Projektowanie płytek. O pracy projektanta. cz. 5

94 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 10/2009 NotatNik koNstruktora Dodatkowe materiały na CD wywane wszelkie założenia wstępne, wy- magania, pomysły. Elementy te stanowią ważny człon dokumentacji projektowej. Opracowanie schematu elektrycznego projektu Kolejnym etapem projektowym jest opracowanie schematu elektrycznego. Prak- tycznie każdy dobrej klasy pakiet CAD dla elektroniki posiada możliwość utworze- nia schematu elektrycznego z  elementów bibliotecznych. Biblioteki elementów za- wierają symbole (reprezentacje graficzne) i  opisy najpopularniejszych komponentów elektronicznych. Oczywiście istnieje możli- wość zdefiniowania własnych symboli i do- dania ich bądź utworzenia nowej biblioteki, co najczęściej powinno znacząco poprawić czytelność schematu. Tworząc elementy bi- blioteczne nie należy ograniczać się do pro- stych bloków, warto dodatkowo dodać jakaś graficzną ilustrację sposobu działania dane- go układu, tak aby osoba trzecia bez zaglą- dania w  dokumentację danego podzespołu mogła coś powiedzieć o jego działaniu, jak i aplikacji w której pracuje. Projektowanie płytek (5) O pracy projektanta Rozpoczynając przygodę z  projektowaniem obwodów, należy wcześniej uświadomić sobie, iż projekt taki składa się z  chronologicznie następujących po sobie etapów. Od pomysłu do wygenerowania poprawnej dokumentacji projektowej. W  artykule tym postaram się przybliżyć chronologię, jak i  rolę poszczególnych etapów. Każdy projekt rozpoczyna się od pomy- słu. Niektóre projekty trafiają do realizacji, niektóre do szu?ady, jednak bez względu na losy projektu, powinien on być przy- gotowany profesjonalnie, to znaczy wraz z kompletną dokumentacją. W innym wy- padku projekt jest małowartościowy, powo- duje powstanie bałaganu w strukturze jed- nostki projektowej i produkcyjnej. Dobrym zwyczajem jest rozpoczynanie projektu od utworzenia odpowiedniej kartoteki dla do- kumentacji projektu, gdzie będą przecho- Umieszczając element biblioteczny na schemacie (rys. 31) musimy nadać mu od- powiednie parametry, takie jak: numer po- rządkowy, wartość, nazwę producenta. Do- datkowo do każdego elementu należy przy- porządkować obudowę, czyli reprezentację graficzną widoczną w edytorze PCB. Rysując schematy należy przestrzegać kilku niepisanych reguł dobrego smaku, tj. umieszczać wejścia po lewej stronie, a wyj- ścia po prawej stronie arkusza, elementy reprezentujące sieci zasilania powinny być zorientowane ku górze, zaś elementy mas w dół (rys. 32). Kompozycja taka znacząco ułatwia czytanie schematu, jak i pokazuje klasę projektanta. W  momencie, gdy wszystkie elementy zostaną już rozmieszczone na schemacie, można przystąpić do łączenia poszczegól- nych ich wyprowadzeń, tworząc właściwy schemat elektryczny. W  zależności od pa- kietu w edytorze schematów mamy możli- wość dodawania do niego innych reprezen- tacji graficznych, takich jak sieć (net, net label), doprowadzenia zasilania (power), masy, symbole portów itp. Wiele pakietów Rys. 31. Korekta rozmieszczenia doprowadzeń celu poprawienia czytelności schematu 95ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 10/2009 Projektowanie płytek R E K L A M A Rys. 32. Preferowany sposób dołączenia mas w celu poprawienia czytelności schematy 96 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 10/2009 Notatnik konstruktora pozwala na wielokanałowe tworzenie sche- matów. Oznacza to, że cały projekt może być rozbity na kilka bloków, tworzących jedno urządzenie. Przykładowo, jeżeli projektuje- my