Az elektronikus áramkörök tervezése az áramkörök tervezésének, tesztelésének és építésének folyamata, amelyek meghatározott feladatokat látnak el. Ez magában foglalja a követelmények meghatározását, a megbízható alkatrészek kiválasztását, a kapcsolási rajzok készítését, a teljesítmény szimulálását és a végső terv tesztelését. A gondos lépések követésével az áramkörök biztonságossá, hatékonysá és megbízhatóvá válnak. Ez a cikk részletes információkat nyújt a tervezési folyamat egyes szakaszairól.
Az elektronikus áramkör tervezésének áttekintése
Az elektronikus áramkörök tervezése olyan áramkörök tervezésének és építésének folyamata, amelyek egy adott feladatot képesek elvégezni. Kis kísérletekkel kezdődik egy kenyértáblán vagy számítógépes szimulációkkal, hogy ellenőrizze, működik-e az ötlet. Ezt követően a tervet egy sematikus diagramon rajzolják meg, amely megmutatja, hogyan kapcsolódnak az egyes részek. A tervezést egy nyomtatott áramköri lapra (PCB) továbbítják, amely előállítható és működő rendszerré állítható össze.
Ez a folyamat gyakran kombinálja a különböző típusú jeleket. Az analóg áramkörök sima és folyamatos jelekkel működnek, míg a digitális áramkörök két állapot között váltó jelekkel működnek. Néha mindkettőt ugyanabban a kialakításban kombinálják, hogy a rendszer teljesebb legyen.
Az elektronikus áramkörök tervezésének célja egy olyan végtermék létrehozása, amely nemcsak működőképes, hanem megbízható és valós körülmények között is használatra kész. A gondos tervezés segít abban, hogy az áramkör megfelelően működjön, stabil maradjon és megfeleljen a biztonsági követelményeknek.
A műszaki előírásokra vonatkozó követelmények
| Kategória | Példa specifikációkra |
|---|---|
| Elektromos | Bemeneti feszültség: 5–12 V, Áramfelvétel: <1 A, Sávszélesség: 10 MHz |
| Időzítés | Késleltetés < 50 ns, órajel jitter < 2 ps |
| Környezetvédelem | -40°C és +85°C között, 90% páratartalom mellett működik |
| Mechanikai | NYÁK mérete: 40 × 40 mm, súlya < 20 g |
| Megfelelőség | Meg kell felelnie a CE/FCC-nek, az EMC B osztályának |
| Költség/termelés | Anyagjegyzék költsége <\$5, összeállítási hozam >95% |
Rendszerarchitektúra és blokkdiagram tervezés
Ez a blokkdiagram egy elektronikus rendszer magszerkezetét szemlélteti azáltal, hogy összekapcsolt alrendszerekre bontja. A Power alrendszer stabil energiát szolgáltat akkumulátorokon, DC-DC átalakítókon és szabályozókon keresztül, amelyek az összes többi blokk alapját képezik. A középpontban a vezérlő alrendszer áll, amely egy mikrovezérlőt, FPGA-t vagy processzort tartalmaz, amely az adatáramlás és a döntéshozatal kezeléséért felelős.
Az analóg alrendszer érzékelők, erősítők és szűrők segítségével kezeli a valós jeleket, míg a digitális I/O lehetővé teszi a külső eszközökkel való kommunikációt olyan szabványokon keresztül, mint az USB, SPI, UART, CAN és Ethernet. Egy különálló Clocking & Timing blokk biztosítja a szinkronizálást az oszcillátorokkal, PLL-ekkel és a precíz útválasztást az alacsony jitter teljesítmény érdekében.
A megbízhatóság fenntartása érdekében kiemelik az izolációs zónákat, amelyek távol tartják a zajos digitális jeleket az érzékeny analóg áramköröktől, csökkentve az interferenciát és javítva a rendszer stabilitását.
Az elektronikus áramkörök tervezésének alapvető alkatrészei
Ellenállások
Ezeket az elektromos áram áramlásának korlátozására és szabályozására használják. Az ellenállás hozzáadásával gondoskodnak arról, hogy az áramkör érzékeny részeit ne károsítsa a túl sok áram.
Kondenzátorok
Kis energiatároló eszközként működik. Elektromos töltést tartanak, és szükség esetén gyorsan el tudják engedni. Ez hasznossá teszi őket a feszültség stabilizálására, a jelek szűrésére vagy a rövid áramkitörések biztosítására.
