תכנון מעגלים אלקטרוניים הוא תהליך של תכנון, בדיקה ובניית מעגלים המבצעים משימות ספציפיות. זה כרוך בהגדרת דרישות, בחירת חלקים אמינים, יצירת סכמות, הדמיית ביצועים ובדיקת העיצוב הסופי. על ידי ביצוע שלבים זהירים, המעגלים הופכים בטוחים, יעילים ואמינים. מאמר זה מספק מידע מפורט על כל שלב בתהליך התכנון.
ג1. סקירה כללית של תכנון מעגלים אלקטרוניים
ג2. דרישות למפרט טכני
ג3. ארכיטקטורת מערכת ועיצוב דיאגרמת בלוקים
ג4. רכיבים בסיסיים בתכנון מעגלים אלקטרוניים
ג5. מחקר ובחירת רכיבים בתכנון מעגלים אלקטרוניים
ג6. סוגי סימולציות מעגלים בתכנון מעגלים אלקטרוניים
ג7. הספקת-כוח ותקינות אותות בתכנון מעגלים
ג8. פריסת PCB בתכנון מעגלים
ג9. תכנון סכמטי ו-ERC בפיתוח מעגלים
ג10. בדיקת מעגלים ואימות
ג11. מסקנה
ג12. שאלות נפוצות
סקירה כללית של תכנון מעגלים אלקטרוניים
תכנון מעגלים אלקטרוניים הוא תהליך של תכנון ובניית מעגלים שיכולים לבצע משימה ספציפית. זה מתחיל בניסויים קטנים על לוח אב-טיפוס או באמצעות סימולציות מחשב כדי לבדוק אם הרעיון עובד. לאחר מכן, העיצוב משורטט בתרשים סכמטי המראה כיצד כל חלק מחובר. העיצוב מועבר ללוח מעגלים מודפסים (PCB), אותו ניתן לייצר ולהרכיב למערכת עובדת.
תהליך זה משלב לעתים קרובות סוגים שונים של אותות. מעגלים אנלוגיים עובדים עם אותות חלקים ורציפים, בעוד שמעגלים דיגיטליים עובדים עם אותות שעוברים בין שני מצבים. לפעמים, שניהם משולבים באותו עיצוב כדי להפוך את המערכת לשלמה יותר.
המטרה של תכנון מעגלים אלקטרוניים היא ליצור מוצר סופי שהוא לא רק פונקציונלי אלא גם אמין ומוכן לשימוש בתנאים אמיתיים. תכנון קפדני עוזר לוודא שהמעגל יעבוד כראוי, יישאר יציב ויעמוד בדרישות הבטיחות.
דרישות למפרט טכני
| קטגוריה | מפרטים לדוגמה |
|---|---|
| חשמל | מתח כניסה: 5-12 וולט, משיכת זרם: <1 A, רוחב פס: 10 מגה-הרץ |
| תזמון | השהיה < 50 ns, ריצוד שעון < 2 ps |
| איכות הסביבה | פועל -40°C עד +85°C, 90% לחות |
| מכני | גודל PCB: 40 × 40 מ"מ, משקל < 20 גרם |
| תאימות | חייב לעמוד ב-CE/FCC, EMC Class B |
| עלות/ייצור | עלות BOM <\$5, תשואת הרכבה >95% |
ארכיטקטורת מערכת ועיצוב דיאגרמת בלוקים
דיאגרמת בלוקים זו ממחישה את מבנה הליבה של מערכת אלקטרונית על ידי פירוקה לתת-מערכות מחוברות זו לזו. תת-מערכת הכוח מספקת אנרגיה יציבה באמצעות סוללות, ממירי DC-DC ומייצבים, ומהווה את הבסיס לכל הבלוקים האחרים. במרכז נמצאת תת-מערכת הבקרה, המאכלסת מיקרו-בקר, FPGA או מעבד האחראי על ניהול זרימת הנתונים וקבלת ההחלטות.
תת-המערכת האנלוגית מטפלת באותות בעולם האמיתי באמצעות חיישנים, מגברים ומסננים, בעוד שה-I/O הדיגיטלי מאפשר תקשורת עם התקנים חיצוניים באמצעות תקנים כמו USB , SPI , UART , CAN ו- Ethernet. בלוק שעון ותזמון נפרד מבטיח סנכרון עם מתנדים, PLLs וניתוב מדויק לביצועי ריצוד נמוכים.
כדי לשמור על אמינות, מודגשים אזורי בידוד, המרחיקים אותות דיגיטליים רועשים ממעגלים אנלוגיים רגישים, מפחיתים הפרעות ומשפרים את יציבות המערכת.
