Načrtovanje elektronskih vezij je proces načrtovanja, testiranja in gradnje vezij, ki opravljajo določene naloge. Vključuje opredelitev zahtev, izbiro zanesljivih delov, ustvarjanje shem, simulacijo delovanja in testiranje končne zasnove. S skrbnimi koraki postanejo vezja varna, učinkovita in zanesljiva. Ta članek vsebuje podrobne informacije o vsaki fazi procesa načrtovanja.
Pregled načrtovanja elektronskih vezij
Načrtovanje elektronskih vezij je proces načrtovanja in gradnje vezij, ki lahko opravljajo določeno nalogo. Začne se z majhnimi poskusi na plošči ali z računalniškimi simulacijami, da preverimo, ali ideja deluje. Po tem je zasnova narisana v shematskem diagramu, ki prikazuje, kako je vsak del povezan. Zasnova se prenese na ploščo s tiskanim vezjem (PCB), ki jo je mogoče izdelati in sestaviti v delovni sistem.
Ta postopek pogosto združuje različne vrste signalov. Analogna vezja delujejo z gladkimi in neprekinjenimi signali, medtem ko digitalna vezja delujejo s signali, ki preklapljajo med dvema stanjema. Včasih sta oba združena v isti zasnovi, da je sistem bolj popoln.
Cilj oblikovanja elektronskih vezij je ustvariti končni izdelek, ki ni le funkcionalen, temveč tudi zanesljiv in pripravljen za uporabo v realnih pogojih. Skrbna zasnova pomaga zagotoviti, da bo vezje delovalo pravilno, ostalo stabilno in izpolnjevalo varnostne zahteve.
Zahteve za tehnične specifikacije
| Kategorija | Primer specifikacij |
|---|---|
| Električni | Vhodna napetost: 5–12 V, Odvzem toka: <1 A, Pasovna širina: 10 MHz |
| Časovni razpored | Zakasnitev < 50 ns, trepetanje ure < 2 ps |
| Okolje | Deluje od -40 °C do +85 °C, 90% vlažnost |
| Mehanski | Velikost PCB: 40 × 40 mm, Teža < 20 g |
| Skladnost | Izpolnjevati mora CE/FCC, EMC razred B |
| Stroški/proizvodnja | Stroški BOM <\5$, donos montaže >95% |
Arhitektura sistema in oblikovanje blok diagrama
Ta blok diagram ponazarja osnovno strukturo elektronskega sistema tako, da ga razčleni na medsebojno povezane podsisteme. Napajalni podsistem zagotavlja stabilno energijo prek baterij, DC-DC pretvornikov in regulatorjev, ki tvorijo temelj za vse druge bloke. V središču je nadzorni podsistem, v katerem je mikrokrmilnik, FPGA ali procesor, odgovoren za upravljanje pretoka podatkov in odločanje.
Analogni podsistem obdeluje signale iz resničnega sveta z uporabo senzorjev, ojačevalnikov in filtrov, medtem ko digitalni V / I omogoča komunikacijo z zunanjimi napravami prek standardov, kot so USB, SPI, UART, CAN in Ethernet. Ločen blok za taktiranje in merjenje časa zagotavlja sinhronizacijo z oscilatorji, PLL in natančnim usmerjanjem za nizko zmogljivost trepetanja.
Da bi ohranili zanesljivost, so poudarjena izolacijska območja, ki zadržujejo hrupne digitalne signale stran od občutljivih analognih vezij, zmanjšujejo motnje in izboljšujejo stabilnost sistema.
Osnovne komponente pri načrtovanju elektronskih vezij
Upori
Uporabljajo se za omejevanje in nadzor pretoka električnega toka. Z dodajanjem upora poskrbijo, da občutljivi deli vezja niso poškodovani zaradi prevelikega toka.
Kondenzatorji
Deluje kot majhna naprava za shranjevanje energije. Imajo električni naboj in ga lahko hitro sprostijo, ko je to potrebno. Zaradi tega so uporabni za stabilizacijo napetosti, filtriranje signalov ali oskrbo s kratkimi izbruhi moči.
