Leiterplattenentwurf Anforderungen moderner FPGAs im Boarddesign berücksichtigen

Autor / Redakteur: Michael Heil* / Gerd Kucera

Leiterplattenentwickler wissen nur zu gut, wie stark die Anforderungen in den letzten Jahren gestiegen sind. Und der Trend, immer kleinere Bausteine mit stets mehr Anschlüssen auf noch weniger Platinenfläche unterzubringen, hält an. Dabei dürfen auch die höheren Taktraten der Schaltungen nicht vergessen werden, sie haben schließlich großen Einfluss auf die Störanfälligkeiten des Boards. In diesem Beitrag skizziert der Autor eine Software mit seines Erachtens allen notwendigen Fähigkeiten zur Entwicklung eines elektronischen Produktes.

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( Archiv: Vogel Business Media )

In den aktuellen Elektronikentwicklungen wird es immer schwieriger, die geforderten Bedingungen optimal zu erfüllen. Gleichzeitig ist aber auch eine andere Entwicklung zu beobachten: die Integration kompletter Schaltungen einschließlich Prozessoren und HF-Designs in FPGAs. Was auf der Leiterplatte vorher zu fast unlösbaren Problemen führte, löst sich mit der Verwendung von FPGAs quasi in Luft auf. Weil FPGAs immer kostengünstiger zu erhalten sind, ist dies eine willkommene Alternative zu diskreten Lösungen.

Aber genau dieses Zusammenwachsen von PCB-Design und FPGA-Entwurf stellt neue Anforderungen an die Entwicklungssoftware, denn beide Bereiche müssen unterstützt werden. Tool-Hersteller Altium hat sich dieser Herausforderung gestellt und mit dem Altium-Designer eine Entwicklungsumgebung geschaffen, die eine Automatisierungs- und Integrationslösung für zwei bislang getrennte Phasen des Design-Prozesses bietet.

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Der Altium-Designer unterstützt die Entwicklung der Leiterplatte mit vielen automatischen Abläufen. Dies sind beispielsweise umfangreiche Definition von Design-Regeln mit integrierter Abfragefunktion, einfache Handhabung von Polygonflächen und internen Spannungslagen, Autoplacer und Autorouter zum gezielten Einsatz, Pin-Swapping für FPGA-Projekte und nicht zuletzt unterschiedliche Ausgabeformate für die Fertigung und Dokumentation.

Bei der Definition von Regeln für das Erstellen einer Leiterplatte geht es schon lange nicht mehr nur um das Beachten von Leiterbahnbreiten oder -abständen. Für verschiedene Netze, Netzklassen oder Teile einer Platine können unterschiedliche Regeln erforderlich sein. Dabei sind auch Bedingungen für Übersprechen, Reflexionen oder Verbindungslängen zu beachten. Im Altium-Designer PCB Editor können solche Regeln definiert und dann über den Design Rule Check jederzeit überprüft werden.

Kupferflächen zur Abschirmung oder als Ableitung für große Ströme werden häufig im PCB-Entwurf benötigt. Der Designer PCB Editor kann Polygonflächen auf jeder Lage platzieren. Die Fläche selbst lässt sich sowohl schraffiert als auch in Form einer Vollfläche definieren. Wie die einzelnen Bauteilanschlüsse mit den Polygonflächen zu verbinden sind, legen die Design-Regeln fest.

Wie automatisierte Prozesse beim PCB-Design helfen

Insgesamt unterstützt der PCB Editor 16 interne Spannungslagen. Dabei kann jeder Spannungslage ein anderes Netz zugewiesen werden oder eine Spannungslage wird für zwei oder mehrere Netze in verschiedene Bereiche unterteilt. Ob die Anbindung der Bauteilanschlüsse und Durchkontaktierungen an die Spannungslagen mit oder ohne Wärmefallen ausgeführt wird, ist über die Design-Regeln festzulegen.

Das Aussparen von Kupfer auf einer internen Spannungslage wird durch das Zeichnen von Linien, Kreisen oder Flächen erreicht. Auch die Unterteilung von Kupferflächen für verschiedene Spannungsversorgungen erreicht man mit der Platzierung eines geschlossenen Linienzuges auf der Spannungslage.

Im Altium-Designer sind für die Platzierung von Bauelementen neben den interaktiven Werkzeugen auch automatische Platzierungshilfen enthalten. Angefangen von Werkzeugen für das automatische Ausrichten oder Anordnen von Bauelementen bis hin zu einem automatischen Autoplacer, der die Bauteile so auf der Platine anordnet, dass möglichst kurze Verbindungen entstehen.

Bei der Entflechtung von Leiterplatten ist die Erfahrung der Entwickler gefragt. Manuelle Entflechtung kann auch im Zeitalter von Autoroutern nicht vollständig ersetzt werden. Dennoch sind Autorouter wertvoll. Gerade wenn Leiterbahnlängen, Parallelitäten oder Leitungswiderstände beachtet werden müssen, kann die Entflechtung mithilfe eines Auto-routers schneller zum Abschluss gebracht werden.

Aber die Erfahrung des Entwicklers bleibt unersetzbar

Der im Tool integrierte Situs-Autorouter ist sowohl für Teilbereiche auf der Platine als auch für eine komplette Entflechtung der gesamten Leiterplatte einsetzbar. Weil Signal-integrität immer mehr an Bedeutung gewinnt, ist im Programmpaket auch eine Integritätsanalyse enthalten.

Immer häufiger haben die verwendeten FPGAs außerordentlich viele Anschlüsse, was zu einer erhöhten Komplexität des PCB-Designs führt. Vor allem dann, wenn durch die Anschlussbelegung der FPGAs viele Kreuzungen oder lange Verbindungswege entstehen. Altium-Designer kann während der Entflechtung Pins tauschen. Dieses Pin-Swapping erlaubt den Wechsel funktionell gleichartiger Pins, wenn dies für die Entflechtung im PCB nötig ist. Die veränderte Pin-belegung wird dann wieder in das FPGA-Projekt übertragen.

Mit abgeschlossenem Layout ist die Design-Arbeit keineswegs beendet. Jetzt sind alle für die Fertigung notwendigen Daten zu erstellen. Auch hier hilft das Tool: Alle gängigen Ausgabeformate lassen sich erstellen, betrachten und nachträglich bearbeiten.

Ebenso wichtig wie das Design selbst ist die Dokumentation. Deshalb bietet die Software nicht nur umfangreiche Verknüpfungsmöglichkeiten zu wichtigen Dokumenten für das Projekt. Aus ganzen Projekten kann ein PDF-Dokument mit vielen wichtigen Informationen erzeugt werden.

*Michael Heil ist Application Engineer bei Altium, Karlsruhe.

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