Обзор новых возможностей Altium Designer 15.1

В статье рассмотрены основные программные нововведения в САПР Altium Designer 15.1, без освещения возможностей дополнительных программных модулей, таких как Altium Vault, MCAD Co-Designer, поскольку столь обширный вопрос заслуживает отдельного цикла статей, предназначенного для инженеров‑проектировщиков.

Проектирование высокоскоростных интерфейсов

Современная электроника характеризуется высоким уровнем функционирования и производительности за счет применения новой электронной компонентой базы с высокой степенью интеграции и быстродействия, а также применением высокоскоростных интерфейсов обмена данными, в частности DDR3, DDR4 и другими. Рост скоростей переключения устройства обостряет проблему обеспечения целостности сигнала и соответствия требованиям его синхронизации. Целостностью сигналов можно управлять посредством контроля импеданса дорожек, который достигается с помощью выбора порядка слоев печатной платы и ширины дорожек, использованных на каждом слое.

Требования синхронизации удовлетворяются соответствием длин проложенных дорожек, по которым проходит сигнал. Для ряда 2‑контактных сигнальных проводников, тянущихся от выходного контакта до единственного входного контакта, вычисление и сравнение длин является прямым процессом. Дело обстоит не так, как со многими типичными инженерными решениями, когда на пути прохождения сигнала имеется серия элементов или есть более двух контактов в сигнале, который может быть разведен с использованием T‑образной или Fly-By-топологии трассировки.

Недостаток T‑образного подхода (также известного как согласованное дерево), где сигнал попадает на один входной проводник, который разделяется на два ответвления одинаковой длины, в том, что каждое из них приводит к появлению отражений и переменной сумме дополнительных искажений сигнала на другом ответвлении.

Fly-by-топология трассировки по существу «гирляндная», где каждый соответствующий сигнал разводится поочередно от устройства источника до устройства потребителя, затем до следующего прибора и останавливается на последнем устройстве. Эта топология устраняет отражения. Недостаток ее в том, что задержка сигнала увеличивается для каждого последующего устройства в цепочке. Топология Fly-by используется, когда выходное устройство может компенсировать смещение сигнала методом его выравнивания.

Для решения обозначенной задачи необходим перенос конструктивных требований, позволяющих обеспечить синхронизацию (например, максимальную длину трассировки), в ряд правил проекта, таких как правило длины, чтобы гарантировать синхронизацию, и правило соответствия длины, для обнаружения потенциальных несоответствий синхронизации.

Теперь конструктор может рассматривать сигналы с точки зрения их функции. В данном случае это адресный сигнал, и он должен быть разведен от разъема к каждому устройству памяти. Чтобы добиться нужного результата, используют Fly-by-топологию с согласующим резистором в конце. Можно также задать серию приемников у источника. Даже если адрес A0 проходит через согласующий резистор (терминатор), то для конструктора с другой стороны этого резистора сигнал все еще имеет адрес A0. Но редактор PCB рассматривает каждый сигнал как ряд связанных контактов (обычно называемый цепью). Цепь A0 идет от входного контакта к одному контакту компонента памяти, затем к контакту другого компонента памяти и т. д. Как только в цепь последовательно вводится согласующий резистор, адресная шина становится двумя дискретными цепями. Это мешает конструктору определять ключевые конструктивные требования — такие правила проекта, как длина и соответствие длины. В версии Altium Designer 15.0 специально предусмотрена новая функция, названная xSignals. Эта функция включает корректную обработку пути прохождения высокоскоростного сигнала (так что путь для сигнала перемещается между источником и местом назначения через резистор нагрузки), а также ответвления.

xSignal — это определенный конструктором путь прохождения сигнала между двумя узлами. Например, два узла в цепи или два узла в связанных цепях, разделенных компонентом. xSignal может использоваться, чтобы определить отношение соответствующих правил проекта (длина и соответствие длины), которые применяются во время исполнения проектных задач, в частности, интерактивной настройки длины.

Рассмотрим краткий алгоритм работы по решению конструкторской задачи синхронизации сигналов в Altium Designer версии 15.0. Более подробно о работе с инструментами xSignal можно узнать в [1].

Шаг 1. Создание xSignal

Для создания xSignal используются различные варианты:

• Create xSignals Between Components (созданиеxSignals между компонентами);
• xSignal Wizard (создать с помощью мастера xSignal);
• Create xSignal (создатьxSignal);
• Create xSignals From Connected Nets (создатьxSignals из соединенных цепей).

