Návrh elektronických obvodov je proces plánovania, testovania a budovania obvodov, ktoré vykonávajú špecifické úlohy. Zahŕňa definovanie požiadaviek, výber spoľahlivých dielov, vytvorenie schém, simuláciu výkonu a testovanie konečného návrhu. Dodržiavaním starostlivých krokov sa obvody stanú bezpečnými, efektívnymi a spoľahlivými. Tento článok poskytuje podrobné informácie o každej fáze procesu návrhu.
Č. 9. Schematický návrh a ERC vo vývoji obvodov
Prehľad návrhu elektronických obvodov
Návrh elektronických obvodov je proces plánovania a budovania obvodov, ktoré môžu vykonávať konkrétnu úlohu. Začína sa malými experimentmi na doske alebo prostredníctvom počítačových simulácií, aby sa skontrolovalo, či nápad funguje. Potom je návrh nakreslený v schematickom diagrame, ktorý ukazuje, ako je každá časť spojená. Dizajn sa prenesie na dosku plošných spojov (PCB), ktorú je možné vyrobiť a zostaviť do pracovného systému.
Tento proces často kombinuje rôzne typy signálov. Analógové obvody pracujú s hladkými a nepretržitými signálmi, zatiaľ čo digitálne obvody pracujú so signálmi, ktoré prepínajú medzi dvoma stavmi. Niekedy sú obe kombinované v rovnakom dizajne, aby bol systém kompletnejší.
Cieľom návrhu elektronických obvodov je vytvoriť finálny produkt, ktorý je nielen funkčný, ale aj spoľahlivý a pripravený na použitie v reálnych podmienkach. Starostlivý dizajn pomáha zabezpečiť, aby obvod fungoval správne, zostal stabilný a spĺňal bezpečnostné požiadavky.
Požiadavky na technické špecifikácie
| Kategória | Príklady špecifikácií |
|---|---|
| Elektrické | Vstupné napätie: 5–12 V, Odber prúdu: <1 A, Šírka pásma: 10 MHz |
| Načasovanie | Latencia < 50 ns, chvenie hodín < 2 ps |
| Životné prostredie | Prevádzka -40 °C až +85 °C, 90 % vlhkosť |
| Mechanické | Veľkosť DPS: 40 × 40 mm, Hmotnosť < 20 g |
| Dodržiavanie predpisov | Musí spĺňať CE/FCC, EMC trieda B |
| Náklady/výroba | Cena kusovníka <\$5, Výťažnosť montáže >95% |
Architektúra systému a návrh blokovej schémy
Táto bloková schéma znázorňuje základnú štruktúru elektronického systému jeho rozdelením na vzájomne prepojené subsystémy. Výkonový subsystém dodáva stabilnú energiu prostredníctvom batérií, DC-DC meničov a regulátorov, čím tvorí základ pre všetky ostatné bloky. V centre je riadiaci subsystém, v ktorom sa nachádza mikrokontrolér, FPGA alebo procesor zodpovedný za riadenie toku údajov a rozhodovanie.
Analógový subsystém spracováva signály v reálnom svete pomocou senzorov, zosilňovačov a filtrov, zatiaľ čo digitálne I/O umožňuje komunikáciu s externými zariadeniami prostredníctvom štandardov ako USB, SPI, UART, CAN a Ethernet. Samostatný blok taktovania a časovania zaisťuje synchronizáciu s oscilátormi, PLL a presné smerovanie pre nízky výkon chvenia.
Pre zachovanie spoľahlivosti sú zdôraznené izolačné zóny, ktoré udržujú zašumené digitálne signály mimo citlivých analógových obvodov, znižujú rušenie a zlepšujú stabilitu systému.
Základné komponenty v návrhu elektronických obvodov
Rezistory
Používajú sa na obmedzenie a reguláciu toku elektrického prúdu. Pridaním odporu zabezpečia, aby citlivé časti obvodu neboli poškodené príliš veľkým prúdom.
Kondenzátory
Funguje ako malé zariadenie na ukladanie energie. Držia elektrický náboj a v prípade potreby ho môžu rýchlo uvoľniť. Vďaka tomu sú užitočné na stabilizáciu napätia, filtrovanie signálov alebo dodávanie krátkych dávok energie.
