Rafrásir: Forskriftir, PCB skipulag og prófun 

Rafrásarhönnun er ferlið við að skipuleggja, prófa og byggja hringrásir sem framkvæma ákveðin verkefni. Það felur í sér að skilgreina kröfur, velja áreiðanlega hluta, búa til skýringarmyndir, líkja eftir frammistöðu og prófa lokahönnunina. Með því að fylgja vandlega skrefum verða rafrásir öruggar, skilvirkar og áreiðanlegar. Þessi grein veitir nákvæmar upplýsingar um hvert stig hönnunarferlisins. 

Yfirlit yfir rafrásarhönnun  

Rafrásarhönnun er ferlið við að skipuleggja og byggja hringrásir sem geta framkvæmt ákveðið verkefni. Það byrjar með litlum tilraunum á brauðbretti eða í gegnum tölvuhermun til að athuga hvort hugmyndin virki. Eftir það er hönnunin teiknuð í skýringarmynd sem sýnir hvernig hver hluti er tengdur. Hönnunin er flutt yfir á prentplötu (PCB), sem hægt er að framleiða og setja saman í vinnukerfi. 

Þetta ferli sameinar oft mismunandi gerðir merkja. Hliðrænar hringrásir vinna með slétt og samfelld merki en stafrænar hringrásir vinna með merki sem skipta á milli tveggja ástanda. Stundum eru báðir sameinaðir í sömu hönnun til að gera kerfið fullkomnara. 

Markmið rafrásarhönnunar er að búa til lokaafurð sem er ekki aðeins hagnýt heldur einnig áreiðanleg og tilbúin til notkunar við raunverulegar aðstæður. Nákvæm hönnun hjálpar til við að tryggja að hringrásin virki rétt, haldist stöðug og uppfylli öryggiskröfur. 

Kröfur til tækniforskrifta 

Kerfisarkitektúr og hönnun blokkarmynda 

Þessi blokkarmynd sýnir kjarnabyggingu rafeindakerfis með því að brjóta það niður í samtengd undirkerfi. Power Subsystem veitir stöðuga orku í gegnum rafhlöður, DC-DC breytir og þrýstijafnara og myndar grunninn að öllum öðrum blokkum. Í miðjunni er stjórnundirkerfið, sem hýsir örstýringu, FPGA eða örgjörva sem ber ábyrgð á stjórnun gagnaflæðis og ákvarðanatöku. 

Analog undirkerfið meðhöndlar raunveruleg merki með skynjurum, magnara og síum, en stafræna I/O gerir samskipti við ytri tæki í gegnum staðla eins og USB, SPI, UART, CAN og Ethernet. Sérstakur klukku- og tímasetningarblokk tryggir samstillingu við sveiflur, PLL og nákvæma leið fyrir lágan jitter afköst. 

Til að viðhalda áreiðanleika er lögð áhersla á einangrunarsvæði, sem halda hávaðasömum stafrænum merkjum frá viðkvæmum hliðrænum hringrásum, draga úr truflunum og bæta stöðugleika kerfisins. 

Grunníhlutir í rafrásarhönnun 

Viðnám  

Þetta er notað til að takmarka og stjórna flæði rafstraums. Með því að bæta við viðnámi ganga þeir úr skugga um að viðkvæmir hlutar hringrásar skemmist ekki af of miklum straumi. 

Þéttar 

Það virkar sem lítið orkugeymslutæki. Þeir halda rafhleðslu og geta losað hana fljótt þegar þörf krefur. Þetta gerir þau gagnleg til að koma á stöðugleika spennu, sía merki eða veita stutt afl. 

Smári  

Það þjónar sem rofar og magnarar. Þeir geta kveikt eða slökkt á straumnum eins og stýrt hlið eða gert veik merki sterkari. Smári eru hluti af nútíma rafeindatækni vegna þess að þeir gera rafrásum kleift að vinna úr og stjórna upplýsingum. 

Díóða  

Leiðbeindu stefnu straumsins. Þeir leyfa rafmagni að flæða aðeins í eina átt og hindra það í hina áttina. Þetta verndar rafrásir fyrir öfugum straumum sem gætu valdið skemmdum. 

Íhlutarannsóknir og val í rafrásarhönnun 

Sjónarmið um frammistöðu 

Þegar þú velur hluti fyrir hringrás er eitt af því fyrsta sem þarf að athuga frammistöðu. Þetta þýðir að skoða hvernig íhluturinn mun haga sér í hönnuninni. Nauðsynlegar upplýsingar eru meðal annars hversu miklum hávaða það bætir við, hversu stöðugt það er með tímanum, hversu mikið afl það notar og hversu vel það höndlar merki. Þessir þættir ákveða hvort hringrásin virki eins og hún á að gera. 

Val á pakka 

Pakki íhlutar er hvernig hann er byggður og stærð. Það hefur áhrif á hversu mikið pláss það tekur á borðið, hversu mikinn hita það þolir og hversu auðvelt er að setja það meðan á samsetningu stendur. Minni pakkningar spara pláss á meðan stærri geta verið auðveldari að vinna með og höndla hita betur. Að velja réttan pakka hjálpar til við að koma jafnvægi á pláss, hita og auðvelda notkun. 

