Návrh elektronických obvodů je proces plánování, testování a vytváření obvodů, které plní specifické úkoly. Zahrnuje definování požadavků, výběr spolehlivých dílů, vytváření schémat, simulaci výkonu a testování finálního designu. Dodržováním pečlivých kroků se obvody stávají bezpečnými, efektivními a spolehlivými. Tento článek obsahuje podrobné informace o jednotlivých fázích procesu návrhu.
Bod 3. Architektura systému a návrh blokových diagramů
Bod 4. Základní komponenty v návrhu elektronických obvodů
Bod 5. Výzkum a výběr komponent v návrhu elektronických obvodů
Kapitola 10. Test a validace obvodu
Kapitola 11. Závěr
Č. 12. Často kladené dotazy
Přehled návrhu elektronických obvodů
Návrh elektronických obvodů je proces plánování a vytváření obvodů, které mohou provádět specifický úkol. Začíná to malými experimenty na prkénku nebo počítačovými simulacemi, aby se ověřilo, zda nápad funguje. Poté je design nakreslen ve schematickém diagramu, který ukazuje, jak jsou jednotlivé části propojeny. Návrh se přenese na desku plošných spojů (PCB), kterou lze vyrobit a sestavit do funkčního systému.
Tento proces často kombinuje různé typy signálů. Analogové obvody pracují s hladkými a spojitými signály, zatímco digitální obvody pracují se signály, které přepínají mezi dvěma stavy. Někdy jsou oba kombinovány ve stejném designu, aby byl systém úplnější.
Cílem návrhu elektronických obvodů je vytvořit finální produkt, který je nejen funkční, ale také spolehlivý a připravený k použití v reálných podmínkách. Pečlivý design pomáhá zajistit, aby obvod fungoval správně, zůstal stabilní a splňoval bezpečnostní požadavky.
Požadavky na technické specifikace
| Kategorie | Příklad specifikací |
|---|---|
| Elektrický | Vstupní napětí: 5–12 V, odběr proudu: <1 A, šířka pásma: 10 MHz |
| Načasování | Latence < 50 ns, kolísání hodin < 2 ps |
| Environmentální | Provoz -40°C až +85°C, 90% vlhkost |
| Mechanické | Velikost DPS: 40 × 40 mm, hmotnost < 20 g |
| Dodržování předpisů | Musí splňovat CE/FCC, EMC třída B |
| Náklady/Výroba | Cena kusovníku <\$5, výtěžnost montáže >95% |
Architektura systému a návrh blokových schémat
Toto blokové schéma znázorňuje základní strukturu elektronického systému jeho rozdělením na vzájemně propojené subsystémy. Power Subsystem dodává stabilní energii prostřednictvím baterií, DC-DC měničů a regulátorů, čímž tvoří základ pro všechny ostatní bloky. V centru je Control Subsystem, který v sobě ukrývá mikrokontrolér, FPGA nebo procesor zodpovědný za řízení toku dat a rozhodování.
Analogový subsystém zpracovává signály z reálného světa pomocí senzorů, zesilovačů a filtrů, zatímco digitální I/O umožňuje komunikaci s externími zařízeními prostřednictvím standardů, jako jsou USB, SPI, UART, CAN a Ethernet. Samostatný blok Clocking & Timing zajišťuje synchronizaci s oscilátory, PLL a přesné směrování pro výkon s nízkým kolísáním.
Pro zachování spolehlivosti jsou zdůrazněny izolační zóny, které udržují hlučné digitální signály mimo citlivé analogové obvody, snižují rušení a zlepšují stabilitu systému.
Základní součástky při návrhu elektronických obvodů
Rezistory
Ty se používají k omezení a řízení toku elektrického proudu. Přidáním odporu zajistí, že citlivé části obvodu nebudou poškozeny příliš velkým proudem.