רכיבים בסיסיים בתכנון מעגלים אלקטרוניים
נגדים
אלה משמשים להגבלת ובקרה על זרימת הזרם החשמלי. על ידי הוספת התנגדות, הם מוודאים שחלקים רגישים במעגל לא ייפגעו מזרם רב מדי.
קבלים
הוא משמש כמכשיר אחסון אנרגיה קטן. הם מחזיקים מטען חשמלי ויכולים לשחרר אותו במהירות בעת הצורך. זה הופך אותם לשימושיים עבור ייצוב מתח, סינון אותות או אספקת פרצי חשמל קצרים.
טרנזיסטורים
הוא משמש כמתגים ומגברים. הם יכולים להפעיל או לכבות את הזרם כמו שער מבוקר או לחזק אותות חלשים. טרנזיסטורים הם חלק מהאלקטרוניקה המודרנית מכיוון שהם מאפשרים למעגלים לעבד ולשלוט במידע.
דיודות
הנח את כיוון הזרם. הם מאפשרים לחשמל לזרום רק בכיוון אחד, וחוסמים אותו בכיוון השני. זה מגן על מעגלים מפני זרמים הפוכים שעלולים לגרום לנזק.
מחקר ובחירת רכיבים בתכנון מעגלים אלקטרוניים
שיקולי ביצועים
בבחירת חלקים למעגל, אחד הדברים הראשונים שיש לבדוק הוא ביצועים. המשמעות היא להסתכל כיצד הרכיב יתנהג בתכנון. הפרטים הנדרשים כוללים כמה רעש הוא מוסיף, עד כמה הוא יציב לאורך זמן, כמה חשמל הוא משתמש ועד כמה הוא מטפל באותות. גורמים אלה מחליטים אם המעגל יעבוד כמו שהוא אמור לעבוד.
בחירת חבילה
החבילה של רכיב היא האופן שבו הוא בנוי וגודלו. זה משפיע על כמה מקום הוא תופס על הלוח, כמה חום הוא יכול להתמודד וכמה קל למקם אותו במהלך ההרכבה. אריזות קטנות יותר חוסכות מקום, בעוד שאריזות גדולות יותר יכולות להיות קלות יותר לעבודה ולהתמודד טוב יותר עם חום. בחירת החבילה הנכונה עוזרת לאזן את החלל, החום וקלות השימוש.
זמינות ושרשרת אספקה
זה לא מספיק שחלק יעבוד טוב; זה גם חייב להיות זמין בעת הצורך. כדאי לבדוק אם ניתן לקנות את החלק מיותר מספק אחד ואם הוא עדיין ייוצר בעתיד. זה מפחית את הסיכון לעיכובים או עיצוב מחדש אם פתאום קשה למצוא את החלק.
תאימות ותקנים
האלקטרוניקה חייבת לציית לכללי הבטיחות והסביבה. חלקים נדרשים לעתים קרובות לעמוד בתקנים כגון RoHS, REACH או UL. אישורים אלו מוודאים שהרכיב בטוח לשימוש, אינו פוגע בסביבה וניתן למכור אותו באזורים שונים. תאימות היא חלק עיקרי בבחירת רכיבים.
אמינות וירידה
אמינות פירושה כמה זמן וכמה טוב רכיב יכול להמשיך לעבוד בשימוש רגיל. כדי לגרום לחלקים להחזיק מעמד זמן רב יותר, עליך להימנע מדחיפתם לגבולות המקסימליים שלהם. נוהג זה נקרא הורדת ערך. על ידי מתן מרווח בטוח לחלקים, הסיכוי לכישלון יורד, והמערכת כולה הופכת לאמינה יותר.
סוגי סימולציות מעגלים בתכנון מעגלים אלקטרוניים
| סוג סימולציה | מטרה בתכנון מעגלים |
|---|---|
| הטיית DC | מאשר שכל המכשירים פועלים בנקודות המתח והזרם הנכונות. מונע מטרנזיסטורים להרוות או להתנתק שלא במתכוון. |
| טאטא AC | מעריך את תגובת התדר, הרווח ומרווח הפאזה. בסיסי עבור מגברים, מסננים וניתוח יציבות. |
| ארעי | מנתח התנהגות בתחום הזמן כגון מיתוג, תגובת אתחול, זמני עלייה/ירידה וחריגה. |
| ניתוח רעש | מנבא את רגישות המעגל לרעש חשמלי ומסייע באופטימיזציה של אסטרטגיות סינון עבור יישומי רעש נמוך. |
| מונטה קרלו | בודק שונות סטטיסטית בסובלנות הרכיבים (נגדים, קבלים, טרנזיסטורים), ומבטיח חוסן תכנון על פני פריסת הייצור. |
| תרמי | מעריך את פיזור החום ומזהה נקודות חמות פוטנציאליות, הנדרשות עבור מעגלי חשמל ועיצובים קומפקטיים. |
אספקת חשמל ותקינות אותות בתכנון מעגלים
נוהלי רשת אספקת חשמל (PDN).
