Разработка системы автоматизированного проектирования печатных плат

электронных средств, с использованием бионических алгоритмов

С.Ф. Чермошенцев,
зав. каф., д.т.н., профессор, sapr@kai.ru,
И.В. Суздальцев,
ст. преп., iliasuzd@mail.ru
КНИТУ-КАИ, г. Казань

Предлагается технология, основанная на учете критериев и ограничений электромагнитной и тепловой совместимости при решении задач проектирования печатных плат. Представлена система автоматизированного проектирования печатных плат электронных средств, реализующая предлагаемую технологию. Описываются используемые критерии и ограничения задач проектирования печатных плат. Для поиска оптимального решения многокритериальных задач предлагается использование бионических алгоритмов.

A technology based on criterions and restricrions of the electromagnetic and thermal compatibility for solving tasks in designing of printed circuit boards is proposed. The computer-aided design (CAD-system) of printed circuit boards based on proposed technology is presented. Used criterions and restrictions are described. The using of bionic algorithm to search optimal solutions for multi-criterions tasks is offered.

Важное значение, при проектировании печатных плат современных цифровых электронных средств (ЭС), приобретают проблемы электромагнитной (ЭМС) и тепловой совместимости. Решение проблемы ЭМС, при проектировании печатных плат, направлено на обеспечение целостности сигналов в межсоединениях и снижении уровня различных видов помех [1]. Усугубление проблемы ЭМС происходит за счет ряда следующих основных факторов: роста тактовых частот сигналов в межсоединениях печатных плат цифровых ЭС; снижения логических уровней сигналов; уменьшения длительности фронтов сигналов и времени переключения логических элементов; увеличения плотности печатного монтажа и уменьшения расстояния между межсоединениями; роста числа неоднородностей межсоединений на печатной плате (в виде межслойных переходов, контактных площадок и изгибов трасс); увеличения числа, одновременно переключаемых из одного логического состояния в другое, логических вентилей в составе интегральных схем; а также ряда других факторов. Решение проблемы тепловой совместимости направлено на обеспечение нормального теплового режима функционирования печатных плат и устранение температурных перегревов электронных компонентов. Основной причиной, обостряющей проблему тепловой совместимости, является значительное возрастание мощности тепловыделения конструктивных модулей, вызванное в свою очередь, увеличением числа логических элементов в корпусах микросхем, ростом их степени интеграции и мощности энергопотребления, а также увеличение плотности размещения теплонагруженных электронных компонентов на печатных платах цифровых ЭС. Игнорирование проблем ЭМС и тепловой совместимости на стадии проектирования печатных плат может привести к нарушению нормального функционирования цифровых ЭС.

Проектирование конструктивных модулей цифровых ЭС, на основе печатных плат, в настоящее время реализуется с использованием специализированных автоматизированных систем, что способствует повышению качества и снижению сроков разработки. Наибольшую популярность на территории Российской Федерации, среди разработчиков цифровых электронных средств получили системы автоматизированного проектирования (САПР) производства иностранных компаний Mentor Graphics, Cadence Design Systems, Zuken, Altium Limited (таблица 1).

Таблица 1: Сравнительный анализ САПР печатных плат

Название САПР (компания-производитель, страна)	Board Station, Expedition PCB, PADS (Mentor Graphics, США)	CR5000, CadStar (Zuken, Япония)	PCB Design Studio, OrCAD (Cadence, США)	Circuit Design Suite (National Instruments, США)	Altium Designer (Altium, Австралия)	ADS (Agilent Techno- logies, США)
Возможность автоматизированного размещения	-	+	+	+	+	-
Возможность учета критериев ЭМС и тепловой совместимости при размещении	-	-	-	-	-	-
Возможность автоматизированной трассировки	+	+	+	+	+	-
Возможность учёта критериев ЭМС при трассировке	-	-	-	-	-	-
Наличие модулей анализа электромагнитных и тепловых процессов на печатных платах	+	+	+	+	+	+

Большинство САПР содержат набор программных модулей, реализующих анализ целостности сигналов в межсоединениях и параметров ЭМС, а также построение температурных карт распределения теплового поля в конструктивном модуле электронного средства. Между тем, структурный синтез печатных плат в большинстве САПР выполняется без учета критериев электромагнитной и тепловой совместимости. Поиск проектных решений, удовлетворяющих требованиям электромагнитной и тепловой совместимости, зачастую приходится осуществлять разработчикам конструктивных модулей самостоятельно, без поддержки САПР, что значительно затрудняет их работу и приводит к увеличению сроков изготовления цифровых ЭС. Таким образом, возникает потребность в совершенствовании САПР, направленная на обеспечение качества получаемых проектных решений, с точки зрения требований ЭМС и тепловой совместимости.