Framboð og aðfangakeðja 

Það er ekki nóg að hluti virki vel; það verður líka að vera tiltækt þegar þörf krefur. Þú ættir að athuga hvort hægt sé að kaupa hlutinn frá fleiri en einum birgi og hvort hann verði enn framleiddur í framtíðinni. Þetta dregur úr hættu á töfum eða endurhönnun ef skyndilega verður erfitt að finna hlutinn. 

Fylgni og staðlar 

Raftæki verða að fylgja reglum um öryggi og umhverfi. Varahlutir eru oft nauðsynlegir til að uppfylla staðla eins og RoHS, REACH eða UL. Þessar samþykktir tryggja að íhluturinn sé öruggur í notkun, skaði ekki umhverfið og hægt sé að selja hann á mismunandi svæðum. Fylgni er meginþáttur í vali á íhlutum. 

Áreiðanleiki og lækkun 

Áreiðanleiki þýðir hversu lengi og hversu vel íhlutur getur haldið áfram að virka við venjulega notkun. Til að láta hluta endast lengur, Þú ættir að forðast að ýta þeim að hámarksmörkum. Þessi aðferð er kölluð lækkun. Með því að gefa hlutum örugga framlegð minnka líkurnar á bilun og allt kerfið verður áreiðanlegra. 

Tegundir hringrásarherma í rafrásarhönnun 

Aflafhending og merkjaheilleiki í hringrásarhönnun 

Starfshættir Power Delivery Network (PDN) 

• Stjörnujarðtenging: Notaðu stjörnutengingu til að lágmarka jarðlykkjur. Þetta dregur úr hávaða og tryggir stöðuga viðmiðunarmöguleika yfir alla línuna. 

• Stuttar afturleiðir: Gefðu alltaf beinar og lágviðnám til baka fyrir straum. Langar lykkjur auka sprautu og sprauta hávaða inn í viðkvæmar hringrásir. 

• Aftengingarþéttar: Settu litla aftengingarþétta eins nálægt IC aflpinnum og hægt er. Þeir virka sem staðbundnir orkugeymar og bæla hátíðni skammtíma. 

• Magnþéttar: Bættu við magnþéttum nálægt rafmagnsinngangsstöðum. Þetta kemur á stöðugleika í framboði við skyndilegar álagsbreytingar. 

Hugleiðingar um heiðarleika merkja (SI) 

• Stýrð viðnámsleið: Leiðarvísar á miklum hraða með skilgreindri viðnám (venjulega 50 Ω einhliða eða 100 Ω mismunadrif). Þetta kemur í veg fyrir endurspeglun og gagnavillur. 

• Stjórnun á jörðu niðri: Haltu hliðrænum og stafrænum jörðum aðskildum til að forðast truflanir. Tengdu þau á einum stað til að viðhalda hreinu viðmiðunarplani. 

• Minnkun á víxltali: Haltu bili á milli samsíða háhraðalína eða notaðu jarðvarnarspor. Þetta lágmarkar tengingu og varðveitir merkisgæði. 

• Layer Stackup: Í marglaga PCB, tileinka samfelldar flugvélar fyrir afl og jörðu. Þetta dregur úr viðnám og hjálpar til við að stjórna EMI. 

PCB skipulag í hringrásarhönnun 

Staðsetning íhluta 

 Settu íhluti út frá virkni og merkjaflæði. Flokkaðu tengda hluta saman og lágmarkaðu snefillengdir, sérstaklega fyrir háhraða eða viðkvæmar hliðrænar hringrásir. Grunníhlutir eins og sveiflur eða þrýstijafnarar ættu að vera staðsettir nálægt IC sem þeir styðja. 

Leiðarvísir merkja 

 Forðastu 90° snefilbeygjur til að draga úr viðnámsrofi og hugsanlegum EMI. Fyrir mismunadrifspör, eins og USB eða Ethernet, haltu snefillengdum samsvarandi til að viðhalda tímasetningu. Aðskildu hliðræn og stafræn merki til að koma í veg fyrir truflanir. 

Lag stafla upp 

 Jafnvægi og samhverf lagstafla bætir framleiðsluhæfni, dregur úr skekkju og veitir stöðuga viðnám. Hollur jarð- og aflflugvélar draga úr hávaða og koma á stöðugleika spennuafhendingar. 

Háhraða hugleiðingar 

 Beindu háhraðamerkjum með stýrðri viðnámi, haltu samfelldum viðmiðunarflötum og forðastu stubba eða óþarfa vias. Haltu afturleiðum stuttum til að lágmarka sprautu og varðveita heilleika merkisins. 

Hitastjórnun 

 Settu hitauppstreymi undir rafmagnstæki til að dreifa hita inn í innri koparplanin eða gagnstæða hlið PCB. Notaðu koparhellur og hitadreifingartækni fyrir aflrásir. 