Рассмотрим самый распространенный вариант — Create xSignals Between Components. Выберите команды меню Design>xSignals>Create xSignals, откроется диалоговое окно (рис. 1), где производится выбор: Source Component («компонент источника сигнала»), далее Destination Components («оконечный компонент или компоненты потребителя сигнала»), затем Source Component Nets («цепь источника сигнала»), потом активируем клавишу Analyze («анализировать»). Программное обеспечение идентифицирует все возможные xSignals между выбранными компонентами, которые включают выбранные цепи, и вносит их в список областей xSignals. Все потенциальные xSignals будут выбраны и отображены в поле Signals. Выбираем требуемый класс внизу диалогового окна из выпадающего списка существующих классов или вводим имя для создания нового класса. Также для работы с классами xSignal можно использовать диалоговое окно Object Class Explorer, вызов которого производится по командам меню Design> Classes. Подтверждаем создание xSignals клавишей OK. Для работы c созданными xSignal используется основная рабочая панель редактора печатной платы (PCB) в режиме xSignal.

Рис. 1. Диалоговое окно Create xSignals Between Components

Шаг 2. Создание правил xSignal

Теперь, когда объект xSignal определен, его можно применить для определения конструкторских требований (правил проектирования). Для выравнивания длин нескольких объектов xSignal между собой введен дополнительный режим Check Between xSignals («проверка между xSignals») правила Matched Length («соответствие длины»). Правило соответствия длины используется, чтобы гарантировать, что длина указанных цепей находится в указанном диапазоне. Это требование очень важно для высокоскоростных интерфейсов, где проблема не в том, сколько времени затрачивается на прохождение сигнала (время зависит от длины трассировки), куда важнее, чтобы определенные сигналы пришли одновременно. В зависимости от скоростей переключения сигнала, функций сигнала и материалов, используемых в печатной плате, допустимое различие между сигналами может доходить до 0,25 мм.

Следует отметить, что для поддержания точного расчета длины пути сигнала в трассе в Altium Designer 15.0 создан новый калькулятор, учитывающий абсолютный путь прохождения сигналов — например, высоту пути в переходном отверстии только между задействованными проводящими слоями.

Библиотека контактных площадок и переходных отверстий

Для объектов топологии печатной платы Pad (контактная площадка) и Via (переходное отверстие), далее по тексту КП и ПО соответственно, в Altium Designer 15.1 добавлены автосоздаваемые шаблоны КП и ПО в редакторе плат, а также библиотеки шаблонов и ряд рабочих панелей, связанных с управлением КП и ПО. Эффективность управления этими объектами повышена за счет возможности создания стандартизации свойств КП и ПО согласно IPC‑7251/7351, их повторного применения в проектах печатных плат (*.PcbDoc) или библиотеках посадочных мест компонентов (*.PcbLib), а также автоматизированной проверки применения разрешенных ПО в проекте.

Для создания шаблонов КП и ПО Altium Designer введены следующие инструменты (рис. 2):

• Pad Via Libraries (библиотеки шаблонов КП и ПО) — набор шаблонов КП и ПО, сохраненных в виде файла *.PvLib;
• Pad/Via Template Editor — редактор шаблонов КП и ПО, для создания и изменения шаблонов в библиотеках;
• Pad Via Library Panel — панель библиотеки, ассоциированная с редактором шаблонов КП и ПО, в которой показан состав шаблонов текущей библиотеки.

Рис. 2. Инструменты создания пользовательских шаблонов КП и ПО

Напомним, что имена шаблонам создаются автоматически согласно правилам, указанным в стандартах IPC‑7251/7351, где имя КП или ПО определяется исходя из конструктивных параметров, таких как размеры, форма, отверстие и вскрытие паяльной маски, маска для пасты. Если эти параметры изменяются, имя шаблона также изменяется, чтобы отражать новую конфигурацию.

Для управления шаблонами КП и ПО Altium Designer используются следующие инструменты:

• Pad and Via Templates (шаблоны КП и ПО) — конфигурируемые описания КП и ПО, которые доступны в окне свойств объектов Pad (КП) или Via (ПО);
• PCB Pad Via Templates Panel (панель шаблонов КП и ПО) — специальная панель в которой приводится список шаблонов, доступных для использования в текущей плате (Local — локальные) и в установленной или подключенной к проекту библиотеке Pad Via Libraries. Открытие панели производится из группы панелей PCB>PCB Pad Via Templates;
• PCB Panel Pad & Via Template mode — специальный режим (Pad & Via Templates) панели PCB, предназначенный для управления КП и ПО в текущем документе печатной платы и их взаимосвязями с ассоциированными шаблонами.