Целью данного проекта является повышение качества и эффективности выполнения процедур проектирования печатных плат современных ЭС, путем разработки новой технологии и новой САПР. Маршрут проектирования печатных плат цифровых ЭС, включает в себя выполнение оптимизационных процедур компоновки, размещения и трассировки. В соответствии с предлагаемой технологией (рис. 1), при выполнении процедур компоновки, размещения и трассировки, рекомендуется учитывать ряд специализированных критериев и ограничений, направленных на обеспечение целостности сигналов, электромагнитной и тепловой совместимости.

рис. 1 Технология реализации процедур проектирования печатных плат цифровых ЭС

Представленная технология реализована в программном продукте системы автоматизированного проектирования печатных плат (рис. 2).

рис. 2 Структура системы автоматизированного проектирования печатных плат

Процедура компоновки заключается в оптимальном объединении модулей низшего уровня конструктивной иерархии (микросхем и других электронных компонентов) в модули более высокого уровня (печатные платы) с учетом определенных критериев и ограничений.

Ограничения процедуры компоновки могут накладываться на следующие проектные параметры: площадь монтажного плоскости печатной платы конструктивного модуля; количество компонентов, размещаемых на одной печатной плате конструктивного модуля; количество внешних выводов печатных плат конструктивных модулей; количество компонуемых конструктивных модулей. В качестве критериев процедуры компоновки предлагается использовать: минимум суммарного числа модулей, необходимых для реализации схемы; максимум однотипных компонуемых конструктивных модулей; минимум межмодульных соединений; минимум суммарного числа внешних выводов всех модулей. Использование первых двух критериев позволяет обеспечить заданные конструкторские характеристики модулей ЭС, снизить сроки их изготовления и показатели стоимости. Выполнение критериев 4 и 5 ведет к повышению надежности конструктивной реализации схемы за счет сокращения числа разъемных соединений, а также уменьшению влияния перекрестных помех и задержек, благодаря снижению суммарной длины соединений.

Для реализации критерия ЭМС и тепловой совместимости, в качестве исходных данных процедуры, множество цепей и компонентов электрической принципиальной схемы ЭС предлагается распределить по классам. Кроме того, рекомендуется определить возможность размещения компонентов и цепей, принадлежащих различным классам, в составе одного конструктивного модуля. Классификация цепей и компонентов ЭС может быть проведена по степени их восприимчивости к внешним электромагнитным воздействиям, а также по уровню излучаемых электромагнитных полей. Подобные классификации также могут быть составлены исходя из знаний о тепловой совместимости компонентов.

В качестве критерия ЭМС процедуры компоновки предлагается максимизировать количество компонентов и цепей, размещаемых на одной печатной плате и принадлежащих одному классу или совместимым классам. Также, рекомендуется использовать ограничение ЭМС для размещения компонентов и цепей, принадлежащих несовместимым классам в различных конструктивных модулях. Использование данного критерия и ограничения ЭМС, при выполнении процедуры компоновки, позволяет распределять компоненты цепей, наиболее чувствительных к внешнему электромагнитному воздействию, отдельно от компонентов цепей, излучающих сильные электромагнитные поля, что, в свою очередь, влечет за собой снижение перекрестных помех в межсоединениях печатных плат конструктивных модулей. Уменьшению помех также будет способствовать установка конструктивных модулей, содержащих компоненты чувствительных цепей, в наиболее защищенные от внешнего электромагнитного воздействия зоны ЭС.

При необходимости в снижении помех, связанных с задержкой сигналов в межсоединениях конструктивных модулей, при выполнении процедуры компоновки, рекомендуется использовать критерии и ограничения, позволяющие учитывать временные параметры функционирования компонентов и цепей.

В рамках процедуры размещения происходит поиск оптимального месторасположения на печатной плате конструктивного модуля компонентов принципиально-электрической схемы. В качестве конструктивных ограничений процедуры размещения могут быть определены: минимальные значения расстояний между краями компонентов, размещаемых по соседству друг от друга (указывается отдельно для каждого электронного компонента); координаты фиксированных компонентов, месторасположение которых на печатной плате конструктивного модуля заранее установлено разработчиком; перечень граничных компонентов, которые должны располагаться рядом с границами печатной платы конструктивного модуля; запрещенные зоны печатной платы конструктивного модуля, расположение компонентов в которых является недопустимым; пары размещаемых компонентов, которые должны или, напротив, не должны располагаться по соседству друг от друга.

