Routovanie, alebo trasovanie spojov a priechodov v návrhu DPS sa často považuje za pomerne jednoduchú úlohu. Po importovaní návrhu dosky a celkovom rozmiestnení komponentov na doske sa zdá, že je pomerne jednoduché začať spájať komponenty za pomoci spojov. Toto mohla byť pravda v časoch nízkorýchlostných komponentov TTL DIP na jednoduchých doskách, dnešné požiadavky na návrh sú však oveľa zložitejšie. Na spoje na doske plošných spojov sa môžu vzťahovať veľmi špecifické konštrukčné požiadavky, ktorých cieľom je zabezpečiť integritu signálu počas routovanie.

Hoci spoje môžu mať špecifické požiadavky na routovanie, dnešné pokročilejšie funkcie routovania PCB vám môžu pomôcť nastaviť a dodržiavať pravidlá návrhu pre vaše spoje. Dôležité techniky routovania, ktoré použijete pre svoju dosku, závisia od štandardu, s ktorým pracujete, a od požadovanej topológie routovania. Ak navrhujete DPS prvýkrát a ste pripravení na fázu routovania, potom sa netrápte, ukážeme vám, ako najlepšie a hlavne správne  routovať DPS a najmä ako určiť požiadavky na routovanie, ktoré by ste mali vo svojej DPS dodržiavať.

Spustenie routovania PCB

Čo je teda routovanie DPS? Všetky PCB obsahujú medené prepojenia, ktoré vodivo spájajú jednotlivé komponenty na povrchovej vrstve alebo vo vnútorných vrstvách, známych ako spoje. To, čo sa považuje za "jednoduché" zariadenie, závisí od niekoľkých faktorov, ktoré určia vhodný návrh spojov, ktorý použijete vo svojej DPS. Niektoré z dôležitých požiadaviek na návrh spoja, ktoré nájdete v normách pre nízkorýchlostnú a vysokorýchlostnú signalizáciu, zahŕňajú:

• prúdová zaťažiteľnosť spojov, pretože dosky s vysoko záťažové dosky môžu vyžadovať veľké spoje alebo dokonca polygóny
• šírka spoja, ktorá sa má použiť v doske, čo zabezpečí vyrobiteľnosť a nizky šum konštrukcie
• akékoľvek signály s riadenou impedanciou, ktoré si vyžadujú špecifickú šírku, ktorá sa musí nastaviť na základe rozmiestnenia komponentov na doske plošných spojov
• topológia routovania, ktorá určí, ako sa jednotlivé spoje rozvetvujú a pripájajú k viacerým komponentom
• celkové straty spoja, ktoré určujú maximálnu povolenú dĺžku spoja
• povolené skreslenie v paralelných zberniciach a diferenciálnych pároch; protokoly so zdrojovo synchrónnym časovaním (SPI alebo I²C) a paralelné zbernice majú všetky špecifikácie maximálneho skreslenia

Vašou úlohou ako dizajnéra je nájsť rovnováhu vo všetkých týchto oblastiach a určiť, ktoré body z uvedeného zoznamu sú pre vaše návrhy najdôležitejšie. Napríklad vysokorýchlostné návrhy sa spoliehajú na kontrolovanú impedanciu s diferenciálnymi pármi, zatiaľ čo vysokoprúdové návrhy jednosmerného prúdu potrebujú široké spoje, ktoré nemusia mať svoju špecifickú impedanciu.

Na začiatok sa preto pozrime na niektoré požiadavky na routovanie pre jednoduchšie dosky a  potom sa pozrieme na pokročilejšie návrhy.

Jednoduché routovanie spoja na PCB

Ak váš návrh nepracuje pri vysokých rýchlostiach, nie je prehustený komponentami tak, aby vznikali problémy zo šumom, a vaše spoje prenášajú iba malé napäťové úrovne, potom si zvyčajne môžete vybrať šírku spoja, ktorá sa ľahko prispôsobí vývodom vašich komponentov. V týchto konštrukciách sa môžu používať spoje so šírkou od 1 do 5 milimetrov, pretože budú dostatočne malé na to, aby sa dali viesť priamo do spájkovcích bodov na väčšine komponentov. Základný príklad s operačným zosilňovačom je uvedený nižšie, kde sú spoje vedené medzi nízkorýchlostným integrovaným obvodom, niektorými rezistormi a kondenzátormi.

Jednoduchšie konštrukcie, ako je táto, sa vo všeobecnosti nezaoberajú impedanciou, štandardnými topológiami routovania alebo vysokým prúdom. Len veľmi málo moderných návrhov je však tak jednoduchých, aby si nevyžadovali určitú úroveň návrhu spoja alebo určenie pravidiel routovania.