Об особенностях работы новых инструментов можно узнать в [3].

Поддержка формата 3D PDF

Для обеспечения лучшего взаимопонимания участников процесса разработки за пределами рабочей группы, например с производителем печатной платы, монтажником или непосредственно заказчиком, введена возможность экспорта 3D-модели проекта электронного модуля в формат 3D PDF (интерактивный 3D-формат Adobe Acrobat Reader) — рис. 3. Преимуществом данного формата является отсутствие установки дополнительных специальных программ просмотра.

Рис. 3. Интерактивный просмотр экспортированной 3D-модели в Adobe Reader, с возможностью масштабирования, поворота и выбора элементов проекта

Файл 3D PDF, экспортируемый из Altium Designer, содержит следующие данные: слои печатной платы, элементы проводящего рисунка и компоненты.

Экспорт файлов печатной платы в формате 3D PDF доступен после установки плагина PDF3D Exporter из группы доступных плагинов software extension. После активации команды экспорта в формате PDF 3D (File>Export PDF3D) в диалоговом окне Export 3D (рис. 4) пользователям предлагаются настройки рендеринга изображения и настройки экспортируемой геометрии в экспортируемый файл PDF.

Рис. 4. Диалоговое окно Export 3D

Настройки геометрии включают следующие возможности:

• Selected Only (только выделенные) — для включения определенных типов объектов, которые выбраны в рабочей области; эта опция работает только для выбора элементов проводящего рисунка, причем компоненты и полигоны не экспортируются, а паяльные маски и материалы печатной платы экспортируются по умолчанию;
• Core — включает материалы печатной платы;
• Solder — включает верхние и нижние слои защитной маски печатной платы;
• Silk — включает верхнюю и нижнюю шелкографию (графические примитивы);
• Copper — включает объекты проводящего рисунка на всех слоях;
• Hide Internal — отключает внутренние проводящие слои;
• Text — включает все свободные и связанные (позиционные обозначения компонентов) надписи;
• 3D Body — включает все 3D-модели компонентов;
• Merge meshes — объединение объектов в общие группы для улучшения навигации; например, объединяет в группы все контактные площадки, принадлежащие одному компоненту.

Настройки геометрии позволяют конфигурировать только требуемую информацию, исходя из предмета обсуждения с потенциальным пользователем 3D PDF-файла.

Дополнительные возможности

По сравнению с описанными выше новыми возможностями, которые предоставляют пользователям принципиально новые технологии проектирования в Altium Designer, другие добавления не столь радикальны. Отметим следующее.

Управление групповыми объектами Unions

В редакторе печатных плат Unions представляет собой сгруппированный объект примитивных объектов, таких как дорожки, дуги, регионы, тексты, 3D-тела, контактные площадки и отверстия. К данным объектам относятся пользовательские группы (участки топологии, группы компоновки компонентов и т. п.) и программные групповые объекты (Via Stitching — область экранирования переходных отверстий, Length Tuning Accordion — область дорожки в виде меандра для настройки длины, таблица отверстий, таблица структуры слоев и т. п.). В ранних версиях список существующих Unions не был доступен, и редактировать можно было лишь некоторые виды программных Unions. Для оперативного доступа ко всем существующим видам групповых объектов введен дополнительный режим в рабочей панели PCB> Unions (рис. 5), что существенно упрощает навигацию по сгруппированным объектам и предоставляет возможность редактирования таких объектов, как Via Stitching, Via Shielding, Length Tuning Accordion.

Рис. 5. Управление групповыми объектами Unions. Режим работы Unions рабочей панели PCB

Поддержка пользовательского защитного слоя для гибких участков платы

Для проектирования гибко-жестких печатных плат добавлены инструменты, позволяющие создать покровный слой (Coverlay) гибкого участка печатной платы с возможностью пользовательской настройки вырезов, в этом слое учитываются особенности работы с полиамидными материалами [4]. Включение в структуру печатной платы покровного слоя, а также настройка размеров зоны перекрытия этого слоя с диэлектрическими слоями жесткого участка печатной платы производится в менеджере структуры слоев Layer Stack Manager (рис. 6).