Tranzistorji
Služi kot stikala in ojačevalniki. Lahko vklopijo ali izklopijo tok kot nadzorovana vrata ali okrepijo šibke signale. Tranzistorji so del sodobne elektronike, ker omogočajo vezjem obdelavo in nadzor informacij.
Diode
Vodite smer toka. Omogočajo, da električna energija teče samo v eno smer in jo blokira v drugo smer. To ščiti vezja pred povratnimi tokovi, ki bi lahko povzročili škodo.
Raziskave in izbor komponent pri načrtovanju elektronskih vezij
Premisleki o uspešnosti
Pri izbiri delov za vezje je ena prvih stvari, ki jih je treba preveriti, zmogljivost. To pomeni, da pogledamo, kako se bo komponenta obnašala pri oblikovanju. Zahtevane podrobnosti vključujejo, koliko hrupa dodaja, kako stabilen je skozi čas, koliko energije porabi in kako dobro obdeluje signale. Ti dejavniki odločajo, ali bo vezje delovalo tako, kot bi moralo.
Izbira paketa
Paket komponente je način, kako je zgrajena in dimenzionirana. Vpliva na to, koliko prostora zavzame na plošči, koliko toplote lahko prenese in kako enostavno jo je namestiti med montažo. Manjši paketi prihranijo prostor, medtem ko je z večjimi lažje delati in bolje obvladovati toploto. Izbira pravega paketa pomaga uravnotežiti prostor, toploto in enostavnost uporabe.
Razpoložljivost in dobavna veriga
Ni dovolj, da del dobro deluje; Prav tako mora biti na voljo, ko je to potrebno. Preverite, ali je del mogoče kupiti pri več kot enem dobavitelju in ali se bo v prihodnosti še vedno proizvajal. To zmanjšuje tveganje zamud ali preoblikovanja, če je del nenadoma težko najti.
Skladnost in standardi
Elektronika mora upoštevati pravila za varnost in okolje. Deli morajo pogosto izpolnjevati standarde, kot so RoHS, REACH ali UL. Te odobritve zagotavljajo, da je sestavni del varen za uporabo, ne škoduje okolju in se lahko prodaja v različnih regijah. Skladnost je glavni del izbire komponent.
Zanesljivost in znižanje moči
Zanesljivost pomeni, kako dolgo in kako dobro lahko komponenta deluje pri običajni uporabi. Da bi deli trajali dlje, se izogibajte potiskanju do najvišjih meja. Ta praksa se imenuje zniževanje števila vrednosti. Z varno rezervo delov se možnosti za okvaro zmanjšajo in celoten sistem postane bolj zanesljiv.
Vrste simulacij vezij pri načrtovanju elektronskih vezij
| Vrsta simulacije | Namen pri oblikovanju vezij |
|---|---|
| DC pristranskost | Potrjuje, da vse naprave delujejo na pravilnih napetostnih in tokovnih točkah. Preprečuje nasičenje ali nenamerno rezanje tranzistorjev. |
| Čiščenje izmeničnega toka | Ocenjuje frekvenčni odziv, ojačitev in fazno mejo. Osnovno za ojačevalnike, filtre in analizo stabilnosti. |
| Prehodni | Analizira vedenje časovne domene, kot so preklapljanje, odziv zagona, časi vzpona/padca in prekoračitev. |
| Analiza hrupa | Napoveduje občutljivost vezja na električni hrup in pomaga optimizirati strategije filtriranja za aplikacije z nizkim hrupom. |
| Monte Carlo | Preizkuša statistične razlike v tolerancah komponent (upor, kondenzator, tranzistor), kar zagotavlja robustnost zasnove v celotnem proizvodnem razponu. |
| Termalna | Ocenjuje odvajanje toplote in identificira potencialne žariščne točke, ki so potrebne za električna vezja in kompaktne modele. |
Dovod energije in celovitost signala pri načrtovanju vezij
Prakse omrežja za napajanje (PDN)
• Ozemljitev zvezde: Uporabite zvezdasto povezavo, da zmanjšate ozemljitvene zanke. To zmanjšuje hrup in zagotavlja enakomenten referenčni potencial na vseh področjih.
