Beim Entwurf elektronischer Schaltungen handelt es sich um den Prozess des Planens, Testens und Bauens von Schaltkreisen, die bestimmte Aufgaben erfüllen. Es umfasst die Definition von Anforderungen, die Auswahl zuverlässiger Teile, die Erstellung von Schaltplänen, die Simulation der Leistung und das Testen des endgültigen Designs. Durch sorgfältige Schritte werden Schaltkreise sicher, effizient und zuverlässig. Dieser Artikel enthält detaillierte Informationen zu den einzelnen Phasen des Designprozesses.
Überblick über das Design elektronischer Schaltungen
Beim Entwurf elektronischer Schaltungen handelt es sich um den Prozess der Planung und des Aufbaus von Schaltkreisen, die eine bestimmte Aufgabe erfüllen können. Es beginnt mit kleinen Experimenten auf einem Steckbrett oder durch Computersimulationen, um zu überprüfen, ob die Idee funktioniert. Danach wird das Design in einem schematischen Diagramm gezeichnet, das zeigt, wie die einzelnen Teile miteinander verbunden sind. Das Design wird auf eine Leiterplatte (PCB) übertragen, die hergestellt und zu einem funktionierenden System montiert werden kann.
Bei diesem Prozess werden oft verschiedene Arten von Signalen kombiniert. Analoge Schaltungen arbeiten mit glatten und kontinuierlichen Signalen, während digitale Schaltungen mit Signalen arbeiten, die zwischen zwei Zuständen umschalten. Manchmal werden beide im selben Design kombiniert, um das System vollständiger zu machen.
Das Ziel des Designs elektronischer Schaltungen ist es, ein Endprodukt zu schaffen, das nicht nur funktional, sondern auch zuverlässig und bereit für den Einsatz unter realen Bedingungen ist. Eine sorgfältige Konstruktion trägt dazu bei, dass die Schaltung ordnungsgemäß funktioniert, stabil bleibt und die Sicherheitsanforderungen erfüllt.
Anforderungen an die technischen Spezifikationen
| Kategorie | Beispiel-Spezifikationen |
|---|---|
| Elektrik | Eingangsspannung: 5–12 V, Stromaufnahme: <1 A, Bandbreite: 10 MHz |
| Zeitplan | Latenz < 50 ns, Takt-Jitter < 2 ps |
| Umwelt | Betrieb von -40 °C bis +85 °C, 90 % Luftfeuchtigkeit |
| Mechanisch | Leiterplattengröße: 40 × 40 mm, Gewicht < 20 g |
| Konformität | Muss CE/FCC, EMV Klasse B erfüllen |
| Kosten/Produktion | Stücklistenkosten <\5 $, Baugruppenausbeute >95 % |
Systemarchitektur und Blockdiagramm-Design
Dieses Blockdiagramm veranschaulicht die Kernstruktur eines elektronischen Systems, indem es in miteinander verbundene Subsysteme unterteilt wird. Das Power Subsystem liefert stabile Energie über Batterien, DC-DC-Wandler und Regler und bildet die Grundlage für alle anderen Blöcke. Im Zentrum steht das Steuerungssubsystem, in dem sich ein Mikrocontroller, FPGA oder Prozessor befindet, der für die Verwaltung des Datenflusses und die Entscheidungsfindung verantwortlich ist.
Das analoge Subsystem verarbeitet reale Signale mithilfe von Sensoren, Verstärkern und Filtern, während die digitale I/O die Kommunikation mit externen Geräten über Standards wie USB, SPI, UART, CAN und Ethernet ermöglicht. Ein separater Takt- und Timing-Block gewährleistet die Synchronisation mit Oszillatoren, PLLs und präzises Routing für eine geringe Jitter-Leistung.
Um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten, liegt der Schwerpunkt auf Isolationszonen, die verrauschte digitale Signale von empfindlichen analogen Schaltkreisen fernhalten, Interferenzen reduzieren und die Systemstabilität verbessern.
Grundlegende Komponenten im elektronischen Schaltungsentwurf
Widerstände
Diese werden verwendet, um den elektrischen Stromfluss zu begrenzen und zu steuern. Durch das Hinzufügen von Widerständen stellen sie sicher, dass empfindliche Teile einer Schaltung nicht durch zu viel Strom beschädigt werden.
Kondensatoren
Er fungiert als kleiner Energiespeicher. Sie halten eine elektrische Ladung und können diese bei Bedarf schnell wieder abgeben. Dies macht sie nützlich für die Stabilisierung von Spannungen, das Filtern von Signalen oder die Bereitstellung kurzer Stromstöße.
