Elektroniske kredsløb: Specifikationer, PCB-layout og test 

Elektronisk kredsløbsdesign er processen med planlægning, test og opbygning af kredsløb, der udfører specifikke opgaver. Det involverer at definere krav, vælge pålidelige dele, skabe skemaer, simulere ydeevne og teste det endelige design. Ved at følge omhyggelige trin bliver kredsløb sikre, effektive og pålidelige. Denne artikel indeholder detaljerede oplysninger om hvert trin i designprocessen. 

Oversigt over elektronisk kredsløbsdesign  

Elektronisk kredsløbsdesign er processen med at planlægge og bygge kredsløb, der kan udføre en bestemt opgave. Det begynder med små eksperimenter på et breadboard eller gennem computersimuleringer for at kontrollere, om ideen virker. Derefter tegnes designet i et skematisk diagram, der viser, hvordan hver del er forbundet. Designet overføres til et printkort (PCB), som kan produceres og samles i et arbejdssystem. 

Denne proces kombinerer ofte forskellige typer signaler. Analoge kredsløb arbejder med glatte og kontinuerlige signaler, mens digitale kredsløb arbejder med signaler, der skifter mellem to tilstande. Nogle gange kombineres begge i samme design for at gøre systemet mere komplet. 

Målet med elektronisk kredsløbsdesign er at skabe et slutprodukt, der ikke kun er funktionelt, men også pålideligt og klar til brug under virkelige forhold. Omhyggeligt design hjælper med at sikre, at kredsløbet fungerer korrekt, forbliver stabilt og opfylder sikkerhedskravene. 

Krav til tekniske specifikationer 

Systemarkitektur og blokdiagramdesign 

Dette blokdiagram illustrerer kernestrukturen i et elektronisk system ved at opdele det i indbyrdes forbundne delsystemer. Power Subsystem leverer stabil energi gennem batterier, DC-DC-konvertere og regulatorer, der danner grundlaget for alle andre blokke. I centrum er kontrolundersystemet, som huser en mikrocontroller, FPGA eller processor, der er ansvarlig for at styre dataflow og beslutningstagning. 

Det analoge undersystem håndterer signaler fra den virkelige verden ved hjælp af sensorer, forstærkere og filtre, mens den digitale I/O muliggør kommunikation med eksterne enheder gennem standarder som USB, SPI, UART, CAN og Ethernet. En separat klokke- og timingblok sikrer synkronisering med oscillatorer, PLL'er og præcis routing for lav jitterydelse. 

For at opretholde pålideligheden fremhæves isolationszoner, som holder støjende digitale signaler væk fra følsomme analoge kredsløb, hvilket reducerer interferens og forbedrer systemets stabilitet. 

Grundlæggende komponenter i elektronisk kredsløbsdesign 

Modstande  

Disse bruges til at begrænse og kontrollere strømmen af elektrisk strøm. Ved at tilføje modstand sørger de for, at følsomme dele af et kredsløb ikke beskadiges af for meget strøm. 

Kondensatorer 

Det fungerer som en lille energilagringsenhed. De holder en elektrisk ladning og kan frigive den hurtigt, når det er nødvendigt. Dette gør dem nyttige til at stabilisere spænding, filtrere signaler eller levere korte strømudbrud. 

Transistorer  

Det fungerer som kontakter og forstærkere. De kan tænde eller slukke for strømmen som en kontrolleret port eller gøre svage signaler stærkere. Transistorer er en del af moderne elektronik, fordi de tillader kredsløb at behandle og kontrollere information. 

Dioder  

Styr strømretningen. De tillader kun elektricitet at flyde i én retning og blokerer den den anden vej. Dette beskytter kredsløb mod omvendte strømme, der kan forårsage skade. 

Komponentforskning og -udvælgelse i elektronisk kredsløbsdesign 

Overvejelser om ydeevne 

Når du vælger dele til et kredsløb, er en af de første ting at kontrollere ydeevnen. Det betyder, at man skal se på, hvordan komponenten vil opføre sig i designet. Påkrævede detaljer omfatter, hvor meget støj den tilføjer, hvor stabil den er over tid, hvor meget strøm den bruger, og hvor godt den håndterer signaler. Disse faktorer afgør, om kredsløbet vil fungere, som det skal. 

