Elektroninių grandinių projektavimas yra grandinių, atliekančių konkrečias užduotis, planavimo, testavimo ir kūrimo procesas. Tai apima reikalavimų apibrėžimą, patikimų dalių pasirinkimą, schemų kūrimą, našumo modeliavimą ir galutinio dizaino testavimą. Atlikus kruopščius veiksmus, grandinės tampa saugios, efektyvios ir patikimos. Šiame straipsnyje pateikiama išsami informacija apie kiekvieną projektavimo proceso etapą.
Elektroninių grandinių projektavimo apžvalga
Elektroninių grandinių projektavimas yra grandinių, galinčių atlikti konkrečią užduotį, planavimo ir kūrimo procesas. Tai prasideda nuo nedidelių eksperimentų ant lentos arba kompiuterinių simuliacijų, siekiant patikrinti, ar idėja veikia. Po to dizainas nubraižomas schemoje, kurioje parodyta, kaip kiekviena dalis yra sujungta. Dizainas perkeliamas į spausdintinę plokštę (PCB), kurią galima pagaminti ir surinkti į veikiančią sistemą.
Šis procesas dažnai sujungia skirtingų tipų signalus. Analoginės grandinės veikia sklandžiai ir nepertraukiamai signalais, o skaitmeninės grandinės veikia su signalais, kurie perjungia dvi būsenas. Kartais abu yra sujungti į tą patį dizainą, kad sistema būtų išsamesnė.
Elektroninių grandinių projektavimo tikslas yra sukurti galutinį produktą, kuris būtų ne tik funkcionalus, bet ir patikimas bei paruoštas naudoti realiomis sąlygomis. Kruopštus dizainas padeda užtikrinti, kad grandinė veiktų tinkamai, išliktų stabili ir atitiktų saugos reikalavimus.
Reikalavimai techninėms specifikacijoms
| Kategorija | Specifikacijų pavyzdžiai |
|---|---|
| Elektros | Įėjimo įtampa: 5–12 V, Srovės suvartojimas: <1 A, Pralaidumas: 10 MHz |
| Laikas | Delsa < 50 ns, laikrodžio virpėjimas < 2 ps |
| Aplinkosauga | Veikia nuo -40 °C iki +85 °C, 90 % drėgmė |
| Mechaninis | PCB dydis: 40 × 40 mm, svoris < 20 g |
| Atitiktis | Turi atitikti CE/FCC, EMC B klasę |
| Sąnaudos/gamyba | KS kaina <\$5, surinkimo pajamingumas >95% |
Sistemos architektūra ir blokinių schemų projektavimas
Ši blokinė schema iliustruoja pagrindinę elektroninės sistemos struktūrą, suskirstant ją į tarpusavyje sujungtus posistemius. Maitinimo posistemis tiekia stabilią energiją per baterijas, DC-DC keitiklius ir reguliatorius, sudarydamas visų kitų blokų pagrindą. Centre yra valdymo posistemis, kuriame yra mikrovaldiklis, FPGA arba procesorius, atsakingas už duomenų srauto valdymą ir sprendimų priėmimą.
Analoginis posistemis apdoroja realaus pasaulio signalus naudodamas jutiklius, stiprintuvus ir filtrus, o skaitmeninis įvestis / išvestis leidžia palaikyti ryšį su išoriniais įrenginiais per tokius standartus kaip USB, SPI, UART, CAN ir Ethernet. Atskiras "Clocking & Time" blokas užtikrina sinchronizavimą su osciliatoriais, PLL ir tikslų maršrutizavimą, kad būtų sumažintas virpėjimas.
Siekiant išlaikyti patikimumą, pabrėžiamos izoliacijos zonos, kurios apsaugo triukšmingus skaitmeninius signalus nuo jautrių analoginių grandinių, sumažina trukdžius ir pagerina sistemos stabilumą.
Pagrindiniai elektroninių grandinių projektavimo komponentai
Rezistoriai
Jie naudojami elektros srovės srautui apriboti ir valdyti. Pridėdami pasipriešinimą, jie užtikrina, kad jautrios grandinės dalys nebūtų pažeistos per didelės srovės.
Kondensatoriai
Jis veikia kaip mažas energijos kaupimo įrenginys. Jie sulaiko elektros krūvį ir prireikus gali jį greitai išleisti. Dėl to jie naudingi stabilizuojant įtampą, filtruojant signalus arba tiekiant trumpus energijos pliūpsnius.