• Kratke povratne poti: Vedno zagotovite neposredne povratne poti in povratne poti z nizko impedanco za tok. Dolge zanke povečajo induktivnost in vbrizgajo hrup v občutljiva vezja.
• Ločevalni kondenzatorji: Postavite kondenzatorje za ločevanje majhnih vrednosti čim bližje napajalnim zatičem IC. Delujejo kot lokalni rezervoarji energije in zavirajo visokofrekvenčne prehodne pojave.
• Kondenzatorji v razsutem stanju: Dodajte kondenzatorje v razsutem stanju blizu vstopnih točk napajanja. Ti stabilizirajo oskrbo med nenadnimi spremembami obremenitve.
Premisleki o celovitosti signala (SI)
• Usmerjanje nadzorovane impedance: Sledi visoke hitrosti morajo biti usmerjene z določeno impedanco (običajno 50 Ω enojno ali 100 Ω diferencialno). S tem se preprečijo odsevi in napake v podatkih.
• Upravljanje tal: Ločite analogno in digitalno podlago, da se izognete motnjam. Povežite jih na eni točki, da ohranite čisto referenčno ravnino.
• Zmanjšanje presluhov: Ohranite razmik med vzporednimi progami za visoke hitrosti ali uporabite sledi za zaščito tal. To zmanjša spajanje in ohranja kakovost signala.
• Layer Stackup: V večplastnih PCB-jih, namenite neprekinjene ravnine za napajanje in ozemljenje. To zmanjšuje impedanco in pomaga nadzorovati EMI.
Postavitev PCB pri oblikovanju vezij
Postavitev komponent
Postavite komponente glede na funkcijo in pretok signala. Združite sorodne dele in zmanjšajte dolžino sledi, zlasti za hitra ali občutljiva analogna vezja. Osnovne komponente, kot so oscilatorji ali regulatorji, morajo biti nameščene blizu IC-jev, ki jih podpirajo.
Usmerjanje signalov
Izogibajte se 90° slednim ovinkom, da zmanjšate diskontinuitete impedance in morebitne EMI. Za diferencialne pare, kot sta USB ali Ethernet, naj bodo dolžine sledi usklajene, da ohranite časovno celovitost. Ločite analogne in digitalne signale, da preprečite motnje.
Zlaganje plasti
Uravnotežen in simetričen zlaganje plasti izboljša izdelavo, zmanjša deformacijo in zagotavlja dosledno impedanco. Namenske zemeljske in napajalne ravnine znižujejo hrup in stabilizirajo oddajo napetosti.
Premisleki o visokih hitrostih
Usmerjajte signale visoke hitrosti z nadzorovano impedanco, vzdržujte neprekinjene referenčne ravnine in se izogibajte škrbinam ali nepotrebnim prehodom. Naj bodo povratne poti kratke, da zmanjšate induktivnost in ohranite celovitost signala.
Toplotno upravljanje
Postavite toplotne preži pod napajalne naprave, da razširite toploto v notranje bakrene ravnine ali nasprotno stran PCB. Uporabite bakrene izlive in tehnike širjenja toplote za vezja visoke moči.
Shematsko načrtovanje in ERC pri razvoju vezij
Koraki shematskega načrtovanja
• Hierarhični listi: Razdelite zasnovo na logične odseke, kot so napajalni, analogni in digitalni podsistemi. To ohranja zapletena vezja organizirana in olajša prihodnje odpravljanje napak ali posodobitve.
• Smiselno poimenovanje omrežja: Uporabite opisna imena omrežja namesto generičnih oznak. Jasno poimenovanje preprečuje zmedo in pospešuje odpravljanje težav.
• Atributi oblikovanja: Vključite nazivne napetosti, zahteve glede toka in informacije o toleranci neposredno v shemo. To pomaga pri pregledu in zagotavlja, da so komponente izbrane s pravimi specifikacijami.