Критериями качества при поиске оптимального варианта размещения могут являться следующие: минимум расстояния между максимально связанными компонентами; максимальное число соединений между компонентами, размещаемых в соседних позициях, либо в позициях, указанных разработчиком; минимум числа соединений, длина которых больше заданной; минимум числа пересечений связей при произвольной их конфигурации; равномерность распределения связей по монтажному пространству; максимум числа цепей простой конфигурации.

Использование данной группы критериев направлено на обеспечение благоприятных условий для решения последующей процедуры трассировки межсоединений конструктивных модулей на основе печатных плат.

Для применения критерия и ограничения ЭМС при выполнении процедуры размещения на монтажной плоскости конструктивного модуля предлагается определить множество непересекающихся зон прямоугольной формы. Для каждого размещаемого компонента рекомендуется установить его принадлежность определенной зоне печатной платы. При выполнении процедуры, предлагается использовать ограничение на размещение каждого компонента в рамках, соответствующей ему, зоны монтажной плоскости конструктивного модуля. В случае невозможности использования данного ограничения, ввиду определенных конструктивных требований, предлагается использовать критерий минимизации числа компонентов, размещаемых вне соответствующих им зонах. Размещение компонентов цепей, чувствительных к внешнему электромагнитному воздействию, в наиболее защищенных зонах конструктивного модуля позволит снизить вероятность искажения и возникновения паразитных сигналов в межсоединениях, что, в свою очередь, способствует обеспечению ЭМС и повышению надежности ЭС. Расположение зон, содержащих компоненты цепей с высоким уровнем излучения электромагнитных полей, вдали от зон с компонентами чувствительных цепей приведет к снижению перекрестных помех в межсоединениях печатных плат.

Для обеспечения теплового режима и повышения эффективности теплоотвода предлагается использовать критерий максимизации расстояния между теплонагруженными и теплочувствительными компонентами, а также критерий равномерности тепловыделения с монтажной плоскости конструктивного модуля.

При выполнении процедуры трассировки происходит построение оптимальной конфигурации топологии межсоединений печатных плат.

В качестве ограничений, перед выполнением процедуры трассировки также могут быть определены: ширина и длина проводников; расстояние между проводниками; конфигурация отдельных проводников; группы проводников, длина которых должна быть эквивалентна; зоны печатной платы, размещение проводников, в которых является недопустимым; слои металлизации для цепей питания и земли; приоритетные ориентации межсоединений для каждого из слоев печатной платы.

Критериями задачи трассировки печатных плат являются следующие: минимум суммарной длины соединений; минимум межслойных переходов; минимум числа изгибов проводников; минимальная протяженность параллельных участков проводников; минимальная площадь контуров, образованных межсоединениями на печатной плате; равномерность распределения проводников на печатной плате; минимум числа неразведенных трасс.

Реализация представленных топологических критериев позволит уменьшить длительности задержек и число отражений сигналов в межсоединениях, снизить влияние перекрестных помех и внешних электромагнитных воздействий, а также понизить уровень излучения электромагнитных полей проектируемых печатных плат.

Для повышения устойчивости ЭС к внешним электромагнитным воздействиям, а также снижения уровня излучаемых полей, при выполнении процедуры трассировки, в качестве критерия ЭМС, предлагается минимизировать площадь контуров, образованных межсоединениями конструктивного модуля. Использование данного критерия позволяет уменьшить величины индуцированных токов и напряжений, в межсоединениях контуров при внешнем электромагнитном воздействии, что способствует снижению вероятности искажения и возникновения паразитных сигналов. Уменьшение площади контуров способствует и снижению напряженности электромагнитного поля излучаемого от межсоединений конструктивного модуля. Кроме критерия ЭМС рекомендуется использовать ограничение на размещение межсоединений цепей, наиболее чувствительных к внешнему электромагнитному воздействию, во внутренних слоях печатной платы.

Для уменьшения задержек при распространении сигналов может быть использован критерий минимизации суммарной длины сигнальных межсоединений. Для снижения помех, связанных с задержкой сигналов, предлагается также минимизировать разность между длинами межсоединений в синхронных цепях. С целью уменьшения отражений сигналов в межсоединениях рекомендуется минимизировать число межслойных переходов и изгибов трасс. Критерий минимизации расстояний между параллельными участками межсоединений может быть использован для снижения уровня перекрестных помех.

Представленные процедуры компоновки, размещения и трассировки представляют собой сложные NP-полные задачи комбинаторно-дискретной оптимизации. Существующие методы и алгоритмы оказываются неэффективными для решения многокритериальных задач проектирования печатных плат, обладающих большой размерностью исходных данных. Ввиду этого возникает необходимость в поиске и разработке новых методов и алгоритмов решения задач проектирования.