Рис. 6. Менеджер структуры слоев Layer Stack Manager

Правило зазоров объектов топологий от края печатной платы

Одно из основных требований при производстве печатных плат — минимальное расстояние расположения объектов топологии к геометрии печатной платы (контур, вырезы, линии сгиба гибкого участка платы и т. п.).

Ранее при проектировании приходилось писать сложные запросы для каждого объекта топологии отдельно, в современной версии Altium Designer 15.1 одно правило (Board Outline Clearance) позволяет задать все требуемые ограничения только числовыми критериями (рис. 7).

Рис. 7. Настройки правила зазоров объектов топологий от края печатной платы

Управление парами сверления слоев

Усовершенствован алгоритм работы с парами сверления проводящих слоев печатной платы Drill Pairs, а именно область действия переходного отверстия теперь определяется из преднастроенных пар (рис. 8). Настройка возможных пар сверления слоев выполняется в менеджере структуры слоев Layer Stack Manager в момент проектирования конструкции структуры печатной платы с учетом технологии ее последующего производства. Прежде в свойствах переходного отверстия конструктор определял начальный и конечный слои области ее действия, независимо от настройки пары сверления слоев. Это периодически приводило к ошибочным производственным данным сверловки из-за сложности отслеживания свойств многочисленных переходных отверстий.

Рис. 8. Управление свойствами переходного отверстия:
а) ранние версии программы;
б) современная версия программы

Управление вскрытия окон маски

Усовершенствованы настройки вскрытия окон защитной паяльной маски Solder Mask монтажных и переходных отверстий. Появились возможности различной настройки окон для верхнего и нижнего слоев паяльной маски Specify expansion value, а также дополнительный вариант расчета вскрытия маски относительно края отверстия Solder Mask From The Hole Edge (рис. 9). Ранее был доступен только вариант вскрытия маски относительно края металлизации гарантированного пояска Solder Mask From The Copper Land Edge. Также надо отметить, что в варианте From The Hole Edge окно в слое паяльной маски повторяет геометрию отверстия.

Рис. 9. Управление свойствами вскрытия окон маски

Улучшено управление полигонами

Активирована опция в глобальных настройках Preferences>PCB Editor>General>Always repour polygons on modification, которая позволяет по умолчанию перезаливать зависимые (пересекающиеся) полигоны (рис. 10). Если данная опция выключена, то при редактировании полигона программа выводит диалоговое окно с возможностью следующих результатов работы: перезалить все зависимые полигоны; перезалить только редактируемый полигон; не перезаливать полигоны. Новые команды управления полигонами можно выбрать из контекстного меню правой клавишей мыши: Bring to Front («переместить на передний план») и Send to Back («переместить на задний план») позволяют интерактивно выставлять приоритет последовательности перезаливки взаимозависимых полигонов. В ранних версиях программы приоритет перезаливки полигонов настраивался только в менеджере полигонов.

Рис. 10. Пример пересекаемых полигонов в проекте печатной платы

Также для работы с полигонами введено автонаименование полигонов согласно одному из четырех встроенных шаблонов: NET NAME_LXX_PXX; LXX_NET NAME_PXX; NET NAME_LAYER NAME_PXX; LAYER NAME_NET NAME_PXX, где NET NAME — имя цепи, к которой подключен полигон, LAYER NAME — имя слоя, где полигон расположен, PXX — порядковый номер полигона на слое. Автонаименование полигонов освобождает конструктора от необходимости следить за именами полигонов, но при этом не исключается возможность задавать полигонам пользовательское имя.

Заключение

Совершенствование инструментария Altium Designer 15.1 следует тенденциям в развитии как функционирования самой электроники (высокоскоростные интерфейсы, гибко-жесткие печатные платы), так и информационных технологий ее проектирования (предоставление результатов проектирования в формате 3D PDF, инструменты интеграции с системами твердотельного проектирования, технологии управления проектными данными). Стоит отметить, что продолжают развиваться и существующие инструменты (работа с полигонами, групповыми объектами, текстом, библиотечными моделями и т. п.), из чего следует, что разработчики системы Altium Designer акцентируют внимание в первую очередь на повышении эффективности труда проектировщиков, а это, в свою очередь, экономит и время, и материальные ресурсы.