Tranzisztorok
Kapcsolóként és erősítőként szolgál. Be- vagy kikapcsolhatják az áramot, mint egy vezérelt kapu, vagy erősebbé tehetik a gyenge jeleket. A tranzisztorok a modern elektronika részét képezik, mert lehetővé teszik az áramkörök számára az információk feldolgozását és vezérlését.
Diódák
Irányítsa az áram irányát. Lehetővé teszik, hogy az áram csak egy irányba áramoljon, és a másik irányba blokkolja azt. Ez megvédi az áramköröket a fordított áramoktól, amelyek károsodást okozhatnak.
Alkatrészkutatás és kiválasztás az elektronikus áramkörök tervezésében
Teljesítménybeli szempontok
Az áramkör alkatrészeinek kiválasztásakor az egyik első dolog, amit ellenőrizni kell, a teljesítmény. Ez azt jelenti, hogy meg kell vizsgálni, hogyan fog viselkedni az alkatrész a tervezés során. A szükséges részletek közé tartozik, hogy mennyi zajt ad hozzá, mennyire stabil az idő múlásával, mennyi energiát használ és mennyire jól kezeli a jeleket. Ezek a tényezők döntik el, hogy az áramkör úgy fog működni, ahogy kellene.
Csomag kiválasztása
Az alkatrész csomagja az építés és a méretezés módja. Ez befolyásolja, hogy mennyi helyet foglal el a táblán, mennyi hőt bír el, és mennyire könnyű elhelyezni az összeszerelés során. A kisebb csomagok helyet takarítanak meg, míg a nagyobbakkal könnyebb dolgozni és jobban kezelik a hőt. A megfelelő csomag kiválasztása segít egyensúlyt teremteni a hely, a hő és a könnyű használat között.
Elérhetőség és ellátási lánc
Nem elég, ha egy alkatrész jól működik; szükség esetén rendelkezésre kell állnia. Ellenőrizze, hogy az alkatrész megvásárolható-e egynél több szállítótól, és hogy a jövőben is gyártják-e. Ez csökkenti a késedelmek vagy újratervezés kockázatát, ha az alkatrészt hirtelen nehéz megtalálni.
Megfelelőség és szabványok
Az elektronikának be kell tartania a biztonsági és környezetvédelmi szabályokat. Az alkatrészeknek gyakran meg kell felelniük az olyan szabványoknak, mint az RoHS, a REACH vagy az UL. Ezek a jóváhagyások biztosítják, hogy az alkatrész biztonságos legyen, ne károsítsa a környezetet, és különböző régiókban értékesíthető legyen. A megfelelőség az összetevők kiválasztásának fő része.
Megbízhatóság és leértékelés
A megbízhatóság azt jelenti, hogy egy alkatrész mennyi ideig és milyen jól tud működni normál használat mellett. Az alkatrészek hosszabb élettartama érdekében kerülje a maximális határok feszegetését. Ezt a gyakorlatot leértékelésnek nevezik. Ha az alkatrészeknek biztonságos mozgásteret adunk, csökken a meghibásodás esélye, és az egész rendszer megbízhatóbbá válik.
Az áramkör-szimulációk típusai az elektronikus áramkörök tervezésében
| Szimuláció típusa | Cél az áramkörök tervezésében |
|---|---|
| DC torzítás | Megerősíti, hogy minden eszköz a megfelelő feszültség- és árampontokon működik. Megakadályozza a tranzisztorok véletlen telítettségét vagy levágását. |
| AC seprés | Kiértékeli a frekvenciaválaszt, az erősítést és a fázismargót. Alap erősítőkhöz, szűrőkhöz és stabilitáselemzéshez. |
| Átmeneti | Elemzi az időtartomány viselkedését, például a váltást, az indítási választ, az emelkedési/csökkenési időket és a túllövést. |
| Zajelemzés | Megjósolja az áramkör érzékenységét az elektromos zajra, és segít optimalizálni a szűrési stratégiákat az alacsony zajszintű alkalmazásokhoz. |
| Monte Carlo | Teszteli az alkatrészek tűréshatárainak statisztikai változásait (ellenállások, kondenzátorok, tranzisztorok), biztosítva a tervezés robusztusságát a gyártási eloszlás során. |
| Termikus | Megbecsüli a hőelvezetést és azonosítja a potenciális hotspotokat, amelyek az áramkörökhöz és a kompakt kialakításokhoz szükségesek. |
Tápellátás és jelintegritás az áramkör tervezésében
Energiaellátó hálózat (PDN) gyakorlatok
• Csillagföldelés: Használjon csillagcsatlakozást a földhurkok minimalizálása érdekében. Ez csökkenti a zajt és biztosítja az állandó referenciapotenciált.