Для решения многокритериальных задач проектирования печатных плат предлагается использовать бионические методы и алгоритмы [2,3]. Бионические методы относятся к классу стохастических методов оптимизации и основываются на моделировании законов, принципов и механизмов самоорганизации сложных систем, заимствованных из таких естественно-научных дисциплин как биология и физика.

В рамках проведенных экспериментальных работ исследовалась эффективность использования генетических, муравьиных и пчелиных алгоритмов для решения многокритериальных процедур компоновки, размещения и трассировки [4,5]. Результаты экспериментальных исследований эффективности бионических методов компоновки приведены в таблице 2. Задача компоновки схем цифровых ЭС решалась с использованием критериев электромагнитной и тепловой совместимости.

Таблица 2: Результаты исследований процедуры компоновки

№	Количество элементов	Количество модулей	Значение аддитивной целевой функции результирующего решения алгоритма
			Эволюционный алгоритм	Муравьиный алгоритм	Пчелиный алгоритм
1	50	2	601	634	612
2	75	2	1678	1796	1753
3	100	2	3402	3589	3510
4	125	2	13590	14975	14841
5	150	2	24568	25125	24977
6	175	2	57678	59192	59015
7	200	2	112627	115765	115232

В таблице 3 представлены результаты экспериментальных исследований эффективности бионических методов решения задачи размещения, с учетом критериев электромагнитной и тепловой совместимости.

С целью оценки эффективности работы теплового критерия при решении задачи размещения, полученные результаты моделировались в САПР АССОНИКА-Т. В рамках данного исследования проводились запуски программ, реализующих бионические алгоритмы в 2-х режимах: в режиме учета критерия равномерного распределения теплонагруженных элементов и в режиме без учета теплового критерия. При учете критерия равномерного распределения теплонагруженных элементов по монтажной поверхности печатной платы происходит снижение максимальной температуры элементов, что способствует стабильному функционированию устройства.

Таблица 3: Результаты исследований процедуры размещения

№	Количество элементов	Количество модулей	Значение целевой функции результирующего решения алгоритма
			Эволюционный алгоритм	Муравьиный алгоритм	Пчелиный алгоритм
1	25	100	12574	13578	12470
2	50	200	37119	38367	36476
3	75	300	59234	61233	59015
4	100	400	97526	99645	96564
5	200	800	376234	393848	356775
6	300	1200	597432	625284	568347
7	500	1500	927344	987234	902345

Результаты экспериментальных исследований эффективности бионических методов трассировки, с учетом критериев электромагнитной совместимости, приведены в таблице 4.

Таблица 4: Результаты исследований процедуры трассировки

№	Габаритные размеры печатной платы, мм × мм	Количество слоев печатной платы	Количество межсоединений	Суммарная длина межсоединений, мм
1	100 × 120	4	1075	8339
2	100 ×120	3	819	7276
3	100 ×120	2	590	4238
4	160×180	4	1075	9788
5	160×180	3	819	8674
6	160×180	2	590	4879
7	220×250	4	1075	10129
8	220×250	3	819	8947
9	220×250	2	590	4778

На основании сравнительных результатов экспериментальных исследований, предлагаются следующие выводы:

1. Использование бионических алгоритмов для решения задач проектирования печатных плат, по сравнению с алгоритмами, применяемыми в других системах автоматизированного проектирования, позволяет повысить оптимальность проектных решений и снизить время выполнение проектных процедур.

2. Применение технологии, основанной на использовании критериев электромагнитной и тепловой совместимости при решении задач проектирования печатных плат позволяет существенным образом сократить число критических, с точки зрения ЭМС, межсоединений и зон перегревов печатной платы.

Литература

1. Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры.- М.: ООО «Группа ИДТ», 2007. – 616 с.

2. Карпенко А.П. Современные алгоритмы поисковой оптимизации. Алгоритмы, вдохновленные природой: учеб. пособие. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. – 446 с.

3. Гладков Л.А., Курейчик В.В., Курейчик В.М. Генетические алгоритмы. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. – 320 с., ил.

4. Воронова В.В. Информационные технологии проектирования электронных вычислительных средств: учеб. пособие. – Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2007. – 207 с.

5. Чермошенцев С.Ф., Суздальцев И.В., Богула Н.Ю. Эволюционные алгоритмы проектирования печатных плат цифровых электронных средств // Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям (SCM’2015): сб. докл. конф. – СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2015. Т. 1. . С. 383-387.