Enrutar rastros hacia y desde un microcontrolador de 48 pines se vuelve un desastre

He diseñado tableros durante algunos años y algunas cosas se destacan. En primer lugar, tenga en cuenta que esto es en parte muy subjetivo . Para ciertas señales (principalmente de baja velocidad), lo suficientemente bueno es lo suficientemente bueno. Así que tenga en cuenta que no necesita aplicar las cosas que sugiero para terminar con un diseño funcional.

Este tipo de diseño puede funcionar perfectamente en dos capas. Requerirá un poco más de esfuerzo que una placa de cuatro capas, pero creo que su diseño no requiere esto para proteger o asuntos relacionados con EMI.

En primer lugar, trabajar con un tablero de dos capas puede causar algunas situaciones difíciles con la gestión de sus planos de potencia. Sus trazas superior e inferior consumirán el espacio disponible para obtener energía para sus dispositivos, y el resultado de esto puede ser un diseño inferior. Lo más importante que desea hacer es mantener el área utilizada para enrutar las señales muy pequeña, con saltos de capa mínimos. Si 'bloquea' un plano de potencia, puede saltarlo con muchas vías a otra capa, pero esto se complicará y, si es posible, es preferible saltar las señales a otras capas. La forma más fácil de hacerlo es juntar las señales un poco más. Si se trata solo de E/S de baja velocidad o cosas en serie, no hay razón para que no pueda hacer esto.

Cómo se puede hacer esto en su diseño:

• Mantenga los trazos inferiores lo más cortos posible. Veo tiradas bastante largas. Esto no es necesario, y necesita la parte superior o inferior para enrutar tantos planos/trazas de potencia como sea posible. Una vez que esté despejado (la señal está lejos de uC abarrotados), continúe enrutando en la capa superior
• Utilice mejor su cuadrícula de enrutamiento. Hay muchos espacios irregulares. Ruteo en 1 mm, con una cuadrícula alternativa de 0,1 mm, con trazos de 0,2 mm. Esto brinda un control muy fácil sobre el intervalo de las trazas y también brinda los medios para enrutar grupos de señales casi como un autobús.
• No tome las señales tan lejos del uC antes de usar vías. Esto solo ocupará un espacio valioso en la capa superior. Por ejemplo, si tira de las vías en las tres pistas por encima de C52 hasta los pines, las tres señales de arriba no tendrán problemas para ejecutarse hasta D21 sin cambiar la capa. Incluso podría decidir enrutar el seguimiento por debajo de R15 en la capa inferior para obtener una mayor eficiencia de enrutamiento.
• Esta es quizás una preferencia personal: ¿realmente qué pasa con las líneas curvas? Es muy difícil enrutar las señales de forma precisa y ajustada con este estilo de seguimiento. Solo está haciendo las cosas menos organizadas y más difíciles para ti.
• Aproveche mejor el espacio debajo del chip. Va a ser más difícil de depurar, así que asegúrese de estar preparado para esto, pero por ejemplo: tome las cuatro vías debajo del chip hasta la esquina inferior izquierda y dirija las tres señales en la parte superior izquierda del chip todo el tiempo. camino a la esquina inferior derecha, y solo entonces salta a la capa inferior. Aún mejor, acerque todas las vías superiores al chip y dirija las señales en la parte superior izquierda, no debajo sino alrededor del uC en el sentido de las agujas del reloj.
• No haga esas esquinas muy afiladas en las almohadillas, como en D51 o el pin superior derecho del uC. Esto puede crear pequeñas astillas de cobre/grabado que son difíciles de limpiar para el fabricante de PCB. Estas astillas pueden desprenderse durante el montaje posterior y crear pantalones cortos. Más preocupante en las capas internas, pero sigue siendo una buena práctica
• USA AVIONES!!!! de verdad, esto es bastante importante. Dirija tantas señales como sea posible en la capa superior y llene la capa inferior con planos de suministro (ya sea tierra o vcc), y use dos vías para llevar la energía al capacitor de desacoplamiento superior y luego directamente a los pines. Evita tiradas largas en este tipo de pistas.

Tengo una gran pasión por el diseño de tableros, así que estaré encantado de revisar cualquier cambio que hagas. Tengo un ejemplo de MCU de dos capas en alguna parte, intentaré encontrarlo para usted.

Editar: no encontré mi diseño de dos capas, pero tengo un diseño de cuatro capas que solo usa la capa superior para señales con el salto ocasional a la capa inferior. Si lo diseña de esta manera, su capa inferior dejará mucho espacio para suministrar energía a los pines de la MCU y a los condensadores de desacoplamiento:

Tenga en cuenta que a pesar de tener el bus SPI y SWD funcionando a través de la MCU, el impacto en la capa inferior no es tan malo. Todavía hay espacio para mejorar aunque mirando hacia atrás en este diseño :) Solo tenga cuidado de cortar el plano de tierra debajo de los buses de señal grandes (corrientes de retorno, etc.). Tengo un plano de tierra interno en esta placa, si no lo tiene, tendrá que tener mucho cuidado en este sentido. Podrías diseñar señales más estrictas que esto. Su tablero debe tener el espacio que está buscando, siempre que tenga un enfoque metódico. ¡Diviértete enrutando!