Kondenzátory
Funguje jako malé zařízení pro ukládání energie. Drží elektrický náboj a v případě potřeby jej mohou rychle uvolnit. Díky tomu jsou užitečné pro stabilizaci napětí, filtrování signálů nebo dodávání krátkých dávek energie.
Tranzistory
Slouží jako spínače a zesilovače. Mohou zapnout nebo vypnout proud jako řízená brána nebo zesílit slabé signály. Tranzistory jsou součástí moderní elektroniky, protože umožňují obvodům zpracovávat a řídit informace.
Diody
Veďte směr proudu. Dovolují, aby elektřina proudila pouze jedním směrem, zatímco v opačném směru ji blokuje. To chrání obvody před zpětnými proudy, které by mohly způsobit poškození.
Výzkum a výběr součástek v návrhu elektronických obvodů
Úvahy o výkonu
Při výběru dílů pro obvod je jednou z prvních věcí, které je třeba zkontrolovat, výkon. To znamená podívat se, jak se bude komponenta chovat v návrhu. Mezi požadované podrobnosti patří, kolik šumu přidává, jak je stabilní v průběhu času, kolik energie spotřebovává a jak dobře zpracovává signály. Tyto faktory rozhodují o tom, zda bude obvod fungovat tak, jak má.
Výběr balíčku
Balíček komponenty je způsob, jakým je vytvořena a velikost. Ovlivňuje, kolik místa na desce zabere, kolik tepla zvládne a jak snadno ji umístíte během montáže. Menší balíčky šetří místo, zatímco s většími se může snadněji pracovat a lépe zvládat teplo. Výběr správného obalu pomáhá vyvážit prostor, teplo a snadné použití.
Dostupnost a dodavatelský řetězec
Nestačí, aby díl fungoval dobře; Musí být také k dispozici v případě potřeby. Měli byste si ověřit, zda lze díl zakoupit od více než jednoho dodavatele a zda se bude vyrábět i v budoucnu. Tím se snižuje riziko zpoždění nebo přepracování, pokud je díl náhle obtížné najít.
Shoda a standardy
Elektronika musí dodržovat pravidla bezpečnosti a ochrany životního prostředí. Díly jsou často vyžadovány pro splnění norem, jako jsou RoHS, REACH nebo UL. Tato schválení zajišťují, že komponenta je bezpečná, nepoškozuje životní prostředí a může být prodávána v různých regionech. Dodržování předpisů je hlavní součástí výběru komponent.
Spolehlivost a snížení výkonu
Spolehlivost znamená, jak dlouho a jak dobře může součást fungovat při normálním používání. Aby díly vydržely déle, Měli byste se vyvarovat jejich tlačení na jejich maximální limity. Tento postup se nazývá snížení výkonu. Tím, že díly mají bezpečnou rezervu, snižuje se pravděpodobnost selhání a celý systém se stává spolehlivějším.
Typy simulací obvodů při návrhu elektronických obvodů
| Typ simulace | Účel v návrhu obvodů |
|---|---|
| DC zaujatost | Potvrzuje, že všechna zařízení pracují se správným napětím a proudovými body. Zabraňuje nechtěnému nasycení nebo odpojení tranzistorů. |
| AC Sweep | Vyhodnocuje frekvenční odezvu, zesílení a fázovou rezervu. Základní pro zesilovače, filtry a analýzu stability. |
| Přechodné | Analyzuje chování v časové oblasti, jako je přepínání, odezva při spuštění, časy náběhu/poklesu a překročení. |
| Analýza hluku | Předpovídá citlivost obvodu na elektrický šum a pomáhá optimalizovat strategie filtrování pro aplikace s nízkým šumem. |
| Monte Carlo | Testuje statistické odchylky v tolerancích komponent (rezistory, kondenzátory, tranzistory) a zajišťuje robustnost návrhu napříč výrobním rozsahem. |
| Chlazení | Odhaduje odvod tepla a identifikuje potenciální hotspoty, což je vyžadováno pro napájecí obvody a kompaktní konstrukce. |
Napájení a integrita signálu při návrhu obvodů
Postupy sítě Power Delivery Network (PDN)
• Hvězdicové uzemnění: Použijte hvězdicové připojení k minimalizaci zemních smyček. To snižuje hluk a zajišťuje konzistentní referenční potenciál ve všech oblastech.