• הארקת כוכבים: השתמש בחיבור כוכב כדי למזער את לולאות הקרקע. זה מפחית רעש ומבטיח פוטנציאל ייחוס עקבי בכל הלוח.
• נתיבי חזרה קצרים: ספק תמיד נתיבי חזרה ישירים ובעלי עכבה נמוכה לזרם. לולאות ארוכות מגבירות את ההשראות ומזריקות רעש למעגלים רגישים.
• קבלי ניתוק: מקם קבלי ניתוק בעלי ערך קטן קרוב ככל האפשר לפיני הספקת-כוח IC. הם פועלים כמאגרי אנרגיה מקומיים ומדכאים ארעיות בתדר גבוה.
• קבלים בתפזורת: הוסף קבלים בתפזורת ליד נקודות כניסת חשמל. אלה מייצבים את האספקה במהלך שינויי עומס פתאומיים.
שיקולי תקינות האות (SI).
• ניתוב עכבה מבוקר: יש לנתב עקבות במהירות גבוהה עם עכבה מוגדרת (בדרך כלל 50 Ω חד-קצה או 100 Ω דיפרנציאלי). פעולה זו מונעת השתקפויות ושגיאות נתונים.
• ניהול קרקע: שמור על הפרדה בין קרקע אנלוגית ודיגיטלית כדי למנוע הפרעות. חבר אותם בנקודה אחת כדי לשמור על מישור ייחוס נקי.
• הפחתת ערב-דיבור: שמור על מרווח בין קווים מקבילים במהירות גבוהה או השתמש בעקבות מגן קרקע. זה ממזער את הצימוד ושומר על איכות האות.
• ערימת שכבות: בלוחות PCB רב שכבתיים, הקדישו מישורים רציפים לחשמל ולקרקע. זה מפחית את העכבה ועוזר לשלוט ב-EMI.
פריסת PCB בתכנון מעגלים
מיקום רכיבים
מקם רכיבים המבוססים על פונקציה וזרימת אות. קבצו חלקים קשורים יחד ומזערו את אורכי העקבות, במיוחד עבור מעגלים אנלוגיים מהירים או רגישים. רכיבים בסיסיים כמו מתנדים או מייצבים צריכים להיות ממוקמים קרוב למעגלים-המשולבים (IC) שהם תומכים.
ניתוב אותות
הימנע מכיפופי עקבות של 90° כדי להפחית אי רציפות עכבה ו-EMI פוטנציאלי. עבור זוגות דיפרנציאליים, כגון USB או Ethernet, שמור על אורכי עקבות תואמים כדי לשמור על תקינות התזמון. הפרד אותות אנלוגיים ודיגיטליים כדי למנוע הפרעות.
ערימת שכבות
ערימת שכבות מאוזנת וסימטרית משפרת את יכולת הייצור, מפחיתה עיוות ומספקת עכבה עקבית. מטוסי קרקע וכוח ייעודיים מפחיתים רעש ומייצבים את אספקת המתח.
שיקולים במהירות גבוהה
נתב אותות במהירות גבוהה עם עכבה מבוקרת, שמור על מישורי ייחוס רציפים והימנע מבדים או דרכים מיותרות. שמור על נתיבי חזרה קצרים כדי למזער את השראות ולשמור על תקינות האות.
ניהול תרמי
הנח דרכים תרמיות מתחת להתקני חשמל כדי להפיץ חום למישורי הנחושת הפנימיים או לצד הנגדי של ה-PCB. השתמש ביציקות נחושת ובטכניקות פיזור חום למעגלים בעלי הספק גבוה.
תכנון סכמטי ו-ERC בפיתוח מעגלים
שלבי עיצוב סכמטיים
• גיליונות היררכיים: חלק את העיצוב למקטעים לוגיים כגון תת-מערכות חשמל, אנלוגיות ודיגיטליות. זה שומר על מעגלים מורכבים מאורגנים ומקל על איתור באגים או עדכונים עתידיים.