odbiornik telewizyjny, to schemat urzą- dzenia możemy podzielić na poszczególne bloki: zasilacz, tor audio, tor wizji, tor wiel- kiej częstotliwości, tor odchylania, itd. Na podstawie utworzonych połączeń, program automatycznie generuje sieć po- łączeń (netlist). Najczęściej jest to plik tek- stowy zawierający opis połączeń związany z obudowami przyporządkowanymi do ele- mentów. Częstym błędem popełnianym przez początkujących jest łączenie schematu tylko i  wyłącznie za pomocą linii. Jest to sposób poprawny, jednak powoduje, że schemat staje się nieczytelny. Warto korzy- stać z dobrodziejstw aplikacji, wstawiając bardziej czytelne metody konstrukcji sche- matu, tj. symbole sieci, magistrale, itd. Na- leży jednak zachować umiar w  ich stoso- waniu w obrębie projektu, ponieważ może to również znacząco pogorszyć czytelność schematu. Po dokładnym narysowaniu schematu i opisaniu wyprowadzeń możemy przystą- pić do sprawdzenia projektu, narzędzia- mi wbudowanymi w  nowoczesne pakiety CAD. Najczęściej narzędzia takie wykry- wają kolizję zadeklarowanych typów połą- czeń, np. gdy pin elementu, zadeklarowany jako zasilania, jest na schemacie podłączo- ny do sygnału występującego w obwodzie. Symulacja obwodu elektrycznego Następnym etapem projektowania jest symulacja obwodu, na podstawie schema- tu elektronicznego. Jeżeli elementy biblio- teczne posiadają dyrektywy do symulatora wbudowanego w pakiet, możemy uruchomić moduł symulacji. Najczęściej musimy naj- pierw określić warunki pracy urządzenia, czyli podłączyć do poszczególnych wypro- wadzeń źródła zasilania, źródła sygnałów zmiennych oraz odbiorniki. Po określeniu Rys. 33. Przykładowy opis złącza umieszczony w obrębie warstwy użytkownika tych parametrów uruchamiamy symulację. Możemy również dokonać pomiarów napięć i prądów w punktach schematu, jak również zaobserwować przebiegi zmienne na wbu- dowanym oscyloskopie. Przeprowadzona symulacja upewnia nas, że założenia projek- towe są prawdziwe. Niestety nie wszystkie pakiety mają wbudowane symulatory. W  tych mniej zaawansowanych można tylko narysować schemat i wykonać na jego podstawie płyt- kę. Te bardziej rozbudowane umożliwiają nie tylko symulację obwodu, ale również ? po zaprojektowaniu płytki ? termiczną, ilu- strującą nagrzewanie się elementów oraz rozpraszanie ciepła w  danych warunkach otoczenia. Projektowanie modelu obwodu drukowanego W trakcie projektowania płytki na pod- stawie wcześniej narysowanego schematu, trasujemy fizyczne połączenia elektryczne pomiędzy padami montażowymi elemen- tów elektronicznych. Rozmieszczenie i wy- miary padów są określane w odpowiednich bibliotekach. Program przenosząc poszcze- gólne elementy z edytora schematu do edy- tora PCB wybiera odpowiednie symbole podstawek z bibliotek, przyporządkowane danym komponentom. Zwykle korzysta się z własnych bibliotek elementów, odpowia- dających stanowi magazynowemu jednost- ki produkcyjnej (rys. 33). Tworząc mozaikę połączeń musimy brać pod uwagę wiele aspektów i  wymagań dotyczących tego zagadnienia. Zasady te wstępnie zostały przedstawione w  poprzednich odcinkach kursu. Weryfikacja gotowego modelu obwodu drukowanego Gotowy projekt obwodu przed wyge- nerowaniem dokumentacji oraz plików produkcyjnych, należy poddać weryfikacji. Zazwyczaj proces weryfikacji modelu ob- wodu można podzielić na dwa etapy. Etap pierwszy, w którym sprawdzamy zgodność projektu: ? ze schematem elektrycznym, ? z założeniami projektu, ? z  wymaganiami mechanicznymi pro- jektu (obudowa, rozmieszczenie kom- ponentów). Etap drugi, w  którym