• Sinhronizacija odtisov: Povežite komponente z njihovimi pravilnimi odtisi PCB zgodaj v postopku. Lovljenje neujemanj zdaj preprečuje zamude in drago predelavo med postavitvijo PCB.
• Predhodni seznam materialov (BOM): Ustvarite osnutek BOM iz sheme. To pomaga oceniti stroške, preveriti razpoložljivost delov in voditi načrtovanje javnih naročil pred dokončanjem načrta.
Higiena preverjanja električnih pravil (ERC)
• Zazna plavajoče zatiče, ki lahko povzročijo nedoločeno vedenje.
• Označi skrajšane mreže, ki bi lahko povzročile okvaro delovanja.
• Zagotavlja, da so napajalne in ozemljitvene povezave dosledne v celotni zasnove.
Preskus in validacija vezja
• Dodajte testne točke na pomembne signale in napajalne tirnice, tako da je mogoče meritve enostavno opraviti med odpravljanjem napak in proizvodnim testiranjem.
• Zagotovite glave za programiranje in odpravljanje napak, kot so JTAG, SWD ali UART, za nalaganje vdelane programske opreme, preverjanje signalov in komunikacijo s sistemom med razvojem.
• Pri prvem napajanju PCB uporabite napajalnike z omejenim tokom. To ščiti komponente pred poškodbami, če pride do kratkih hlačic ali napak pri oblikovanju.
• Vklopite in potrdite vsak podsistem posebej, preden zaženete celoten sistem skupaj. Tako je lažje izolirati in odpraviti težave.
• Primerjajte vse izmerjene rezultate s prvotnimi specifikacijami oblikovanja. Preverite toplotne meje, časovno zmogljivost in energetsko učinkovitost, da se prepričate, da vezje deluje, kot je predvideno.
• Hranite podrobne zapiske in rezultate testov. Ta dokumentacija je v pomoč pri prihodnjih revizijah, odpravljanju težav in predaji produkcijskim ekipam.
Zaključek
Oblikovanje elektronskih vezij združuje načrtovanje, simulacijo in testiranje za ustvarjanje zanesljivih sistemov. Od nastavitve specifikacij do postavitve in potrjevanja PCB, vsak korak zagotavlja, da vezja delujejo po predvidenih v realnih pogojih. Z uporabo dobrega oblikovanja in standardov lahko razvijete varne, učinkovite in dolgotrajne elektronske rešitve.
Pogosto zastavljena vprašanja
Vprašanje 1. Katera programska oprema se uporablja za načrtovanje elektronskih vezij?
Altium Designer, KiCad, Eagle, in OrCAD so skupni za sheme in postavitev PCB. LTspice, Multisim in PSpice se pogosto uporabljajo za simulacije.
Vprašanje 2. Kako ozemljitev vpliva na vezje?
Pravilna ozemljitev zmanjšuje hrup in motnje. Zemeljske ravnine, zvezdna ozemljitev in ločevanje analognih in digitalnih tal izboljšajo stabilnost.
Vprašanje 3. Zakaj je potrebno toplotno upravljanje v tokokrogih?
Prekomerna toplota skrajša življenjsko dobo komponent in zmanjša zmogljivost. Hladilniki, toplotni prehodi, bakreni izlivi in pretok zraka pomagajo nadzorovati temperaturo.
Vprašanje 4. Katere datoteke so potrebne za izdelavo PCB?
Za natančno izdelavo in montažo PCB so potrebne datoteke Gerber, vrtalne datoteke, seznam materialov (BOM) in montažne risbe.
Vprašanje 5. Kako se preizkuša celovitost signala?
Osciloskopi, reflektometrija v časovni domeni (TDR) in omrežni analizatorji preverjajo impedanco, presluhe in popačenje.
V6. Kaj je zasnova za proizvodnost (DFM)?
DFM pomeni ustvarjanje vezij, ki jih je enostavno izdelati z uporabo standardnih odtisov, sledenje omejitvam PCB, in poenostavitev montaže.