Pravidlá routovania pre moderné PCB

Dnešné dosky, dokonca aj tie, ktoré používajú len jednoduchý MCU a zopár jednoduchých komponentov, si vyžadujú určitú úroveň návrhu spojov a pravidiel routovania, aby sa zabezpečila konštantná integrita signálu. Konštruktéri si preto musia určiť požiadavky na geometriu spojov pre svoje zapojenia, aby sa zabezpečila spoľahlivosť a integrita signálu.

1. Prúdové požiadavky v danom spoji; routovanie vo výkonových obvodoch v doske plošných spojov ktoré môže prenášať vysoké prúdy.
2. Ak bude prúd veľmi nízky (menej ako 1 A), určte, či je potrebná kontrola impedancie, vyhľadaním v technických listoch daných komponentov.
3. Ak je potrebná kontrola impedancie, vypočítajte šírku stopy potrebnú na dosiahnutie optimálnej impedancie. Ak sú potrebné diferenciálne páry, vypočítajte aj potrebnú vzdialenosť medzi spojmi.

Ak je potrebná kontrola impedancie, je pravdepodobné, že sa bude realizovať topológia routovania s jednosmernými alebo diferenciálnymi pármi. Nezabudnite skontrolovať svoje normy ohľadom prenášných signálov, aby ste určili optimálne požiadavky pre routovanie, ktoré budú zahŕňať veci ako rozpočet na straty (určuje celkovú dĺžku), požiadavky na impedanciu a povolené dĺžkové nesúlady v diferenciálnych pároch alebo v paralelnej zbernici.

Po určení všetkých požiadaviek na routovanie v doske môžete nastaviť pravidlá návrhu pre konkrétne požiadavky v návrhu. To zahŕňa nastavenie minimálnej alebo maximálnej šírky spoja v pravidlách návrhu a vaše routovacie nástroje použijú tieto špecifikácie na nastavenie šírky spoja pri routovaní spojov.

Impedancia a topológia routovania

Ak potrebujete v usporiadaní dosky plošných spojov kontrolovať impedanciu, musíte ju určiť pomocou jednej z niekoľkých metód. Existujú vzorce, ktoré môžete použiť na určenie impedancie vo svojom návrhu, alebo môžete použiť špecializovanejšie aplikácie na výpočet impedancie, ktorú potrebujete dosiahnúť vo svojom návrhu. Impedancia jednosmerného a diferenciálneho páru bude mať definovanú geometriu, ktorá je potrebná na zabezpečenie splnenia cieľov impedancie.

Najrýchlejší spôsob určenia impedancie je v softvéri na navrhovanie DPS, ktorý obsahuje zabudovaný nástroj na jej prepočet. Nie všetky aplikácie na návrh DPS obsahujú tento typ nástroja a tie, ktoré ho obsahujú, poskytujú výsledky s rôznou úrovňou presnosti. Najlepšie aplikácie na navrhovanie DPS obsahujú nástroje na prepočet elektromagnetického poľa, ktorý automaticky vypočíta požadovanú geometriu spoja. Tieto nástroje vezmú informácie o dielektrickej konštante a drsnosti medi no vašej DPS a použijú ich na výpočet šírky stopy a vzdialenosti diferenčných párov potrebných na dosiahnutie cieľovej impedancie.

Správca vrstiev v aplikácii Altium Designer obsahuje nástroj na prepočet elektromagnetického poľa od spoločnosti Simberian, ktorý poskytuje veľmi presné výpočty impedancie pri požadovanej frekvencii.

Topológie smerovania spojov definujú, ako sú spoje routované medzi vstupmi a výstupmi komponentov, ako aj to, ako sa spoje navzájom rozvetvujú, aby dosiahli viacero komponentov. Napríklad pri routovaní DDR pamätí sa používa topológia fly-by, kde sa jedna zbernica rozvetvuje, aby dosiahla viacero komponentov v návrhu. V inom príklade SPI používa podobnú topológiu zbernice, ale s ukončením použitým v bodoch zaťaženia na zbernici. Iné komponenty môžu používať topológiu point-point na dosiahnutie viacerých komponentov, čo je najbežnejšie, keď návrh vyžaduje, aby jeden komponent komunikoval s viacerými záťažami cez jedno rozhranie IO. Uistite sa, že rozumiete topológii routovania potrebnej vo vašich štandardoch, ako aj tomu, či tieto spoje vyžadujú riadenie impedancie.

Čo je routovanie PCB?