Valg af pakke 

Pakken med en komponent er den måde, den er bygget og dimensioneret på. Det påvirker, hvor meget plads det tager på brættet, hvor meget varme det kan klare, og hvor nemt det er at placere under monteringen. Mindre pakker sparer plads, mens større pakker kan være nemmere at arbejde med og håndtere varme bedre. At vælge den rigtige pakke hjælper med at balancere plads, varme og brugervenlighed. 

Tilgængelighed og forsyningskæde 

Det er ikke nok, at en del fungerer godt; Den skal også være tilgængelig, når det er nødvendigt. Du bør tjekke, om delen kan købes hos mere end én leverandør, og om den stadig vil blive produceret i fremtiden. Dette reducerer risikoen for forsinkelser eller redesign, hvis delen pludselig bliver svær at finde. 

Overholdelse og standarder 

Elektronik skal følge regler for sikkerhed og miljø. Dele skal ofte opfylde standarder som RoHS, REACH eller UL. Disse godkendelser sikrer, at komponenten er sikker at bruge, ikke skader miljøet og kan sælges i forskellige regioner. Overholdelse er en vigtig del af valg af komponenter. 

Pålidelighed og nedsættelse 

Pålidelighed betyder, hvor længe og hvor godt en komponent kan blive ved med at fungere under normal brug. For at få dele til at holde længere, Du bør undgå at presse dem til deres maksimale grænser. Denne praksis kaldes derating. Ved at give dele en sikker margin falder chancerne for fejl, og hele systemet bliver mere pålideligt. 

Typer af kredsløbssimuleringer i elektronisk kredsløbsdesign 

Strømforsyning og signalintegritet i kredsløbsdesign 

Praksis for strømforsyningsnetværk (PDN) 

• Stjernejording: Brug en stjerneforbindelse til at minimere jordsløjfer. Dette reducerer støj og sikrer ensartet referencepotentiale over hele linjen. 

• Korte returveje: Sørg altid for direkte og lav impedans returveje for strøm. Lange sløjfer øger induktansen og injicerer støj i følsomme kredsløb. 

• Afkoblingskondensatorer: Placer afkoblingskondensatorer af lille værdi så tæt som muligt på IC-strømbenene. De fungerer som lokale energireservoirer og undertrykker højfrekvente transienter. 

• Bulkkondensatorer: Tilføj bulkkondensatorer i nærheden af strømindgangspunkter. Disse stabiliserer forsyningen under pludselige belastningsændringer. 

Overvejelser om signalintegritet (SI) 

• Kontrolleret impedansrouting: Højhastighedsspor skal dirigeres med defineret impedans (typisk 50 Ω single-ended eller 100 Ω differentiale). Dette forhindrer refleksioner og datafejl. 

• Jordstyring: Hold analoge og digitale grunde adskilt for at undgå interferens. Forbind dem på et enkelt punkt for at opretholde et rent referenceplan. 

• Reduktion af krydstale: Oprethold afstanden mellem parallelle højhastighedsstrækninger, eller brug jordbeskyttelsesspor. Dette minimerer koblingen og bevarer signalkvaliteten. 

• Layer Stackup: I flerlags printkort skal du dedikere kontinuerlige planer til strøm og jord. Dette reducerer impedansen og hjælper med at kontrollere EMI. 

PCB-layout i kredsløbsdesign 

Placering af komponenter 

 Placer komponenter baseret på funktion og signalflow. Gruppér relaterede dele sammen og minimer sporlængder, især for højhastighedskredsløb eller følsomme analoge kredsløb. Grundlæggende komponenter som oscillatorer eller regulatorer skal placeres tæt på de IC'er, de understøtter. 

Signal routing 

 Undgå 90° sporbøjninger for at reducere impedansdiskontinuiteter og potentiel EMI. For differentialpar, såsom USB eller Ethernet, skal du holde sporingslængderne matchet for at opretholde timingintegriteten. Adskil analoge og digitale signaler for at forhindre interferens. 

Lag stabling 

 En afbalanceret og symmetrisk lagstabling forbedrer fremstillingsevnen, reducerer vridning og giver ensartet impedans. Dedikerede jord- og strømplaner sænker støj og stabiliserer spændingsleveringen. 

Overvejelser om høj hastighed 

 Diriger højhastighedssignaler med kontrolleret impedans, oprethold kontinuerlige referenceplaner, og undgå stubbe eller unødvendige vias. Hold returvejene korte for at minimere induktansen og bevare signalintegriteten. 

Termisk styring 

 Placer termiske vias under strømenheder for at sprede varmen ind i de indre kobberplaner eller den modsatte side af printkortet. Brug kobberhældninger og varmespredningsteknikker til kredsløb med høj effekt. 

