (RFQ) روشن به سازنده امکان می‌دهد طرحی را ارزیابی کند که واقعاً برای انتشار در نظر گرفته شده است. اطلاعات با بازنگری کنترل‌شده ارائه کنید و فرض‌هایی را که هنوز تعیین تکلیف نشده‌اند مشخص کنید:
- داده‌های ساخت مربوط به بازنگری برد، شامل اطلاعات مرتبط با لایه‌ها و خطوط پیرامونی.
- داده‌های سوراخ‌کاری و نت‌لیست برای همان بازنگری.
- ساختار لایه‌ای پیشنهادی، الزامات مس و هرگونه محدودیت مختص لایه.
- مقادیر هدف و تلرانس‌های امپدانس کنترل‌شده، همراه با ساختارها یا نت‌های مربوط، در صورت نیاز.
- تعدادهای موردنیاز.
- معیارهای پذیرش و الزامات آزمون مرتبط، از جمله هرگونه مستندات یا اقلام تحویلی موردنیاز.
بررسی کنید که فایل‌ها و یادداشت‌ها با یکدیگر مطابقت داشته باشند. برای مثال، یادداشت مربوط به امپدانس کنترل‌شده باید ساختارهای مشمول آن را مشخص کند و با ساختار لایه‌ای ارسال‌شده همراه RFQ سازگار باشد. اگر ویژگی یا الزامی موقتی است، آن را اعلام کنید و به‌جای اینکه استنباط منظور را به سازنده واگذار کنید، درخواست بازبینی آن را بدهید.
هنگام درخواست قیمت از APTPCB، از آن بخواهید امکان‌پذیری پروژه را تأیید کند و دامنه بازبینی و اقلام تحویلی خود را برای الزامات ارائه‌شده شما روشن سازد. برای گفت‌وگو درباره تحویل اطلاعات، می‌توانید از صفحه استعلام قیمت استفاده کنید یا با APTPCB تماس بگیرید.