Transistoren
Sie dienen als Schalter und Verstärker. Sie können den Strom wie ein kontrolliertes Gate ein- oder ausschalten oder schwache Signale verstärken. Transistoren sind ein Teil der modernen Elektronik, da sie es Schaltkreisen ermöglichen, Informationen zu verarbeiten und zu steuern.
Dioden
Führen Sie die Richtung des Stroms. Sie lassen den Strom nur in eine Richtung fließen und blockieren ihn in die andere Richtung. Dies schützt Schaltkreise vor Rückströmen, die Schäden verursachen könnten.
Komponentenforschung und -auswahl im Design elektronischer Schaltungen
Überlegungen zur Leistung
Bei der Auswahl von Teilen für eine Schaltung ist eines der ersten Dinge, die überprüft werden müssen, die Leistung. Das bedeutet, dass wir uns ansehen, wie sich das Bauteil in der Konstruktion verhalten wird. Zu den erforderlichen Details gehören, wie viel Rauschen es hinzufügt, wie stabil es über die Zeit ist, wie viel Strom es verbraucht und wie gut es Signale verarbeitet. Diese Faktoren entscheiden darüber, ob die Schaltung so funktioniert, wie sie soll.
Auswahl der Pakete
Das Gehäuse einer Komponente ist die Art und Weise, wie sie aufgebaut und dimensioniert wird. Es beeinflusst, wie viel Platz es auf der Platine einnimmt, wie viel Hitze es verarbeiten kann und wie einfach es ist, es während der Montage zu platzieren. Kleinere Gehäuse sparen Platz, während größere Gehäuse einfacher zu handhaben sind und besser mit Hitze umgehen können. Die Auswahl des richtigen Pakets trägt dazu bei, Platz, Wärme und Benutzerfreundlichkeit in Einklang zu bringen.
Verfügbarkeit und Lieferkette
Es reicht nicht aus, dass ein Teil gut funktioniert; Es muss auch bei Bedarf verfügbar sein. Sie sollten prüfen, ob das Teil von mehr als einem Lieferanten gekauft werden kann und ob es auch in Zukunft noch produziert wird. Dies reduziert das Risiko von Verzögerungen oder Neukonstruktionen, wenn das Teil plötzlich schwer zu finden ist.
Compliance und Standards
Die Elektronik muss Regeln für Sicherheit und Umwelt einhalten. Teile sind oft erforderlich, um Standards wie RoHS, REACH oder UL zu erfüllen. Diese Zulassungen stellen sicher, dass die Komponente sicher in der Anwendung ist, die Umwelt nicht schädigt und in verschiedenen Regionen verkauft werden kann. Compliance ist ein Hauptbestandteil der Auswahl von Komponenten.
Zuverlässigkeit und Leistungsminderung
Unter Zuverlässigkeit versteht, wie lange und wie gut ein Bauteil bei normalem Gebrauch funktionieren kann. Um die Lebensdauer der Teile zu verlängern, sollten Sie es vermeiden, sie an ihre Grenzen zu bringen. Diese Praxis wird als Derating bezeichnet. Indem man den Teilen einen sicheren Spielraum gibt, sinkt die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls und das gesamte System wird zuverlässiger.
Arten von Schaltungssimulationen im elektronischen Schaltungsentwurf
| Art der Simulation | Zweck im Schaltungsdesign |
|---|---|
| DC-Vorspannung | Bestätigt, dass alle Geräte an den richtigen Spannungs- und Strompunkten arbeiten. Verhindert, dass Transistoren unbeabsichtigt überlastet oder abgeschaltet werden. |
| AC-Sweep | Bewertet den Frequenzgang, die Verstärkung und den Phasenrand. Basic für Verstärker, Filter und Stabilitätsanalysen. |
| Transient | Analysiert das Verhalten im Zeitbereich, wie z. B. Umschalten, Startreaktion, Anstiegs-/Abfallzeiten und Überschwingen. |
| Lärmanalyse | Prognostiziert die Empfindlichkeit von Schaltkreisen gegenüber elektrischem Rauschen und hilft bei der Optimierung von Filterstrategien für rauscharme Anwendungen. |
| Monte Carlo | Testet die statistische Variation der Bauteiltoleranzen (Widerstände, Kondensatoren, Transistoren), um die Robustheit des Designs über die gesamte Fertigungsspanne hinweg sicherzustellen. |
| Thermisch | Schätzt die Wärmeableitung und identifiziert potenzielle Hotspots, die für Stromkreise und kompakte Designs erforderlich ist. |
Power Delivery und Signalintegrität im Schaltungsdesign
Praktiken für Power Delivery Network (PDN)
• Sternerdung: Verwenden Sie eine Sternverbindung, um Masseschleifen zu minimieren. Dies reduziert das Rauschen und sorgt für ein konsistentes Referenzpotenzial auf der ganzen Linie.