Spoje v rozložení PCB sa routujú jednoduchým ukazovaním a klikaním na miesta na doske. Po ceste sa medené spoje upevnia na požadovanom mieste, kde používateľ klikne myšou, a nakoniec sa roztiahnu cez rozloženie na požadované miesto. Nástroje na routovanie v aplikácii editora DPS môžu automaticky otáčať rohy (zvyčajne pod uhlom 45°), keď routujete spoje v návrhu, a môžu umiestňovať priechody, keď presúvate spoje medzi komponentmi v DPS.

Predtým, ako začnete routovať spoje, venujte nejaký čas vypracovaniu stratégie pre rôzne spoje, aby ste sa uistili, že nebudete nadmerne využívať priechody alebo nebudete musieť pridávať ďalšie vrstvy na riešenie prepojov dosky. Vaša stratégia routovania PCB bude závisieť od rozloženia PCB; ak sa v rozložení PCB križuje príliš veľa sietí, budete mať ťažšie routovanie spojov bez nadmerných prechodov vrstiev. Niekedy budete musieť začať najprv s najjednoduchšími spojmi, pretože tie vám pomôžu určiť, ktoré trasy vyžadujú viac času a úsilia na úplné routovanie v rozložení PCB.

Niektoré spoje môžu byť veľmi zložité, ako napríklad pri tomto BGA. Tento spoj prechádza dvoma priechodmi a nakoniec končí na povrchovej vrstve.

Medzi dôležité skutočnosti pre routovanie PCB, ktoré by ste mali zvážiť, patria:

• Snažte sa udržať riadené impedančné spoje pre dané rozhranie a protokol na rovnakej vrstve
• Minimalizujte prechody cez vysokorýchlostné protokoly a RF stopy
• Dávajte pozor, aby ste trasy neviedli cez rozštiepenia v rovinách, a sledujte spätnú cestu v doske plošných spojov; najlepší spôsob, ako to urobiť, je použiť jednotné oblasti uzemnenia
• Snažte sa, aby boli spoje krátke a priame, nerobte spoje dlhšie, ako je potrebné
• Pri routovaní vysokého prúdu sa nebojte používať polygóny na vytvorenie väčších vodičov; tie sa dajú použiť na vytvorenie vodiča akéhokoľvek tvaru

Integrita signálu je jednou z oblastí, ktorá úzko súvisí s návrhom a routovaním DPS. Usporiadanie vrstiev roviny/GND/PWR vzhľadom na signálové vrstvy a routovanie je hlavným určujúcim faktorom integrity signálu a routovanie cez celé úseky GND je najlepším spôsobom, ako zabezpečiť, aby si váš návrh zachoval integritu signálu a odolnosť voči EMI (externý RF šum, šum napájania atď.). Tento jednoduchý návod a pravidlá smerovania uvedené vyššie pomôžu predísť mnohým problémom s integritou signálu alebo ich obmedziť a pomôžu zabezpečiť, aby vaša doska bola po zostavení aj funkčná.

Najpokročilejšie nástroje na routovanie, ktoré vám pomôžu dodržiavať základné pokyny pre routovanie PCB, sú interaktívne. Inými slovami, tieto nástroje sú poloautomatizované a umožňujú vám definovať trasy pre skupinu signálov a nástroje na routovanie umiestnia spoja tak, aby automaticky dodržiavali vaše pravidlá návrhu. Pri tomto type routovania sa pravidlá návrhu pre vaše siete a skupiny sietí kontrolujú automaticky počas vytvárania rozloženia PCB. Mnohé freewarové a open source návrhové programy vás nútia robiť všetko ručne, ale pokročilé programy na návrh DPS, ako je Altium Designer, vám môžu pomôcť zostať produktívni pri práci na dokončení rozloženia DPS a routovaní spojov po doske.

Interaktívne funkcie routovania programu Altium Designer poskytujú inteligentné poloautomatické routovanie DPS, ktoré sa riadi pravidlami návrhu a základnými požiadavkami na routovanie.

Routovanie DPS je oveľa jednoduchšie, keď používate kompletnú sadu nástrojov na návrh DPS v aplikácii Altium Designer®. Integrovaný engine pravidiel návrhu v aplikácii Altium Designer automaticky kontroluje vaše routovanie pri umiestňovaní spojov, čo vám umožňuje odhaliť a odstrániť chyby ešte pred dokončením dosky. Každý používateľ nástroja Altium Designer má tiež prístup k vyhradenému pracovnému priestoru v cloudovej platforme Altium 365™, kde možno ukladať projekty, údaje o komponentoch, výrobné údaje a akúkoľvek inú projektovú dokumentáciu a zdieľať ju so spolupracovníkmi.

Zdroj : Altium.com