Aquí hay algunas pautas generales:

• Mantenga su plano de tierra intacto; no corra tierra a través de rastros largos. Use vías para permitir que el suelo "salte" sobre paquetes de trazas y una los planos de tierra inferior/superior con muchas vías. Un plano de tierra fracturado en muchas piezas pequeñas apenas conectadas es lo peor que puede hacerle a la integridad de su señal. (Además de no tener un plano de tierra, por supuesto, eso es aún peor).
• "Agrupe" los trazos para que sea más fácil enrutarlos. Los rastros que se ejecutan uno al lado del otro no crean problemas de integridad de la señal para una MCU, lo que sí lo hace es la falta de un plano de tierra. En general, trate de mantener las cosas compactas para que tenga suficiente espacio alrededor y entre ellas para colocar su plano de tierra.
• Si tiene entradas analógicas a su MCU, considere agregar un capacitor pequeño (es decir, tamaño 0402) de ~100pF justo en cada uno de los pines de entrada analógica de la MCU si su circuito puede tolerar esto.
• Establezca reglas de diseño correctas en su software de PCB. Esto incluye ancho mínimo de trazo, tamaño mínimo de perforación/vía, distancias mínimas. Puede llegar hasta estos límites si eso mejora su diseño.
• Ejecute un DRC antes de enviar la PCB para su fabricación para asegurarse de que realmente se pueda fabricar.
• Considere rotar su chip 45°, esto a menudo facilita el enrutamiento usando trazos horizontales/verticales. (¡De verdad! ¡Pruébalo!)
• Las vías están bien. Están hechos de cobre, al igual que tus huellas, y conducen la electricidad igual de bien. No haga trazos más largos solo para evitar un par de vías.
• Los rastros cruzados están bien. Dos trazas que se cruzan entre sí están bastante separadas debido al grosor de la PCB, que probablemente sea > 1 mm. El área real donde se superponen las huellas también es pequeña.

De hecho, el enrutamiento tiene que ver con la colocación de los componentes.

Este es un microcontrolador, por lo que tendrá mucho GPIO. Algunos de ellos serán intercambiables, otros no. Por lo general, todas las entradas analógicas se pueden intercambiar entre sí, pero no con pines puramente digitales, por supuesto. Algunos periféricos pueden tener asignaciones de pines fijos, o los pines pueden ser flexibles, depende del micro.

Entonces, si no le gusta el diseño (supongo que este es el caso ya que lo está preguntando), guárdelo con un nombre de archivo diferente y elimine todos los rastros alrededor del micro. Conserve solo las tapas de desacoplamiento, ya que deben estar cerca.

Luego, en el editor de esquemas, desconecte todas las redes de todos los pines intercambiables, dejando solo los pines que no se pueden intercambiar. Todos los GPIO intercambiables deben dejarse desconectados, porque en este punto, son solo una distracción. Más tarde, cuando las señales "inamovibles" se hayan enrutado, puede conectar señales intercambiables a cualquier pin que sea más conveniente para el enrutamiento y luego actualizar #defines en el código.

Si todas las entradas analógicas están en el mismo lado del chip, puedes dejarlas conectadas. Puede usar colores en sus redes si lo desea, para etiquetar los pines que no son intercambiables en absoluto (como SPI, I2C...) y tal vez dos colores diferentes para grupos de pines intercambiables (analógicos, GPIO, por ejemplo).

Luego, puede mover y rotar el micro sin distraerse con los pines que en realidad no restringen el enrutamiento. También puedes girarlo 45°, a veces facilita las cosas.

Si esto todavía parece un dolor de cabeza, quizás considere mover algunos bloques en su tablero. A veces, el enrutamiento se puede hacer más fácil moviendo un componente a otro lugar en el tablero, a veces el componente a mover está bastante lejos del micro.

Un error común (lo he hecho) es enrutar todo, desde la placa completa hasta el micro, de la manera más conveniente, pero luego, cuando llegas al micro, todo está en el orden incorrecto y estás atascado. En cambio, cuando tiene un grupo de trazas que deben llegar en un orden específico para aterrizar en los pines correctos, puede colocar el desorden requerido de vías en cualquier otro lugar a lo largo del camino. De hecho, "cualquier lugar excepto cerca del micro" tiende a ser preferible, porque el área cercana al micro estará congestionada.

Un pequeño vertido de cobre a tierra debajo del micro es una ventaja: se comportará mejor si todos los pines de tierra están bien conectados entre sí. Es menos necesario para los pines de alimentación (incluso si tiene más de uno) porque puede usar una tapa de desacoplamiento por pin. El área debajo del micro, en la misma capa, generalmente tendrá pocos rastros porque solo pueden colarse por las esquinas, por lo que ese es el lugar ideal para un vertido en el suelo. No es necesario que llene toda el área, solo conéctelo a los pines de tierra, de modo que pueda colocar absolutamente vías en ambos lados de las filas de pads.

Si va a permanecer en 2 capas, opte por un enfoque estructurado, use un diseño de Manhattan. Eso significa que las pistas son solo este-oeste en un lado del tablero, solo norte-sur en el otro, con una vía donde sea necesario. Primero coloque las trazas de tierra, entre circuitos integrados, suministros, conectores, luego una VCC y luego sus señales. Utilizará muchas vías, pero siempre tendrá una forma sistemática de llegar de A a B.

Este enfoque puede ser casi tan bueno como usar un plano de tierra adecuado, lo cual sería preferible, pero realmente necesita cuatro capas. No caiga en la tentación de trazar rutas en su capa base.

¿Hay ejemplos y pautas generales para enrutar rastros en tal situación?

Sí, algunas reglas generales:

• Siempre que se trate de un paso de 0,5 mm o menor, utilice siempre al menos 4 capas.
• Siempre que trabaje con QFP o QFN en general, utilice siempre al menos 4 capas.

Deberías arreglar esto antes que nada. Por ejemplo, los comentarios sobre huellas de tierra largas, etc. están relacionados con la ausencia de una capa de tierra dedicada.