• Rövid visszatérési utak: Mindig biztosítson közvetlen és alacsony impedanciájú visszatérési utakat az áramhoz. A hosszú hurkok növelik az induktivitást és zajt fecskendeznek be az érzékeny áramkörökbe.
• Leválasztó kondenzátorok: Helyezze a kis értékű leválasztó kondenzátorokat a lehető legközelebb az IC tápérintkezőihez. Helyi energiatárolóként működnek, és elnyomják a nagyfrekvenciás tranzienseket.
• Ömlesztett kondenzátorok: Ömlesztett kondenzátorok hozzáadása az áramellátási pontok közelében. Ezek stabilizálják az ellátást hirtelen terhelésváltozások esetén.
Jelintegritási (SI) szempontok
• Szabályozott impedancia útválasztás: A nagy sebességű nyomvonalakat meghatározott impedanciával kell irányítani (általában 50 Ω egyvégű vagy 100 Ω differenciálművel). Ez megakadályozza a tükröződéseket és az adathibákat.
• Földkezelés: Az interferencia elkerülése érdekében tartsa elkülönítve az analóg és a digitális földelést. Csatlakoztassa őket egyetlen ponton a tiszta referenciasík fenntartásához.
• Áthallás csökkentése: Tartsa meg a távolságot a párhuzamos nagysebességű vonalak között, vagy használjon talajvédő nyomvonalakat. Ez minimalizálja a csatolást és megőrzi a jel minőségét.
• Rétegréteg: A többrétegű NYÁK-ban folyamatos síkokat dedikáljon az áramellátáshoz és a földeléshez. Ez csökkenti az impedanciát és segít az EMI vezérlésében.
NYÁK-elrendezés az áramkör tervezésében
Alkatrészek elhelyezése
Helyezze el az alkatrészeket a funkció és a jeláramlás alapján. Csoportosítsa a kapcsolódó alkatrészeket, és minimalizálja a nyomvonalak hosszát, különösen a nagy sebességű vagy érzékeny analóg áramkörök esetében. Az alapvető alkatrészeket, például az oszcillátorokat vagy a szabályozókat az általuk támogatott IC-k közelében kell elhelyezni.
Jel továbbítása
Kerülje a 90°-os nyomkanyarokat az impedancia folytonossági zavarainak és az esetleges EMI csökkentése érdekében. Differenciálpárok, például USB vagy Ethernet esetén tartsa a nyomkövetési hosszokat az időzítés integritásának megőrzése érdekében. Külön analóg és digitális jelek az interferencia elkerülése érdekében.
Rétegek halmozása
A kiegyensúlyozott és szimmetrikus réteghalmozás javítja a gyárthatóságot, csökkenti a vetemedést és egyenletes impedanciát biztosít. A dedikált földi és erősíkok csökkentik a zajt és stabilizálják a feszültségleadást.
Nagy sebességű szempontok
Irányítsa a nagy sebességű jeleket szabályozott impedanciával, tartson fenn folyamatos referenciasíkokat, és kerülje el a csonkokat vagy a felesleges áthaladásokat. Tartsa röviden a visszatérési utakat az induktivitás minimalizálása és a jel integritásának megőrzése érdekében.
Hőkezelés
Helyezzen hőcsöveket az elektromos készülékek alá, hogy a hőt elterjessze a belső rézsíkokra vagy a NYÁK másik oldalára. Használjon rézöntést és hőeloszlató technikákat a nagy teljesítményű áramkörökhöz.
Vázlatos tervezés és ERC az áramkörfejlesztésben
Sematikus tervezési lépések
• Hierarchikus lapok: Bontsa le a tervezést logikai szakaszokra, például tápellátási, analóg és digitális alrendszerekre. Ez rendszerezi az összetett áramköröket, és megkönnyíti a jövőbeni hibakeresést vagy frissítéseket.
• Értelmes hálózati elnevezés: Használjon leíró hálóneveket az általános címkék helyett. Az egyértelmű elnevezés elkerüli a félreértéseket és felgyorsítja a hibaelhárítást.
• Tervezési attribútumok: Tartalmazza a névleges feszültséget, az áramkövetelményeket és a tűrésinformációkat közvetlenül a kapcsolási rajzon. Ez segít a felülvizsgálat során, és biztosítja, hogy az alkatrészeket a megfelelő specifikációkkal válasszák ki.
