Je rozdíl mezi Design Rules a Design Constraints?

V programech pro návrh desek plošných spojů se používají výrazy Design Rules a Design Constraints. Kdo není s terminologií těchto programů detailně seznámen, se může oprávněně ptát, jaký je mezi nimi rozdíl, když podle názvu znamenají oba v podstatě totéž – pravidla (Rules) a omezení či limity (Constraints) v návrhu desky.

Tyto pojmy se navzájem prolínají − návrhová pravidla představují jistá omezení v návrhu dané desky. Často se používají současně (Design Rules and Constrainsts), jindy každý zvlášť. Malý rozdíl mezi nimi je spíše historické povahy. U jednodušších programů, které využívají pouze základní návrhová pravidla, se mluví o Design Rules, zatímco v případě programů vyšší třídy, které umožňují definovat návrhová pravidla velmi podrobně, už mluvíme většinou o Design Constraints. Zatímco výraz Design Rules se pro označení návrhových pravidel používal již od začátku manuálního návrhu desek, Design Constraints se do terminologie návrhu desek přidal až později v průběhu vývoje návrhového softwaru, který je umožňuje definovat a spravovat.

Manuální návrh desek se před příchodem počítačů a softwaru prováděl na výkresu ve zvětšeném měřítku, například 4 : 1. Návrhář musel mít požadavky kladené na návrh desky v hlavě, nebo v lepším případě někde napsané na papíru. Tehdy to tak ještě šlo dělat, protože návrhových pravidel nebylo mnoho, navrhované desky byly poměrně jednoduché a návrháři bývali zkušení praktici. I tak byla ale dodatečná kontrola navržené desky časově náročným úkolem.

Mezi základní pravidla návrhu desek patřily, a dodnes patří, šířky spojů a mezer (mezi spoji, součástkami, spoji a obrysem desky atd.), velikosti pájecích plošek i jejich otvorů atd. Tato pravidla měla, až na výjimky, globální povahu, takže platila pro celou desku. K manuální kontrole návrhu desky se tenkrát používaly malé lupy se zabudovanou měrkou pro přesnější odečítání vzdáleností.

Teprve programy pro návrh desek, které se začaly hromadně používat v polovině osmdesátých let minulého století, umožnily definovat návrhová pravidla i provádět kontrolu jejich dodržování (DRC − Design Rule Check) přímo v programu, což návrhářům podstatně ulehčilo práci. Pojmy „Design Rules“ a „DRC“ se staly součástí běžné terminologie programů pro návrh desek.

Hodnoty návrhových pravidel se v programech definovaly v tabulce, která zpočátku zahrnovala jen základní a již zavedená pravidla, ale postupně se rozšiřovala jak o nové možnosti definování hodnot (například rozmezí šířek spojů – Min, Max, Recommended), tak i další pravidla − například mezera potisku od obrysu desky, pravidla pro jednotlivé vrstvy desky, spoje (nets), skupiny spojů (net class) atd. Na obr. 1 je ukázka globálních pravidel pro šířku plošných spojů a různé mezery v původním programu PADS.

Časem se ukázalo, že ani rozšířená návrhová pravidla nemohla vždy vyhovět požadavkům na elektrické, fyzické i výrobní aspekty návrhu desky. Nároky na dodržení podmínek signálové integrity či EMC si vynutily možnost definování délek plošných spojů, jejich routovací vrstvu, vzor tažení (pattern), a to jak pro jednotlivé spoje, tak i pro definované skupiny spojů. Těsná montáž zmenšujících se součástek vyžadovala zavedení podrobnějších pravidel pro výrobu s ohledem na osazování a pájení. Pravidla se tak stala velmi detailní, komplexní a začalo se jim říkat „constraints“, snad i proto, aby se odlišila od pravidel základních. Také se změnilo prostředí, ve kterém se detailní pravidla zadávají – přešlo se na tabulkové procesory, kde lze s velkým počtem různých hodnot u mnoha pravidel jednoduše manipulovat, ať už jednotlivě, či hromadně, a vyhledávat již zapsané hodnoty. Velké množství dat, které souvisí s detailním výpisem omezení v návrhu desky, zavedlo také pojmy „Constraint Management“ a „Constraint Manager“ pro správu těchto dat, aby bylo možné pravidla a omezení definovat, modifikovat a spravovat.

Teprve programy pro návrh desek umožnily, aby omezení v návrhu desky bylo možné definovat již ve schématu, odkud se přenášela do návrhu desky různým způsobem. Vývojář obvodu tak mohl při kreslení schématu zadat svoje požadavky na návrh desky, alespoň ty, které byly z jeho pohledu kritické. Návrhář desky doplnil zbývající hodnoty v souvislosti s návrhem desky.

I když zdaleka ne všechny navrhované desky jsou složité komplexní povahy, návrhová pravidla a jejich mezní hodnoty je potřeba vždy nějakým způsobem definovat. Mnohdy stačí použít předdefinované hodnoty, jindy je nutné zadat vlastní, protože jen tak je možné mít plnou kontrolu nad probíhajícím návrhem desky. V případech, kdy je potřeba udržet přeslechy, časování, impedanci a zpoždění šíření signálu na přijatelné úrovni, není jiná možnost než omezení v návrhu (constraints) řádně definovat.