• Kurze Rückwege: Stellen Sie immer direkte und niederohmige Rückwege für den Strom bereit. Lange Schleifen erhöhen die Induktivität und injizieren Rauschen in empfindliche Schaltkreise.
• Entkopplungskondensatoren: Platzieren Sie Entkopplungskondensatoren mit kleinem Wert so nah wie möglich an den IC-Leistungsstiften. Sie fungieren als lokale Energiespeicher und unterdrücken hochfrequente Transienten.
• Bulk-Kondensatoren: Fügen Sie Bulk-Kondensatoren in der Nähe von Stromeintrittspunkten hinzu. Diese stabilisieren die Versorgung bei plötzlichen Lastwechseln.
Überlegungen zur Signalintegrität (SI)
• Kontrolliertes Impedanz-Routing: Hochgeschwindigkeits-Leiterbahnen sollten mit definierter Impedanz geroutet werden (typischerweise 50 Ω unsymmetrisch oder 100 Ω differenziell). Dadurch werden Reflexionen und Datenfehler vermieden.
• Bodenmanagement: Halten Sie analoge und digitale Massemasse getrennt, um Interferenzen zu vermeiden. Verbinden Sie sie an einem einzigen Punkt, um eine saubere Referenzebene zu erhalten.
• Reduzierung des Übersprechens: Halten Sie den Abstand zwischen parallelen Hochgeschwindigkeitsleitungen aufrecht oder verwenden Sie Bodenschutzleiterbahnen. Dies minimiert die Kopplung und bewahrt die Signalqualität.
• Lagenaufbau: Widmen Sie bei mehrschichtigen Leiterplatten durchgehende Ebenen für Strom und Masse. Dies reduziert die Impedanz und hilft bei der Kontrolle der EMI.
PCB-Layout im Schaltungsdesign
Platzierung von Komponenten
Platzieren Sie Komponenten basierend auf Funktion und Signalfluss. Gruppieren Sie verwandte Teile und minimieren Sie die Leiterbahnlängen, insbesondere bei Hochgeschwindigkeits- oder empfindlichen analogen Schaltungen. Grundkomponenten wie Oszillatoren oder Regler sollten in der Nähe der von ihnen unterstützten ICs positioniert werden.
Signal-Routing
Vermeiden Sie 90°-Leiterbahnbiegungen, um Impedanzdiskontinuitäten und potenzielle EMI zu reduzieren. Bei differenziellen Paaren wie USB oder Ethernet sollten die Leiterbahnlängen aufeinander abgestimmt sein, um die Timing-Integrität zu erhalten. Trennen Sie analoge und digitale Signale, um Interferenzen zu vermeiden.
Layer-Aufbau
Ein ausgewogener und symmetrischer Lagenaufbau verbessert die Herstellbarkeit, reduziert den Verzug und sorgt für eine gleichmäßige Impedanz. Dedizierte Masse- und Stromversorgungsebenen verringern das Rauschen und stabilisieren die Spannungsabgabe.
Überlegungen zu hohen Geschwindigkeiten
Leiten Sie Hochgeschwindigkeitssignale mit kontrollierter Impedanz, behalten Sie kontinuierliche Referenzebenen bei und vermeiden Sie Stiche oder unnötige Durchkontaktierungen. Halten Sie die Rückwege kurz, um die Induktivität zu minimieren und die Signalintegrität zu erhalten.
Thermisches Management
Platzieren Sie thermische Durchkontaktierungen unter den Stromversorgungsgeräten, um die Wärme in die inneren Kupferebenen oder die gegenüberliegende Seite der Leiterplatte zu leiten. Verwenden Sie Kupfergüsse und Wärmeverteilungstechniken für Hochleistungsschaltungen.
Schaltplanentwurf und ERC in der Schaltungsentwicklung
Schaltplan-Entwurfsschritte
• Hierarchische Blätter: Unterteilen Sie das Design in logische Abschnitte wie Stromversorgung, analoge und digitale Subsysteme. Dies hält komplexe Schaltkreise organisiert und erleichtert zukünftiges Debuggen oder Updates.
• Aussagekräftige Netzbenennung: Verwenden Sie beschreibende Netznamen anstelle von generischen Bezeichnungen. Eine klare Benennung vermeidet Verwirrung und beschleunigt die Fehlerbehebung.
• Designattribute: Fügen Sie Nennspannungen, Stromanforderungen und Toleranzinformationen direkt in den Schaltplan ein. Dies hilft bei der Überprüfung und stellt sicher, dass die Komponenten mit den richtigen Spezifikationen ausgewählt werden.