Tranzistoriai
Jis tarnauja kaip jungikliai ir stiprintuvai. Jie gali įjungti arba išjungti srovę kaip valdomi vartai arba sustiprinti silpnus signalus. Tranzistoriai yra šiuolaikinės elektronikos dalis, nes jie leidžia grandinėms apdoroti ir valdyti informaciją.
Diodai
Nukreipkite srovės kryptį. Jie leidžia elektrai tekėti tik viena kryptimi, blokuodami ją kita kryptimi. Tai apsaugo grandines nuo atvirkštinių srovių, kurios gali pakenkti.
Komponentų tyrimai ir parinkimas projektuojant elektronines grandines
Našumo aspektai
Renkantis grandinės dalis, vienas iš pirmųjų dalykų, kuriuos reikia patikrinti, yra našumas. Tai reiškia, kad reikia žiūrėti, kaip komponentas elgsis projektuojant. Reikalinga informacija apima tai, kiek triukšmo jis prideda, kiek jis yra stabilus laikui bėgant, kiek energijos sunaudoja ir kaip gerai apdoroja signalus. Šie veiksniai nusprendžia, ar grandinė veiks taip, kaip turėtų.
Pakuotės pasirinkimas
Komponento pakuotė yra jo sukūrimo ir dydžio būdas. Tai turi įtakos tam, kiek vietos ji užima ant lentos, kiek šilumos ji gali atlaikyti ir kaip lengva ją pastatyti surinkimo metu. Mažesnės pakuotės taupo vietą, o didesnės gali būti lengviau dirbti ir geriau atlaikyti šilumą. Tinkamos pakuotės pasirinkimas padeda subalansuoti erdvę, šilumą ir naudojimo paprastumą.
Prieinamumas ir tiekimo grandinė
Nepakanka, kad dalis gerai veiktų; Jis taip pat turi būti prieinamas, kai reikia. Turėtumėte patikrinti, ar detalę galima įsigyti iš daugiau nei vieno tiekėjo ir ar ji vis tiek bus gaminama ateityje. Tai sumažina vėlavimo ar pertvarkymo riziką, jei detalę staiga tampa sunku rasti.
Atitiktis ir standartai
Elektronika turi laikytis saugos ir aplinkos taisyklių. Dalys dažnai turi atitikti tokius standartus kaip RoHS, REACH ar UL. Šie patvirtinimai užtikrina, kad komponentas yra saugus naudoti, nekenkia aplinkai ir gali būti parduodamas skirtinguose regionuose. Atitiktis yra pagrindinė komponentų pasirinkimo dalis.
Patikimumas ir įvertinimas
Patikimumas reiškia, kiek laiko ir kaip gerai komponentas gali veikti įprastai naudojant. Kad dalys tarnautų ilgiau, turėtumėte vengti jų stumti iki maksimalių ribų. Ši praktika vadinama nuvertinimu. Suteikus dalims saugią maržą, gedimo tikimybė sumažėja, o visa sistema tampa patikimesnė.
Elektroninių grandinių modeliavimo tipai projektuojant elektronines grandines
| Modeliavimo tipas | Tikslas projektuojant grandines |
|---|---|
| DC šališkumas | Patvirtina, kad visi įrenginiai veikia tinkamais įtampos ir srovės taškais. Neleidžia tranzistoriams netyčia prisotinti ar nutraukti. |
| Kintamosios srovės šlavimas | Įvertina dažnio atsaką, stiprinimą ir fazės ribą. Pagrindinis stiprintuvų, filtrų ir stabilumo analizės pagrindas. |
| Trumpalaikis | Analizuoja laiko srities elgseną, pvz., perjungimą, paleidimo atsaką, pakilimo / kritimo laiką ir viršijimą. |
| Triukšmo analizė | Prognozuoja grandinės jautrumą elektros triukšmui ir padeda optimizuoti filtravimo strategijas mažo triukšmo programoms. |
| Monte Karlas | Testuoja statistinius komponentų (rezistorių, kondensatorių, tranzistorių) nuokrypių pokyčius, užtikrindami konstrukcijos tvirtumą gamybos srityje. |
| Terminis | Įvertina šilumos išsklaidymą ir nustato galimus karštuosius taškus, kurie reikalingi maitinimo grandinėms ir kompaktiškoms konstrukcijoms. |
Galios tiekimas ir signalo vientisumas projektuojant grandinę
Energijos tiekimo tinklo (PDN) praktika
• Žvaigždės įžeminimas: naudokite žvaigždės jungtį, kad sumažintumėte įžeminimo kilpas. Tai sumažina triukšmą ir užtikrina nuoseklų atskaitos potencialą visose srityse.
