Neobyčejný nástroj pro kontrolu navržených DPS

Kontrola desek plošných spojů je neodmyslitelnou součástí procesu návrhu desky. Proto také většina programů sleduje dodržování alespoň základních pravidel již v průběhu návrhu s pomocí běžné DRC (Design Rule Check) kontroly. I tak ovšem mohou na desce plošných spojů vzniknout problémy, které běžná DRC kontrola neodhalí. Ty mají svoji příčinu mimo rozsah možností DRC funkce, protože se týkají problémů s EMI, přenosem signálu plošným spojem, nevhodným rozvodem napájení nebo jejich kombinací.

Problém je v tom, že zmíněná DRC kontrola je zaměřena na kontrolu dodržení parametrů, jejichž vliv na návrh desky je docela dobře známý, přičemž způsobené odchylky od zadání jsou měřitelné, a proto i snadno zjistitelné – velikosti izolačních mezer, mezikruží, vzdálenosti od okraje desky, šířky a délky plošných spojů atd. Problém s vyzařováním elektromagnetického pole, přeslechy mezi spoji, neúměrné zpoždění signálu při jeho cestě plošným spojem nebo nedostatečné napájecí napětí v okamžiku rychlého spínání obvodu − to jsou problémy, které nejsou na první pohled vidět ani nejsou jednoduše zjistitelné. Deska neshoří hned po zapnutí, může i chvíli fungovat, a přesto není dobrá. Pravidla pro návrh desky s ohledem na tyto problémy nejsou exaktní, nelze je jednoduše definovat a mohou se lišit návrhu od návrhu podle povahy navrhované desky.

Většina návrhářů jenom těžko zpětně vyhodnotí, kde, kdy a jak došlo na desce plošných spojů k porušení různých doporučení pro návrh. Jedná se o problém EMC? Je způsoben nedořešenou signálovou integritou, nepřipojeným ostrůvkem měděné plochy nebo nevhodným položením spoje přes mezeru dvou měděných ploch? Nebo je problém spojený s rozdílnou impedancí spojů diferenciálního páru? Dohledání problémových míst na desce ještě před zhotovením prototypu vyžaduje použití několika různých druhů simulačních nástrojů, z nichž některé, jako například full wave elektromagnetický simulátor, jsou velmi drahé. V každém případě způsobí oprava navržené desky zdržení ve vývoji zařízení, a proto je rychlost, s jakou je možné vzniklý problém najít, kritická. Existuje tedy nástroj, který může navrženou desku zkontrolovat všestranně a s ohledem na problémy, které jdou za hranice možností běžných DRC kontrol?

HyperLynx DRC

Společnost Mentor Graphics přišla před několika lety s nápadem využít kooperace návrháře desky s algoritmem pro vyhledávání porušení obecně známých pravidel pro EMC. Tím to ale neskončilo a program vybavila i dalšími nástroji pro revizi desky z pohledu signálové (SI) a napájecí (PI) integrity, navíc byly dodány i kontroly možných svodů vysokého napětí v rámci desky. Vznikl tak velmi výkonný nástroj pro kontrolu desky, který umožňuje uživateli interaktivně vstupovat do prováděných kontrol – HyperLynx DRC (i když označení DRC je trochu zavádějící, protože se nejedná o klasický DRC).

Pravidla vznikala ve spolupráci s uživateli návrhových programů PADS a Xpedition na základě nejčastějších chyb, které byly odhaleny až po revizi prototypu. Ladění parametrů pro vyhledávání jednotlivých chyb probíhalo přibližně rok. S licencí tohoto softwaru určenou vývojářům je možné vytvářet vlastní pravidla pro vlastnoručně definované situace. Právě kombinace lidské intuice (zkušenosti z návrhářské praxe) a možnost jejího předání programu ve formě několika čísel dělá z programu HyperLynx DRC jedinečný nástroj.

HyperLynx DRC provádí rychlou verifikaci elektrického návrhu desky, a to bez ohledu na návrhový systém, ve kterém byla deska navržena. Prochází celou deskou a identifikuje možné problémy s EMI, SI a PI, případně i s možnými svody vysokého napětí na desce. Výsledky jsou prezentovány v tabulkovém formátu, kde si je může uživatel třídit podle potřeby. Uživatel může do automatizované analýzy desky vstoupit a interaktivně zasáhnout.