• שמות רשת משמעותיים: השתמש בשמות רשת תיאוריים במקום בתוויות גנריות. מתן שמות ברור מונע בלבול ומזרז את פתרון הבעיות.
• מאפייני תכנון: כלול דירוגי מתח, דרישות זרם ומידע סובלנות ישירות בסכמה. זה עוזר במהלך הבדיקה ומבטיח שהרכיבים נבחרים עם המפרט הנכון.
• סנכרון טביעת רגל: קשר רכיבים לטביעות הרגל הנכונות של PCB בשלב מוקדם בתהליך. תפיסת אי-התאמות מונעת כעת עיכובים ועיבוד חוזר יקר במהלך פריסת ה-PCB.
• מפרט חומרים ראשוני (BOM): צור טיוטת מפרט חומרים מהסכמה. זה עוזר להעריך עלויות, לבדוק את זמינות החלקים ולהדריך את תכנון הרכש לפני סיום התכנון.
היגיינה לבדיקת כללי חשמל (ERC).
• מזהה סיכות צפות שעלולות לגרום להתנהגות לא מוגדרת.
• מסמן רשתות מקוצרות שעלולות לגרום לכשל תפקודי.
• מבטיח שחיבורי החשמל וההארקה עקביים בכל העיצוב.
בדיקת מעגלים ואימות
• הוסף נקודות בדיקה על אותות ומסילות חשמל חשובים כך שניתן יהיה לבצע מדידות בקלות במהלך איתור באגים ובדיקות ייצור.
• ספק כותרות תכנות וניפוי באגים כגון JTAG, SWD או UART כדי לטעון קושחה, לבדוק אותות ולתקשר עם המערכת במהלך הפיתוח.
• השתמש בספקי כוח מוגבלים בזרם בעת הפעלת ה-PCB בפעם הראשונה. זה מגן על רכיבים מפני נזק אם יש מכנסיים קצרים או טעויות עיצוב.
• הפעל ואמת כל תת-מערכת בנפרד לפני הפעלת המערכת כולה יחד. זה מקל על בידוד ותיקון בעיות.
• השווה את כל התוצאות הנמדדות מול מפרטי העיצוב המקוריים. בדוק את המגבלות התרמיות, ביצועי התזמון ויעילות ההספק כדי לוודא שהמעגל פועל כמתוכנן.
• שמור הערות מפורטות ותוצאות בדיקות. תיעוד זה מסייע בתיקונים עתידיים, פתרון בעיות והעברה לצוותי ייצור.
סיכום
תכנון מעגלים אלקטרוניים משלב תכנון, סימולציה ובדיקות ליצירת מערכות אמינות. החל מהגדרת מפרטים ועד לפריסת PCB ואימות, כל שלב מבטיח שהמעגלים יפעלו כמתוכנן בתנאים אמיתיים. על ידי יישום תכן וסטנדרטים טובים, אתה יכול לפתח פתרונות אלקטרוניים בטוחים, יעילים ועמידים לאורך זמן.
שאלות נפוצות
שאלה 1. באיזו תוכנה משתמשים לתכנון מעגלים אלקטרוניים?
Altium Designer, KiCad, Eagle ו-OrCAD נפוצים עבור סכמות ופרישת PCB. LTspice, Multisim ו-PSpice משמשים לעתים קרובות לסימולציות.
שאלה 2. כיצד הארקה משפיעה על מעגל?
הארקה נכונה מפחיתה רעש והפרעות. מישורי קרקע, קרקוע כוכבים והפרדת קרקעות אנלוגיות ודיגיטליות משפרים את היציבות.
שאלה 3. מדוע יש צורך בניהול תרמי במעגלים?
עודף חום מקצר את חיי הרכיבים ומפחית את הביצועים. צלעות-קירור, מעברים תרמיים, יציקות נחושת וזרימת אוויר עוזרים לשלוט בטמפרטורה.
שאלה 4. אילו קבצים נדרשים לייצור PCB?
יש צורך בקבצי Gerber, קבצי קידוח, מפרט חומרים (BOM) ושרטוטי הרכבה עבור ייצור והרכבה מדויקים של PCB.
שאלה 5. כיצד נבדקת תקינות האות?
אוסצילוסקופים, רפלקטומטריית תחום זמן (TDR) ומנתחי רשת בודקים עכבה, ערב-דיבור ועיוותים.
שאלה 6. מהו עיצוב לייצור (DFM)?
DFM פירושו יצירת מעגלים קלים לייצור על ידי שימוש בחתימות-שטח סטנדרטיות, עמידה במגבלות PCB ופישוט ההרכבה.