• Trumpi grįžtamieji keliai: visada pateikite tiesioginius ir mažos varžos srovės grįžtamuosius kelius. Ilgos kilpos padidina induktyvumą ir įpurškia triukšmą į jautrias grandines.
• Atjungimo kondensatoriai: mažos vertės atjungimo kondensatorius pastatykite kuo arčiau IC maitinimo kaiščių. Jie veikia kaip vietiniai energijos rezervuarai ir slopina aukšto dažnio pereinamuosius laikotarpius.
• Masiniai kondensatoriai: pridėkite masinius kondensatorius šalia maitinimo įėjimo taškų. Jie stabilizuoja tiekimą staigių apkrovos pokyčių metu.
Signalo vientisumo (SI) aspektai
• Kontroliuojamos varžos maršrutas: Didelio greičio pėdsakai turi būti nukreipti su apibrėžta varža (paprastai 50 Ω vieno galo arba 100 Ω diferencialo). Tai apsaugo nuo atspindžių ir duomenų klaidų.
• Įžeminimo valdymas: laikykite analoginį ir skaitmeninį pagrindą atskirai, kad išvengtumėte trukdžių. Prijunkite juos viename taške, kad išlaikytumėte švarią atskaitos plokštumą.
• Kryžminio pokalbio mažinimas: išlaikykite atstumą tarp lygiagrečių greitųjų linijų arba naudokite žemės apsaugos pėdsakus. Tai sumažina sujungimą ir išsaugo signalo kokybę.
• Sluoksnių krūva: daugiasluoksnėse PCB skirkite ištisines plokštumas maitinimui ir žemei. Tai sumažina varžą ir padeda valdyti EMI.
PCB išdėstymas projektuojant grandines
Komponentų išdėstymas
Įdėkite komponentus pagal funkciją ir signalo srautą. Sugrupuokite susijusias dalis ir sumažinkite pėdsakų ilgį, ypač didelės spartos ar jautrioms analoginėms grandinėms. Pagrindiniai komponentai, tokie kaip osciliatoriai ar reguliatoriai, turėtų būti išdėstyti arti jų palaikomų IC.
Signalo nukreipimas
Venkite 90° pėdsakų posūkių, kad sumažintumėte varžos nepertraukiamumą ir galimą EMI. Diferencialinėms poroms, pvz., USB arba Ethernet, pėdsakų ilgiai turi būti suderinti, kad būtų išlaikytas laiko vientisumas. Atskirkite analoginius ir skaitmeninius signalus, kad išvengtumėte trukdžių.
Sluoksnių sudėliojimas
Subalansuotas ir simetriškas sluoksnių krūva pagerina gaminamumą, sumažina deformaciją ir užtikrina pastovią varžą. Specialios įžeminimo ir maitinimo plokštumos sumažina triukšmą ir stabilizuoja įtampos tiekimą.
Didelio greičio aspektai
Nukreipkite greitaeigius signalus su kontroliuojama varža, išlaikykite ištisines atskaitos plokštumas ir venkite stubų ar nereikalingų vibracijų. Grįžimo keliai turi būti trumpi, kad sumažintumėte induktyvumą ir išsaugotumėte signalo vientisumą.
Šilumos valdymas
Padėkite šilumines vibracijas po maitinimo įtaisais, kad šiluma pasklistų į vidines vario plokštumas arba priešingą PCB pusę. Didelės galios grandinėms naudokite vario liejimo ir šilumos skleidimo būdus.
Scheminis dizainas ir ERC kuriant grandines
Scheminiai projektavimo žingsniai
• Hierarchiniai lapai: suskirstykite dizainą į loginius skyrius, tokius kaip galios, analoginiai ir skaitmeniniai posistemiai. Tai palaiko sudėtingų grandinių organizavimą ir palengvina būsimą derinimą ar naujinimus.
• Prasmingas tinklo pavadinimas: vietoj bendrųjų etikečių naudokite aprašomuosius tinklo pavadinimus. Aiškus pavadinimų suteikimas padeda išvengti painiavos ir pagreitina trikčių šalinimą.
• Dizaino atributai: įtraukite įtampos nominalus, srovės reikalavimus ir tolerancijos informaciją tiesiai į schemą. Tai padeda peržiūros metu ir užtikrina, kad komponentai būtų parinkti pagal tinkamas specifikacijas.