sprawdzamy zgodność naszego modelu z  wymagania- mi stawianymi przez producenta obwodu. W etapie tym sprawdza się parametry takie jak: ? minimalna szerokość ścieżek, ? minimalny odstęp pomiędzy połącze- niami elektrycznymi, ? minimalne, maksymalne średnice otworów, ? parametry przelotek, ? wymiary obwodu. Generowanie plików produkcyjnych Z  gotowego i  sprawdzonego modelu obwodu drukowanego generujemy pliki produkcyjne. Często przygotowując pli- ki produkcyjne musimy dodatkowo dany projekt obwodu złożyć w tak zwany format składki. Format ten polega na powieleniu pojedynczego obwodu i  ustawieniu go w dokumencie kilka razy w niewielkiej od- ległości od siebie. Poszczególne płytki po- winny być ustawione symetrycznie wzglę- dem siebie. Składanie w formatkę składki ma znaczenie dla szybkości produkcji, ułatwia wykonanie obwodu producentowi oraz późniejszy montaż. Następnie generu- jemy gotowe pliki produkcyjne. Te z kolei przyjmowane są przez zakłady produkują- ce obwody i bezpośrednio odpowiadają za sterowanie automatów wiertniczych i  in- nych procesów technologicznych. Najczę- ściej zakłady produkujące obwody druko- wane przyjmują dwa formaty plików: ? Gerber RS-274X - plik tekstowy zawie- rający spis apertur, kody sterujące oraz współrzędne elementów. Każda war- stwa projektu zawarta jest w  oddziel- nym pliku; ? Excellon ASCII - pliki tekstowe za- wierające dane sterujące automatami wiertniczymi. Jeżeli projekt będzie montowany auto- matycznie, to należy również wygenero- wać pliki sterujące wszelkimi procesami zachodzącymi podczas takiego montażu, czyli najczęściej: ? pliki do wykonania szablonów do sito- drukarek, ? pliki zawierające pozycję i  dane ele- mentów na płytce bądź formatce płytek dla automatu układającego elementy na obwodzie, ? pliki zawierające pozycję i  dane ele- mentów dla automatów inspekcji koń- cowej. 97ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 10/2009 Projektowanie płytek Podczas generowania wszelkich plików istotne jest zwrócenie uwagi na tak zwany punkt ?orygin?. Nasz projekt obwodu, musi znajdować się w  jego pobliżu, ponieważ tylko takie ustawienie gwarantuje, iż wyge- nerowane pliki współrzędnych zmieszczą się w dopuszczalnych granicach tolerowa- nych przez niektóre urządzenia produkcyj- ne. Najlepiej aby po wygenerowaniu pli- ków produkcyjnych dokonać ich dodatko- wego sprawdzenia w specjalnych przeglą- darkach plików tego typu. Generowanie dokumentacji projektu Proces projektowania kończy się przygo- towaniem kompletnej dokumentacji projek- tu. Dokumentacja taka powinna zawierać: ? dokumentację zebraną w  pierwszym etapie, ? kompletne schematy projektu, ? opis projektu, ? spis elementów użytych w projekcie, ? wydruk poszczególnych warstw mode- lu obwodu drukowanego, ? wszystkie pliki projektu, wraz z plika- mi wyjściowymi. Organizacja pracy Przejście przez poszczególne etapy tworzenia profesjonalnego projektu, nie gwarantuje jeszcze sukcesu. Dodatkowo należy uwzględnić tak zwaną organizację pracy, wraz z  obiegiem informacji. Ozna- cza to pewne dodatkowe wymagania sta- wiane projektantom. Dbałość o  odpowiednią organizację bibliotek. Optymalną sytuacją jest gdy biblioteki dostępne projektantowi odpo- wiadają elementom z  magazynu danej jednostki produkcyjnej. W  takiej sytuacji zapewniona jest 100% możliwość szybkie- go bezbłędnego montażu. Należy unikać zbędnego niepotrzebnego podnoszenia stanu magazynowego, ponieważ podnosi to koszty magazynowania, jak i powoduje niepotrzebnie prawdopodobieństwo pomy- łek. W momencie gdy dodajemy nowy