Skematisk design og ERC i kredsløbsudvikling 

Skematiske designtrin 

• Hierarkiske ark: Opdel designet i logiske sektioner såsom strøm, analoge og digitale undersystemer. Dette holder komplekse kredsløb organiseret og gør fremtidig fejlfinding eller opdateringer lettere. 

• Meningsfuld netnavngivning: Brug beskrivende netnavne i stedet for generiske etiketter. Tydelig navngivning undgår forvirring og fremskynder fejlfinding. 

• Designattributter: Inkluder spændingsværdier, aktuelle krav og toleranceoplysninger direkte i skemaet. Dette hjælper under gennemgangen og sikrer, at komponenterne vælges med de rigtige specifikationer. 

• Synkronisering af fodaftryk: Link komponenter til deres korrekte PCB-fodaftryk tidligt i processen. At fange uoverensstemmelser forhindrer nu forsinkelser og dyr omarbejdning under printkortlayout. 

• Foreløbig stykliste (BOM): Generer en kladde-stykliste ud fra skemaet. Dette hjælper med at estimere omkostninger, kontrollere delens tilgængelighed og guide indkøbsplanlægningen, før designet afsluttes. 

Hygiejne ved kontrol af elektriske regler (ERC) 

• Registrerer flydende stifter, der kan forårsage udefineret adfærd. 

• Markerer forkortede net, der kan resultere i funktionsfejl. 

• Sikrer, at strøm- og jordforbindelser er ensartede på tværs af designet. 

Kredsløbstest og validering 

• Tilføj testpunkter på vigtige signaler og strømskinner, så målinger nemt kan foretages under fejlfinding og produktionstest. 

• Giv programmerings- og fejlretningsheadere såsom JTAG, SWD eller UART til at indlæse firmware, kontrollere signaler og kommunikere med systemet under udviklingen. 

• Brug strømbegrænsede strømforsyninger, når du tænder for printkortet for første gang. Dette beskytter komponenter mod skader, hvis der er shorts eller designfejl. 

• Tænd og valider hvert undersystem separat, før du kører hele systemet sammen. Dette gør det nemmere at isolere og løse problemer. 

• Sammenlign alle målte resultater med de originale designspecifikationer. Kontroller termiske grænser, timing-ydeevne og strømeffektivitet for at være sikker på, at kredsløbet fungerer efter hensigten. 

• Opbevar detaljerede opstillingsnoter og testresultater. Denne dokumentation hjælper med fremtidige revisioner, fejlfinding og overdragelse til produktionsteams. 

Konklusion 

Elektronisk kredsløbsdesign kombinerer planlægning, simulering og test for at skabe pålidelige systemer. Fra indstilling af specifikationer til printkortlayout og validering sikrer hvert trin, at kredsløb fungerer efter hensigten under reelle forhold. Ved at anvende godt design og standarder kan du udvikle sikre, effektive og langtidsholdbare elektroniske løsninger. 

Ofte stillede spørgsmål  

Spørgsmål 1. Hvilken software bruges til elektronisk kredsløbsdesign? 

Altium Designer, KiCad, Eagle og OrCAD er almindelige for skemaer og PCB-layout. LTspice, Multisim og PSpice bruges ofte til simuleringer. 

Spørgsmål 2. Hvordan påvirker jordforbindelse et kredsløb? 

Korrekt jordforbindelse reducerer støj og interferens. Jordplaner, stjernejordforbindelse og adskillelse af analoge og digitale grunde forbedrer stabiliteten. 

Spørgsmål 3. Hvorfor er termisk styring nødvendig i kredsløb? 

Overskydende varme forkorter komponenternes levetid og reducerer ydeevnen. Køleplader, termiske vias, kobberhældninger og luftstrøm hjælper med at kontrollere temperaturen. 

Spørgsmål 4. Hvilke filer kræves for at lave et printkort? 

Gerber-filer, borefiler, en stykliste (BOM) og montagetegninger er nødvendige for nøjagtig PCB-fremstilling og montering. 

Spørgsmål 5. Hvordan testes signalintegritet? 

Oscilloskoper, tidsdomænereflektometri (TDR) og netværksanalysatorer kontrollerer impedans, krydstale og forvrængning. 

Spørgsmål 6. Hvad er design for fremstillingsevne (DFM)? 

DFM betyder at skabe kredsløb, der er nemme at producere ved at bruge standardfodaftryk, følge PCB-grænser og forenkle montering.