• Lábnyom szinkronizálása: Csatlakoztassa az alkatrészeket a megfelelő NYÁK-lábnyomhoz a folyamat korai szakaszában. Az eltérések észlelése most megakadályozza a késéseket és a költséges utómunkálatokat a NYÁK-elrendezés során.
• Előzetes anyagjegyzék (BOM): Hozzon létre egy anyagjegyzék-vázlatot a kapcsolási rajzból. Ez segít megbecsülni a költségeket, ellenőrizni az alkatrészek rendelkezésre állását, és irányítani a beszerzés tervezését a tervezés véglegesítése előtt.
Elektromos szabályellenőrzés (ERC) higiénia
• Észleli a lebegő csapokat, amelyek meghatározatlan viselkedést okozhatnak.
• Megjelöli a rövidített hálókat, amelyek működési hibát okozhatnak.
• Biztosítja, hogy a tápellátás és a földelés konzisztens legyen a kialakítás során.
Áramköri teszt és validálás
• Adjon hozzá tesztpontokat a fontos jelekhez és tápsínekhez, hogy a mérések könnyen elvégezhetők legyenek a hibakeresés és a gyártási tesztelés során.
• Biztosítson programozási és hibakeresési fejléceket, például JTAG, SWD vagy UART a firmware betöltéséhez, a jelek ellenőrzéséhez és a rendszerrel való kommunikációhoz a fejlesztés során.
• Használjon korlátozott áramú tápegységeket a NYÁK első áramellátásakor. Ez megvédi az alkatrészeket a sérülésektől, ha rövidzárlatok vagy tervezési hibák vannak.
• Kapcsolja be és ellenőrizze az egyes alrendszereket külön-külön, mielőtt a teljes rendszert együtt futtatná. Ez megkönnyíti a problémák elkülönítését és kijavítását.
• Hasonlítsa össze az összes mért eredményt az eredeti tervezési specifikációkkal. Ellenőrizze a hőhatárokat, az időzítési teljesítményt és az energiahatékonyságot, hogy megbizonyosodjon arról, hogy az áramkör rendeltetésszerűen működik.
• Őrizzen részletes jegyzeteket és vizsgálati eredményeket. Ez a dokumentáció segítséget nyújt a jövőbeli felülvizsgálatokban, a hibaelhárításban és az éles csapatoknak való átadásban.
Következtetés
Az elektronikus áramkörök tervezése ötvözi a tervezést, a szimulációt és a tesztelést a megbízható rendszerek létrehozásához. A specifikációk beállításától a NYÁK-elrendezésig és az ellenőrzésig minden lépés biztosítja, hogy az áramkörök valós körülmények között rendeltetésszerűen működjenek. A jó tervezés és szabványok alkalmazásával biztonságos, hatékony és hosszú élettartamú elektronikus megoldásokat fejleszthet ki.
Gyakran ismételt kérdések
1. kérdés. Milyen szoftvert használnak az elektronikus áramkörök tervezéséhez?
Az Altium Designer, a KiCad, az Eagle és az OrCAD gyakori a kapcsolási rajzok és a NYÁK-elrendezés szempontjából. Az LTspice-t, a Multisim-et és a PSpice-t gyakran használják szimulációkhoz.
2. kérdés. Hogyan befolyásolja a földelés az áramkört?
A megfelelő földelés csökkenti a zajt és az interferenciát. Az alaplapok, a csillagföldelés, valamint az analóg és digitális földelés elválasztása javítja a stabilitást.
3. kérdés. Miért van szükség hőkezelésre az áramkörökben?
A felesleges hő lerövidíti az alkatrészek élettartamát és csökkenti a teljesítményt. A hűtőbordák, a hőáteresztők, a rézöntések és a légáramlás segítenek a hőmérséklet szabályozásában.
4. negyedév. Milyen fájlok szükségesek a PCB elkészítéséhez?
Gerber-fájlokra, fúrófájlokra, anyagjegyzékre (BOM) és összeszerelési rajzokra van szükség a pontos NYÁK-gyártáshoz és összeszereléshez.
5. kérdés. Hogyan tesztelik a jel integritását?
Oszcilloszkópok, időtartomány-reflektometria (TDR) és hálózati analizátorok ellenőrzik az impedanciát, az áthallást és a torzítást.
6. kérdés. Mi az a gyárthatósági tervezés (DFM)?
A DFM olyan áramkörök létrehozását jelenti, amelyek könnyen előállíthatók szabványos lábnyomok használatával, a NYÁK-határértékek betartásával és az összeszerelés egyszerűsítésével.