• Pėdsakų sinchronizavimas: proceso pradžioje susiekite komponentus su teisingais PCB pėdsakais. Neatitikimų fiksavimas dabar apsaugo nuo vėlavimų ir brangaus perdirbimo PCB išdėstymo metu.
• Preliminari komplektavimo specifikacija (KS): sugeneruokite KS juodraštį iš schemos. Tai padeda įvertinti išlaidas, patikrinti dalių prieinamumą ir vadovautis pirkimo planavimu prieš užbaigiant projektavimą.
Elektros taisyklių patikrinimo (ERC) higiena
• Aptinka slankiuosius kaiščius, kurie gali sukelti neapibrėžtą elgesį.
• Pažymėti sutrumpintus tinklus, kurie gali sukelti funkcinį gedimą.
• Užtikrina, kad maitinimo ir įžeminimo jungtys būtų vienodos visoje konstrukcijoje.
Grandinės testas ir patvirtinimas
• Pridėkite svarbių signalų ir maitinimo bėgių bandymo taškus, kad matavimus būtų galima lengvai atlikti derinimo ir gamybos bandymų metu.
• Pateikite programavimo ir derinimo antraštes, tokias kaip JTAG, SWD arba UART, kad galėtumėte įkelti programinę-aparatinę įrangą, patikrinti signalus ir bendrauti su sistema kūrimo metu.
• Pirmą kartą maitindami PCB naudokite ribotos srovės maitinimo šaltinius. Tai apsaugo komponentus nuo pažeidimų, jei yra šortų ar dizaino klaidų.
• Įjunkite ir patvirtinkite kiekvieną posistemį atskirai prieš paleisdami visą sistemą kartu. Tai leidžia lengviau izoliuoti ir išspręsti problemas.
• Palyginkite visus matavimo rezultatus su originaliomis konstrukcijos specifikacijomis. Patikrinkite šilumines ribas, laiko našumą ir energijos vartojimo efektyvumą, kad įsitikintumėte, jog grandinė veikia taip, kaip numatyta.
• Išsaugokite išsamius užrašus ir testų rezultatus. Ši dokumentacija padeda ateityje peržiūrėti, šalinti triktis ir perduoti gamybos komandoms.
Išvada
Elektroninių grandinių projektavimas sujungia planavimą, modeliavimą ir testavimą, kad būtų sukurtos patikimos sistemos. Nuo specifikacijų nustatymo iki PCB išdėstymo ir patvirtinimo – kiekvienas žingsnis užtikrina, kad grandinės veiktų taip, kaip numatyta realiomis sąlygomis. Taikydami gerą dizainą ir standartus, galite sukurti saugius, efektyvius ir ilgalaikius elektroninius sprendimus.
Dažnai užduodami klausimai
1 klausimas. Kokia programinė įranga naudojama elektroninių grandinių projektavimui?
"Altium Designer", "KiCad", "Eagle" ir "OrCAD" yra įprasti schemoms ir PCB išdėstymui. Modeliavimui dažnai naudojami "LTspice", "Multisim" ir "PSpice".
2 klausimas. Kaip įžeminimas veikia grandinę?
Tinkamas įžeminimas sumažina triukšmą ir trukdžius. Antžeminės plokštumos, žvaigždžių įžeminimas ir analoginių bei skaitmeninių pagrindų atskyrimas pagerina stabilumą.
3 klausimas. Kodėl grandinėse reikalingas šilumos valdymas?
Šilumos perteklius sutrumpina komponentų tarnavimo laiką ir sumažina našumą. Radiatoriai, šiluminiai vamzdžiai, vario liejimas ir oro srautas padeda kontroliuoti temperatūrą.
4 klausimas. Kokių failų reikia norint pagaminti PCB?
Gerber failai, gręžimo failai, medžiagų specifikacija (BOM) ir surinkimo brėžiniai reikalingi tiksliam PCB gamybai ir surinkimui.
5 klausimas. Kaip tikrinamas signalo vientisumas?
Osciloskopai, laiko srities reflektometrija (TDR) ir tinklo analizatoriai tikrina varžą, kryžminį pokalbį ir iškraipymus.
6 klausimas. Kas yra gaminamumo dizainas (DFM)?
DFM reiškia grandinių, kurias lengva gaminti, sukūrimą naudojant standartinius pėdsakus, laikantis PCB ribų ir supaprastinant surinkimą.