• Footprint-Synchronisation: Verknüpfen Sie Komponenten frühzeitig im Prozess mit ihren korrekten PCB-Footprints. Das Erkennen von Fehlanpassungen verhindert jetzt Verzögerungen und kostspielige Nacharbeiten beim PCB-Layout.
• Vorläufige Stückliste: Generieren Sie einen Stücklistenentwurf aus dem Schaltplan. Dies hilft bei der Kostenschätzung, der Überprüfung der Teileverfügbarkeit und der Beschaffungsplanung, bevor das Design fertiggestellt wird.
Hygiene des Electrical Rule Check (ERC)
• Erkennt schwebende Pins, die undefiniertes Verhalten verursachen können.
• Weist auf verkürzte Netze hin, die zu Funktionsstörungen führen könnten.
• Stellt sicher, dass die Strom- und Erdungsanschlüsse im gesamten Design konsistent sind.
Prüfung und Validierung der Rennstrecke
• Fügen Sie Testpunkte an wichtigen Signalen und Stromschienen hinzu, damit Messungen während des Debuggings und der Produktionstests einfach durchgeführt werden können.
• Bereitstellung von Programmier- und Debug-Headern wie JTAG, SWD oder UART zum Laden der Firmware, zum Überprüfen von Signalen und zur Kommunikation mit dem System während der Entwicklung.
• Verwenden Sie strombegrenzte Netzteile, wenn Sie die Leiterplatte zum ersten Mal mit Strom versorgen. Dies schützt Komponenten vor Beschädigungen, wenn es zu Kurzschlüssen oder Konstruktionsfehlern kommt.
• Schalten Sie jedes Subsystem separat ein und validieren Sie es, bevor Sie das gesamte System zusammen ausführen. Dies erleichtert das Isolieren und Beheben von Problemen.
• Vergleichen Sie alle gemessenen Ergebnisse mit den ursprünglichen Designspezifikationen. Überprüfen Sie die thermischen Grenzen, die Timing-Leistung und die Energieeffizienz, um sicherzustellen, dass die Schaltung wie vorgesehen funktioniert.
• Bewahren Sie detaillierte Bring-up-Notizen und Testergebnisse auf. Diese Dokumentation hilft bei zukünftigen Überarbeitungen, der Fehlerbehebung und der Übergabe an Produktionsteams.
Fazit
Das Design elektronischer Schaltkreise kombiniert Planung, Simulation und Prüfung, um zuverlässige Systeme zu schaffen. Von der Festlegung der Spezifikationen über das PCB-Layout bis hin zur Validierung stellt jeder Schritt sicher, dass die Schaltkreise unter realen Bedingungen wie vorgesehen funktionieren. Durch die Anwendung von gutem Design und Standards können Sie sichere, effiziente und langlebige elektronische Lösungen entwickeln.
Häufig gestellte Fragen
Frage 1. Welche Software wird für den Entwurf elektronischer Schaltungen verwendet?
Altium Designer, KiCad, Eagle und OrCAD sind gängige Anwendungen für Schaltpläne und PCB-Layouts. LTspice, Multisim und PSpice werden häufig für Simulationen verwendet.
Frage 2. Wie wirkt sich die Erdung auf einen Stromkreis aus?
Eine ordnungsgemäße Erdung reduziert Geräusche und Interferenzen. Masseflächen, Sternerdung und Trennung von analogen und digitalen Erdungen verbessern die Stabilität.
Frage 3. Warum ist ein Wärmemanagement in Schaltkreisen erforderlich?
Überschüssige Hitze verkürzt die Lebensdauer der Komponenten und verringert die Leistung. Kühlkörper, thermische Durchkontaktierungen, Kupfertöpfe und Luftstrom helfen bei der Temperaturregelung.
Frage 4. Welche Dateien sind erforderlich, um eine Leiterplatte herzustellen?
Gerber-Dateien, Bohrdateien, eine Stückliste (BOM) und Montagezeichnungen werden für eine genaue Leiterplattenherstellung und -bestückung benötigt.
Frage 5. Wie wird die Signalintegrität getestet?
Oszilloskope, Zeitbereichsreflektometrie (TDR) und Netzwerkanalysatoren überprüfen Impedanz, Übersprechen und Verzerrung.
Frage 6. Was ist Design for Manufacturability (DFM)?
DFM bedeutet, Schaltkreise zu erstellen, die einfach herzustellen sind, indem Standard-Footprints verwendet werden, die PCB-Grenzwerte eingehalten und die Montage vereinfacht werden.