• Krátké zpětné cesty: Vždy poskytujte přímé a nízkoimpedanční zpětné cesty pro proud. Dlouhé smyčky zvyšují indukčnost a vstřikují šum do citlivých obvodů.
• Odpojovací kondenzátory: Umístěte oddělovací kondenzátory s malou hodnotou co nejblíže k napájecím kolíkům IC. Fungují jako lokální zásobníky energie a potlačují vysokofrekvenční přechodové jevy.
• Hromadné kondenzátory: Přidejte hromadné kondenzátory do blízkosti vstupních bodů napájení. Ty stabilizují přívod při náhlých změnách zatížení.
Úvahy o integritě signálu (SI)
• Směrování řízené impedance: Vysokorychlostní trasy by měly být směrovány s definovanou impedancí (typicky 50 Ω jednostranné nebo 100 Ω diferenciální). Tím se zabrání odrazům a chybám v datech.
• Správa uzemnění: Udržujte analogové a digitální uzemnění oddělené, aby nedošlo k rušení. Spojte je v jednom bodě, abyste zachovali čistou referenční rovinu.
• Redukce přeslechů: Udržujte rozestupy mezi paralelními vysokorychlostními liniemi nebo použijte stopy ochrany terénu. To minimalizuje vazbu a zachovává kvalitu signálu.
• Vrstvení vrstev: U vícevrstvých desek plošných spojů vyhraďte souvislé roviny pro napájení a zem. To snižuje impedanci a pomáhá řídit EMI.
Rozložení PCB v návrhu obvodů
Umístění komponent
Umístěte komponenty na základě funkce a toku signálu. Seskupte související díly dohromady a minimalizujte délky stop, zejména u vysokorychlostních nebo citlivých analogových obvodů. Základní komponenty, jako jsou oscilátory nebo regulátory, by měly být umístěny v blízkosti integrovaných obvodů, které podporují.
Směrování signálu
Vyhněte se 90° ohybům stopy, abyste snížili impedanční nespojitosti a potenciální EMI. U rozdílových párů, jako je USB nebo Ethernet, udržujte délky trasování shodné, aby byla zachována integrita časování. Oddělte analogové a digitální signály, abyste zabránili rušení.
Vrstvení vrstev
Vyvážené a symetrické vrstvení vrstev zlepšuje vyrobitelnost, snižuje deformaci a poskytuje konzistentní impedanci. Vyhrazené zemnící a výkonové roviny snižují šum a stabilizují napájení.
Úvahy o vysoké rychlosti
Směrujte vysokorychlostní signály s řízenou impedancí, udržujte spojité referenční roviny a vyhněte se pahýlům nebo zbytečným průchodům. Udržujte zpětné cesty krátké, abyste minimalizovali indukčnost a zachovali integritu signálu.
Tepelný management
Umístěte tepelné průchody pod napájecí zařízení, aby se teplo šířilo do vnitřních měděných rovin nebo na opačnou stranu desky plošných spojů. Pro vysoce výkonné obvody používejte měděné litiny a techniky šíření tepla.
Návrh schémat a ERC v obvodovém vývoji
Kroky schematického návrhu
• Hierarchické listy: Rozdělte návrh na logické části, jako jsou napájecí, analogové a digitální subsystémy. Díky tomu jsou složité obvody uspořádané a usnadňuje budoucí ladění nebo aktualizace.
• Smysluplné pojmenování sítí: Místo obecných popisků používejte popisné názvy sítí. Jasné pojmenování zabraňuje zmatkům a urychluje řešení problémů.