Zabudovaná návrhová pravidla zahrnují např.: Impedance, Differencial impedance, Differencial pairs, Decoupling capacitor, Decap order, Metal islands, Net crossing gap, Edge rate, Guard trace, Long nets, Termination check, Crosstalk coupling, Topology (Star, Fly-by, T-Fork), Signal supply, Power/ Ground width, Via stub length, Multiple vias, Safety, Creepage a Clearance Checks atd. Uživatel verze Hyperlynx DRC Developer může definovat další, vlastní kategorie pravidel.

U každé kontroly je možné specifikovat skupiny objektů, kterým se daná analýza bude věnovat. Je možné vybrat jak fyzické sítě (od pinu k pinu), tak i elektrické sítě (umožňují přerušení pasivním prvkem), součástky i jejich předem definované skupiny. Tím lze vymezit oblast použití náročnějších (obtížněji dohledatelných) pravidel a ušetřit tak čas. Nemá například velký smysl pracovat se všemi spoji na desce, když stačí sledovat ty, o kterých se domníváme, že způsobují problémy (jsou agresory), nebo jsou naopak „oběťmi”.

Na začátku každé kontroly se objeví vysvětlující text s obrázky, co daná revize zkoumá a jak vyhodnocuje výsledky. Pochopitelně, že je potřeba jistých znalostí a zkušeností uživatele k vyplnění příslušných parametrů, které jsou uvedeny dále. Na obr. 1 je vidět úvodní text kontroly Return Path (zpětná cesta proudu), protože její nevhodné provedení, například velká plocha smyčky, může způsobit zvýšené vyzařování nebo větší citlivost na okolní rušení. Přednastavené hodnoty parametrů, jak povinných, tak volitelných, je možné podle potřeby měnit. Volitelné parametry napomáhají správnému rozpoznání a odhalení závad v případě složitějších testů.

Příklady kontrol na DPS

Na obr. 2 je vidět, jak funguje analýza Net Crossing Gaps – ta najde místa, kde vybraný spoj přechází nad mezerou dvou měděných ploch. Signálové spoje vyžadují mít pod sebou nepřerušovanou měděnou plochu, aby bylo možné zajistit kontinuální cestu návratu signálu a tím zamezit riziku vyzařování typu common-mode. Když plošný spoj, který přenáší velmi rychlý signál, přechází přes mezeru dvou měděných ploch, dochází k odrazu signálu a tím i k elektromagnetické interferenci.

Analýza typu Metal Islands najde opuštěné ostrůvky měděných ploch, které nejsou nikam připojené. Takové ostrůvky mohly vzniknout náhodně tak, že je otvory v desce oddělily od hlavní plochy (viz obr. 3). Problém je v tom, že nepřipojené kusy mědi se mohou chovat jako antény a vyzařují energii.

Při této analýze je potřeba kontrolovat maximální povolený poměr délky a šířky ostrůvku, povolenou vzdálenost via otvoru od konce ostrůvku a maximální diagonální rozměr ostrůvku. Identifikované ostrůvky mědi je potřeba dodatečně připojit nebo z návrhu desky vymazat. Analýzy na diferenciálních párech jsou na obr. 4. Kontrolovat lze dodržení stejné délky obou spojů, jejich fázování a diferenciální impedance.

Protože bezpečnost elektronického zařízení je jedním z klíčových požadavků, provádí HyperLynx DRC také kontrolu možného svodu vysokého napětí na desce plošných spojů. Na rozdíl od problematické manuální kontroly je automatizovaná analýza desky v HyperLynx DRC rychlá a jednoduchá.

Závěr

HyperLynx DRC je výkonný a rychlý nástroj pro kontrolu elektrických návrhových pravidel v oboru EMI/EMC, signálové (SI) a napájecí (PI) integrity, který automatizuje verifikační proces, eliminuje přehlédnutí různých problémů spojených s návrhem desky, ušetří čas jinak nutný pro manuální inspekci a může být použit v kombinaci s jakýmkoliv návrhovým systémem desek (přes ODB++ a IPC-2581).