Tranzistory
Slúži ako spínače a zosilňovače. Môžu zapínať alebo vypínať prúd ako riadená brána alebo zosilňovať slabé signály. Tranzistory sú súčasťou modernej elektroniky, pretože umožňujú obvodom spracovávať a riadiť informácie.
Diódy
Veďte smer prúdu. Umožňujú prúdenie elektriny iba jedným smerom a blokujú ju opačným smerom. Chráni obvody pred spätným prúdom, ktorý by mohol spôsobiť poškodenie.
Výskum a výber komponentov v návrhu elektronických obvodov
Úvahy o výkone
Pri výbere dielov pre obvod je jednou z prvých vecí, ktoré treba skontrolovať, výkon. To znamená pozrieť sa na to, ako sa bude komponent správať v dizajne. Požadované podrobnosti zahŕňajú, koľko šumu pridáva, ako stabilný je v priebehu času, koľko energie spotrebuje a ako dobre zvláda signály. Tieto faktory rozhodujú o tom, či bude obvod fungovať tak, ako má.
Výber balíka
Balenie komponentu je spôsob, akým je vyrobený a dimenzovaný. Ovplyvňuje to, koľko miesta zaberá na doske, koľko tepla zvládne a ako ľahko sa umiestni počas montáže. Menšie balenia šetria miesto, zatiaľ čo s väčšími sa ľahšie pracuje a lepšie zvládajú teplo. Výber správneho balíka pomáha vyvážiť priestor, teplo a jednoduchosť použitia.
Dostupnosť a dodávateľský reťazec
Nestačí, aby časť dobre fungovala; musí byť tiež k dispozícii v prípade potreby. Mali by ste skontrolovať, či je možné diel kúpiť od viacerých dodávateľov a či sa bude vyrábať aj v budúcnosti. Tým sa znižuje riziko oneskorenia alebo prepracovania, ak je diel náhle ťažké nájsť.
Súlad a normy
Elektronika musí dodržiavať pravidlá bezpečnosti a životného prostredia. Často sa vyžaduje, aby diely spĺňali normy ako RoHS, REACH alebo UL. Tieto schválenia zaisťujú, že používanie komponentu je bezpečné, nepoškodzuje životné prostredie a môže sa predávať v rôznych regiónoch. Súlad je hlavnou súčasťou výberu komponentov.
Spoľahlivosť a zníženie výkonu
Spoľahlivosť znamená, ako dlho a ako dobre môže komponent fungovať pri bežnom používaní. Aby diely vydržali dlhšie, mali by ste sa vyhnúť ich tlačeniu na maximálne limity. Táto prax sa nazýva zníženie výkonu. Poskytnutím bezpečnej rezervy dielom klesá pravdepodobnosť zlyhania a celý systém sa stáva spoľahlivejším.
Typy simulácií obvodov pri navrhovaní elektronických obvodov
| Typ simulácie | Účel v návrhu obvodov |
|---|---|
| Zaujatosť DC | Potvrdzuje, že všetky zariadenia pracujú v správnych objtage a prúdové body. Zabraňuje nasýteniu alebo neúmyselnému prerušeniu tranzistorov. |
| Zametanie striedavým prúdom | Vyhodnocuje frekvenčnú odozvu, zosilnenie a fázovú rezervu. Základ pre zosilňovače, filtre a analýzu stability. |
| Prechodné | Analyzuje správanie v časovej doméne, ako je prepínanie, odozva pri spustení, časy vzostupu/poklesu a prekročenie. |
| Analýza hluku | Predpovedá citlivosť obvodu na elektrický šum a pomáha optimalizovať stratégie filtrovania pre aplikácie s nízkym šumom. |
| Monte Carlo | Testuje štatistické odchýlky v toleranciách komponentov (rezistory, kondenzátory, tranzistory), čím zabezpečuje robustnosť dizajnu v celom výrobnom rozsahu. |
| Tepelné | Odhaduje odvod tepla a identifikuje potenciálne horúce miesta, ktoré sú potrebné pre napájacie obvody a kompaktné konštrukcie. |
Napájanie a integrita signálu v návrhu obvodov
Postupy napájacej siete (PDN).