• Atributy návrhu: Zahrňte jmenovité napětí, požadavky na proud a informace o toleranci přímo do schématu. To pomáhá při kontrole a zajišťuje, že komponenty jsou vybrány se správnými specifikacemi.
• Synchronizace stop: Propojte komponenty s jejich správnými stopami PCB již v rané fázi procesu. Zachytávání neshod nyní zabraňuje zpožděním a nákladným přepracováním během rozvržení desky plošných spojů.
• Předběžný kusovník (BOM): Vygeneruje koncept kusovníku ze schématu. To pomáhá odhadnout náklady, zkontrolovat dostupnost dílů a vést plánování nákupu před dokončením návrhu.
Hygiena kontroly elektrických pravidel (ERC)
• Detekuje plovoucí špendlíky, které mohou způsobit nedefinované chování.
• Označuje zkrácené sítě, které by mohly vést k funkčnímu selhání.
• Zajišťuje konzistenci napájení a uzemnění v celém designu.
Obvodový test a validace
• Přidejte testovací body na důležité signály a napájecí kolejnice, aby bylo možné snadno provádět měření během ladění a testování výroby.
• Poskytněte programovací a ladicí hlavičky, jako je JTAG, SWD nebo UART, pro načtení firmwaru, kontrolu signálů a komunikaci se systémem během vývoje.
• Při prvním napájení desky plošných spojů použijte proudově omezené napájecí zdroje. To chrání komponenty před poškozením v případě zkratů nebo konstrukčních chyb.
• Před spuštěním celého systému společně zapněte a ověřte každý subsystém samostatně. To usnadňuje izolaci a opravu problémů.
• Porovnejte všechny naměřené výsledky s původními konstrukčními specifikacemi. Zkontrolujte tepelné limity, časovací výkon a energetickou účinnost, abyste se ujistili, že obvod funguje tak, jak má.
• Veďte si podrobné poznámky a výsledky testů. Tato dokumentace pomáhá s budoucími revizemi, řešením problémů a předáváním produkčním týmům.
Závěr
Návrh elektronických obvodů kombinuje plánování, simulaci a testování a vytváří spolehlivé systémy. Od nastavení specifikací až po rozvržení a validaci desek plošných spojů, každý krok zajišťuje, že obvody fungují tak, jak bylo zamýšleno v reálných podmínkách. Použitím dobrého designu a standardů můžete vyvíjet bezpečná, efektivní a trvanlivá elektronická řešení.
Často kladené dotazy
1. čtvrtletí. Jaký software se používá pro návrh elektronických obvodů?
Altium Designer, KiCad, Eagle a OrCAD jsou běžné pro schémata a rozvržení PCB. Pro simulace se často používají LTspice, Multisim a PSpice.
2. čtvrtletí. Jak uzemnění ovlivňuje obvod?
Správné uzemnění snižuje šum a rušení. Uzemňovací plochy, hvězdicové uzemnění a oddělení analogového a digitálního uzemnění zlepšují stabilitu.
3. čtvrtletí. Proč je v obvodech potřeba tepelný management?
Nadměrné teplo zkracuje životnost komponent a snižuje výkon. Chladiče, tepelné prokovy, měděné litiny a proudění vzduchu pomáhají regulovat teplotu.
4. čtvrtletí. Jaké soubory jsou potřeba k vytvoření PCB?
Pro přesnou výrobu a montáž desek plošných spojů jsou zapotřebí soubory Gerber, vrtací soubory, kusovník (BOM) a výkresy sestav.
5. čtvrtletí. Jak se testuje integrita signálu?
Osciloskopy, reflektometrie v časové oblasti (TDR) a síťové analyzátory kontrolují impedanci, přeslechy a zkreslení.
6. čtvrtletí. Co je design pro vyrobitelnost (DFM)?
DFM znamená vytváření obvodů, které lze snadno vyrobit pomocí standardních půdorysů, dodržováním limitů PCB a zjednodušením montáže.