ele- ment do biblioteki, powinien on również zostać dodany do magazynu. Niektóre pa- kiety EDA pozwalają na tworzenie tak zwa- nych bibliotek zintegrowanych, jeżeli nasz pakiet posiada taką funkcjonalność należy z niej skorzystać. Dbałość o  odpowiednie prowadzenie dokumentacji. Rozpoczynając pracę, wie- lu początkujących projektantów zapomina o  prawidłowej dokumentacji powodując tym samym często niemałą dezorganizację pracy. Najczęstszym problemem powsta- wania bałaganu w  jest powstawanie ko- lejnych wersji obwodu drukowanego tego samego projektu. Rozwiązań tego proble- mu jest wiele, jednak z doświadczenia pro- ponuję, aby każdy schemat kolejnej wersji projektu opisywać nazwą, datą i tak zwaną rewizją. Następnie tę samą nazwę projek- tu, datę i numer rewizji należy umieścić na obwodzie. Takie oznaczenie to absolutne minimum. Dodatkowo dobrze jest na kolej- nych schematach, bądź w innych plikach, umieszczać opis wprowadzonych zmian w stosunku do wersji poprzedniej. W pli- kach z  modelem obwodu można umiesz- czać tabelki z informacjami zawierającymi opis sygnałów na złączach, opis położenia zworek, bądź inne informacje w zależności od potrzeby. Dobrej klasy projektant dba również o odpowiednie szkice zapewniające czytel- ność co do sposobu montażu w obudowie, wiązek kablowych itd. Kolejny często spotykany problem dotyczy tak zwanych wariantów monta- żowych. Problem ten pojawia się w  przy- padku obwodów mogących pracować w  zależności od potrzeb w  zadanej konfi- guracji. Konfiguracja taka może polegać na odpowiednim obsadzeniu, bądź nieobsa- dzeniu odpowiednich elementów, bądź też o zmianie wartości danych elementów. Na barkach projektanta często spoczywa od- powiedzialność za dziesiątki tysięcy pro- dukowanych serii urządzeń. Jedna pomył- ka może mieć więc katastrofalne skutki. Materiały Na zakończenie pragnę w  wspomnieć istotnym czynniku przy dobrze materiału, jakim jest jego źródło pochodzenia. Oka- zuje się, iż normy nie określają dokładnie wszystkich materiałów dopuszczonych do produkcji danego laminatu ani procesów technologicznych. Dopuszczalne tempera- tury przejścia mogą zawierać się w  usta- lonych przedziałach. A  przecież od tych czynników zależy bezpośrednio jakość uzy- skanej płytki. Dodatkowo, należy zwrócić uwagę czy w  przypadku pożaru laminatu nie będą wydobywały się trujące bądź żrą- ce substancje niebezpieczne dla zdrowia potencjalnych użytkowników. Odpowied- nio dobrany surowiec do produkcji płytki obwodu drukowanego stanowi warunek konieczny (aczkolwiek niewystarczający), aby uzyskać profesjonalny produkt. Dlate- go często nie warto oszczędzać na tanich laminatach o wypełniaczach papierowych. A  dla obwodów o  specjalnych wymaga- niach (częstotliwość pracy, stratność) war- to stosować laminaty profesjonalne, produ- kowane np. przez firmę ROGERS. Zakończenie Tym artykułem kończymy niniejszy krótki cykl o  projektowaniu obwodów drukowanych. Cykl ten miał na celu za- poznanie Czytelnika z ewentualnymi pro- blemami, jakie może napotkać projektant obwodów. Należy go traktować jako sze- reg wskazówek, które należałoby zgłębić we własnym zakresie. Niestety, zgłębie- nie wszelkich tajników tej trudnej sztuki wymaga dużego nakładu pracy, a  całości potrzebnej wiedzy nie da się przekazać w kilku krótkich artykułach. W przypadku dodatkowych pytań, proszę o  wiadomość e-mail. W  miarę swoich możliwości będę starał się pomóc rozwiązać dany problem. Na zakończenie nie pozostaje mi nic inne- go jak życzyć wielu owocnych projektów. inż. Tomasz Świontek tomekfx@o2.pl R E K L A M A