• Hviezdicové uzemnenie: Použite hviezdicové pripojenie, aby ste minimalizovali uzemňovacie slučky. To znižuje hluk a zaisťuje konzistentný referenčný potenciál vo všetkých oblastiach.
• Krátke spätné cesty: Vždy zabezpečte priame a nízkoimpedančné spätné cesty pre prúd. Dlhé slučky zvyšujú indukčnosť a vstrekujú šum do citlivých obvodov.
• Oddeľovacie kondenzátory: Umiestnite malohodnotové oddeľovacie kondenzátory čo najbližšie k napájacím kolíkom IC. Pôsobia ako lokálne rezervoáre energie a potláčajú vysokofrekvenčné prechodové javy.
• Hromadné kondenzátory: Pridajte objemové kondenzátory v blízkosti vstupných bodov napájania. Tie stabilizujú dodávku pri náhlych zmenách zaťaženia.
Úvahy o integrite signálu (SI)
• Riadené smerovanie impedancie: Vysokorýchlostné stopy by mali byť vedené s definovanou impedanciou (zvyčajne 50 Ω jednostranne alebo 100 Ω diferenciálne). Tým sa zabráni odrazom a chybám údajov.
• Pozemná správa: Udržujte analógové a digitálne uzemnenie oddelené, aby ste predišli rušeniu. Spojte ich v jednom bode, aby ste udržali čistú referenčnú rovinu.
• Redukcia presluchov: Udržujte medzery medzi paralelnými vysokorýchlostnými traťami alebo používajte stopy zemnej ochrany. Tým sa minimalizuje väzba a zachováva sa kvalita signálu.
• Vrstvenie vrstiev: Vo viacvrstvových PCB vyhradte súvislé roviny pre napájanie a zem. To znižuje impedanciu a pomáha kontrolovať EMI.
Rozloženie PCB v návrhu obvodov
Umiestnenie komponentov
Umiestnite komponenty na základe funkcie a toku signálu. Zoskupte súvisiace časti dohromady a minimalizujte dĺžky stôp, najmä pre vysokorýchlostné alebo citlivé analógové obvody. Základné komponenty, ako sú oscilátory alebo regulátory, by mali byť umiestnené blízko integrovaných obvodov, ktoré podporujú.
Smerovanie signálu
Vyhnite sa 90° stopovým ohybom, aby ste znížili diskontinuity impedancie a potenciálne EMI. V prípade diferenciálnych párov, ako je USB alebo Ethernet, udržujte dĺžky stôp zladené, aby sa zachovala integrita časovania. Oddeľte analógové a digitálne signály, aby ste zabránili rušeniu.
Stohovanie vrstiev
Vyvážené a symetrické vrstvenie zlepšuje vyrobiteľnosť, znižuje deformáciu a poskytuje konzistentnú impedanciu. Vyhradené uzemňovacie a výkonové roviny znižujú šum a stabilizujú dodávku napätia.
Úvahy o vysokej rýchlosti
Smerujte vysokorýchlostné signály s riadenou impedanciou, udržujte súvislé referenčné roviny a vyhnite sa pahýľom alebo zbytočným priechodom. Udržujte spätné cesty krátke, aby ste minimalizovali indukčnosť a zachovali integritu signálu.
Tepelný manažment
Umiestnite tepelné priechody pod napájacie zariadenia, aby sa teplo rozšírilo do vnútorných medených rovín alebo na opačnú stranu DPS. Pre vysokovýkonné obvody používajte medené nálievky a techniky šírenia tepla.
Schematický návrh a ERC vo vývoji obvodov
Kroky schematického návrhu
• Hierarchické hárky: Rozdeľte návrh na logické časti, ako sú napájacie, analógové a digitálne subsystémy. To udržuje zložité obvody organizované a uľahčuje budúce ladenie alebo aktualizácie.
• Zmysluplné pomenovanie sietí: Namiesto všeobecných štítkov používajte popisné názvy sietí. Jasné pomenovanie zabraňuje nejasnostiam a urýchľuje riešenie problémov.