Skýringarmynd og ERC í hringrásarþróun 

Skýringarmynd hönnunarskref 

• Stigveldisblöð: Skiptu hönnuninni niður í rökrétta hluta eins og afl, hliðræn og stafræn undirkerfi. Þetta heldur flóknum hringrásum skipulögðum og auðveldar kembiforrit eða uppfærslur í framtíðinni. 

• Merkingarbær netnafngift: Notaðu lýsandi netnöfn í stað almennra merkimiða. Skýr nafngift kemur í veg fyrir rugling og flýtir fyrir bilanaleit. 

• Hönnunareiginleikar: Láttu spennueinkunnir, núverandi kröfur og vikmörk fylgja með beint á skýringarmyndinni. Þetta hjálpar við endurskoðun og tryggir að íhlutir séu valdir með réttum forskriftum. 

• Samstilling fótspors: Tengdu íhluti við rétt PCB fótspor þeirra snemma í ferlinu. Að ná misræmi kemur nú í veg fyrir tafir og kostnaðarsama endurvinnslu við PCB skipulag. 

• Bráðabirgðauppskrift (BOM): Búðu til drög að uppskrift úr skýringarmyndinni. Þetta hjálpar til við að áætla kostnað, athuga framboð hluta og leiðbeina innkaupaáætlun áður en lokið er við hönnunina. 

Hreinlæti rafmagnsregluathugunar (ERC) 

• Greinir fljótandi pinnar sem geta valdið óskilgreindri hegðun. 

• Fánar styttu net sem gætu leitt til bilunar í virkni. 

• Tryggir að rafmagns- og jarðtengingar séu í samræmi í hönnuninni. 

Hringrásarpróf og staðfesting 

• Bættu við prófunarpunktum á mikilvægum merkjum og rafmagnsteinum svo auðvelt sé að gera mælingar við kembiforrit og framleiðsluprófanir. 

• Gefðu forritunar- og villuleitarhausa eins og JTAG, SWD eða UART til að hlaða fastbúnaði, athuga merki og hafa samskipti við kerfið meðan á þróun stendur. 

• Notaðu straumtakmarkaða aflgjafa þegar þú kveikir á PCB í fyrsta skipti. Þetta verndar íhluti gegn skemmdum ef það eru stuttbuxur eða hönnunarmistök. 

• Kveiktu á og staðfestu hvert undirkerfi fyrir sig áður en allt kerfið er keyrt saman. Þetta gerir það auðveldara að einangra og laga vandamál. 

• Berðu saman allar mældar niðurstöður við upprunalegu hönnunarforskriftirnar. Athugaðu hitamörk, tímasetningu og orkunýtni til að vera viss um að hringrásin virki eins og til er ætlast. 

• Haltu nákvæmum athugasemdum og niðurstöðum prófa. Þessi skjöl hjálpa til við framtíðarendurskoðun, bilanaleit og afhendingu til framleiðsluteyma. 

Niðurstaða 

Rafrásarhönnun sameinar skipulagningu, uppgerð og prófun til að búa til áreiðanleg kerfi. Allt frá því að setja forskriftir til PCB skipulags og staðfestingar, hvert skref tryggir að rafrásir virki eins og til er ætlast við raunverulegar aðstæður. Með því að beita góðri hönnun og stöðlum geturðu þróað öruggar, skilvirkar og langvarandi rafeindalausnir. 

Algengar spurningar  

Spurning 1. Hvaða hugbúnaður er notaður til rafrásarhönnunar? 

Altium Designer, KiCad, Eagle og OrCAD eru algeng fyrir skýringarmyndir og PCB skipulag. LTspice, Multisim og PSpice eru oft notuð fyrir eftirlíkingar. 

Spurning 2. Hvernig hefur jarðtenging áhrif á hringrás? 

Rétt jarðtenging dregur úr hávaða og truflunum. Jarðflugvélar, stjörnutenging og aðskilnaður hliðrænna og stafrænna jarða bæta stöðugleika. 

Spurning 3. Af hverju er hitastjórnun nauðsynleg í rafrásum? 

Umframhiti styttir endingu íhluta og dregur úr afköstum. Hitavaskar, hitauppstreymi, koparhellur og loftflæði hjálpa til við að stjórna hitastigi. 

Spurning 4. Hvaða skrár þarf til að búa til PCB? 

Gerber skrár, borskrár, efnisskrá (BOM), og samsetningarteikningar eru nauðsynlegar fyrir nákvæma PCB framleiðslu og samsetningu. 

12,5 Spurning 5. Hvernig er heilleiki merkja prófaður? 

Sveiflusjár, tímalénsspeglunarmæling (TDR) og netgreiningartæki athuga viðnám, víxltalningu og röskun. 

Spurning 6. Hvað er hönnun fyrir framleiðsluhæfni (DFM)? 

DFM þýðir að búa til rafrásir sem auðvelt er að framleiða með því að nota stöðluð fótspor, fylgja PCB takmörkum, og einfalda samsetningu.