• Atribúty návrhu: Zahrňte menovité napätie, požiadavky na prúd a informácie o tolerancii priamo do schémy. To pomáha pri kontrole a zaisťuje výber komponentov so správnymi špecifikáciami.
• Synchronizácia stôp: Prepojte komponenty s ich správnymi stopami PCB na začiatku procesu. Zachytenie nesúladov teraz zabraňuje oneskoreniam a nákladným prepracovaniam počas rozloženia PCB.
• Predbežný kusovník (BOM): Vygenerujte návrh kusovníka zo schémy. To pomáha odhadnúť náklady, skontrolovať dostupnosť dielov a usmerniť plánovanie obstarávania pred dokončením návrhu.
Hygiena kontroly elektrických pravidiel (ERC)
• Detekuje plávajúce kolíky, ktoré môžu spôsobiť nedefinované správanie.
• Označuje skrátené siete, ktoré by mohli viesť k funkčnému zlyhaniu.
• Zaisťuje konzistentné napájanie a uzemnenie v celom dizajne.
Test a validácia obvodu
• Pridajte testovacie body na dôležité signály a napájacie lišty, aby bolo možné ľahko vykonávať merania počas ladenia a výrobného testovania.
• Poskytnite programovacie a ladiace hlavičky, ako sú JTAG, SWD alebo UART, na načítanie firmvéru, kontrolu signálov a komunikáciu so systémom počas vývoja.
• Pri prvom napájaní PCB použite napájacie zdroje s obmedzeným prúdom. To chráni komponenty pred poškodením v prípade skratov alebo konštrukčných chýb.
• Pred spustením celého systému spoločne zapnite a overte každý subsystém samostatne. To uľahčuje izoláciu a riešenie problémov.
• Porovnajte všetky namerané výsledky s pôvodnými konštrukčnými špecifikáciami. Skontrolujte tepelné limity, výkon časovania a energetickú účinnosť, aby ste sa uistili, že obvod funguje tak, ako má.
• Uchovávajte si podrobné poznámky a výsledky testov. Táto dokumentácia pomáha pri budúcich revíziách, riešení problémov a odovzdávaní produkčným tímom.
Záver
Návrh elektronických obvodov kombinuje plánovanie, simuláciu a testovanie na vytvorenie spoľahlivých systémov. Od nastavenia špecifikácií až po rozloženie a validáciu PCB, každý krok zaisťuje, že obvody budú v reálnych podmienkach fungovať tak, ako majú. Použitím dobrého dizajnu a noriem môžete vyvinúť bezpečné, efektívne a dlhotrvajúce elektronické riešenia.
často kladené otázky
Otázka 1. Aký softvér sa používa na návrh elektronických obvodov?
Altium Designer, KiCad, Eagle a OrCAD sú spoločné pre schémy a rozloženie PCB. LTspice, Multisim a PSpice sa často používajú na simulácie.
Otázka 2. Ako uzemnenie ovplyvňuje obvod?
Správne uzemnenie znižuje hluk a rušenie. Uzemňovacie roviny, hviezdicové uzemnenie a oddelenie analógového a digitálneho uzemnenia zlepšujú stabilitu.
Otázka 3. Prečo je potrebný tepelný manažment v obvodoch?
Prebytočné teplo skracuje životnosť komponentov a znižuje výkon. Chladiče, tepelné priechody, medené nálievky a prúdenie vzduchu pomáhajú regulovať teplotu.
Štvrťrok 4. Aké súbory sú potrebné na vytvorenie PCB?
Na presnú výrobu a montáž PCB sú potrebné pilníky Gerber, vŕtacie pilníky, kusovník (BOM) a montážne výkresy.
Otázka 5. Ako sa testuje integrita signálu?
Osciloskopy, reflektometria v časovej oblasti (TDR) a sieťové analyzátory kontrolujú impedanciu, presluchy a skreslenie.
Otázka 6. Čo je dizajn pre vyrobiteľnosť (DFM)?
DFM znamená vytváranie obvodov, ktoré sa dajú ľahko vyrobiť pomocou štandardných pôdorysov, dodržiavanie limitov PCB a zjednodušenie montáže.