Die besten PCB-Tools und ihre Funktionsweise

Altium Designer
|  Erstellt: September 28, 2017  |  Aktualisiert am: December 21, 2020

Der Einsatz der richtigen Werkzeuge kann Ihnen viel Zeit, Geld und Frustration ersparen, ganz gleich, was für ein Projekt Sie realisieren wollen. Der alte Slogan „work smarter, not harder“ trifft definitiv auch auf das Leiterplatten-Design zu. Gute Design-Software unterstützt Sie mit PCB-Tools, die Sie zum intelligenten Arbeiten benötigen, ohne Sie mit umständlichen Funktionen zu belästigen.

Die Wahl Ihrer EDA-Software hängt individuell von Ihren Designanforderungen ab. In der Regel kommt es aber darauf an, die richtigen Werkzeuge für die jeweilige Aufgabe zur Verfügung zu haben. Damit Sie bestens gerüstet sind, geben wir Ihnen hier eine umfangreiche Liste von PCB-Design-Softwaretools an die Hand. Hierbei handelt es sich nicht um eine Liste verfügbarer Softwarelösungen, sondern um eine Werkzeug-Übersicht am Markt und wie diese Ihnen helfen, Ihre Leiterplatten zu optimieren.

Das richtige EDA-Softwarepaket hilft auf jeden Fall. Wenn es jedoch um die Erstellung von PCB-Schaltplänen geht, werden zahlreiche nützliche PCB-Tools oft ignoriert, weil sie entweder wenig bekannt oder Add-Ons sind. Dazu gehören Werkzeuge wie der PDN-Analyzer, MCAD-Integration, interaktives Routing, Multi-Board-Unterstützung und Supply-Chain-Management. Jedes dieser Tools hat etwas zu bieten, das Ihren Board-Design-Prozess vereinfachen und gleichzeitig Zeit sparen wird. 

DC Power Analysis mit einem PCB-Tool

Power-Design mag auf den ersten Blick simpel erscheinen: Sie schließen Ihre integrierten Schaltkreise (ICs) an ihre Stromversorgung an und schon funktioniert es – fertig. Das stimmt (manchmal). Eine schlampige DC-Power-Analyse oder IR-Drop-Analyse kann jedoch zu hohen Strömen in Ihren Leiterbahnen oder zu Spannungsabfällen auf Ihrer Platine führen. Darum ist es besser, in der Entwurfsphase proaktiv zu handeln und Probleme auf Ihrem Board frühzeitig zu identifizieren. Noch nicht überzeugt? Werfen wir einen Blick auf die Gründe, warum die DC-Power-Analyse im Leiterplatten-Design immer wichtiger wird.

Warum ist die Analyse wichtig?

Stromdichte: Moderne Chips werden immer leistungsfähiger, d. h. auch, sie benötigen immer mehr Strom. Bekanntlich führen höhere Stromdichten zu höheren Temperaturen. Durch hohe Stromdichten auf den Leiterbahnen wird mehr Energie als Wärme in die Leiterplatte abgeleitet. Sind Ihre Leiterbahnen zu dünn, können sie durch die hohen Temperaturen beschädigt werden. Wir konzentrieren uns oftmals darauf, die Symptome zu behandeln, indem wir das Layout verändern oder passive Kühlsysteme konstruieren. Wenngleich Sie sich weiter mit der Wärmeableitung befassen müssen – die Reduzierung hoher Stromdichten hilft, das Problem an der Quelle zu bekämpfen. Viele Simulatoren geben Ihnen einen Einblick, wo die Stromdichten zu hoch sind. Doch allzu oft handelt es sich dabei um eine separate Software, die schwer zu verstehen ist. Die DC-Power-Analyse sollte besser Teil Ihrer Design-Software sein, bei der Sie optisch erkennen können, wo die Stromdichten auf Ihrer Platine überhöht sind. So können Sie das Problem leicht beheben.

Spannungsabfall: Bei hohen Stromdichten entstehen naturgemäß Spannungsabfälle. Erzeugt ein stromfressendes Bauteil plötzlich eine Stromspitze und seine Leiterbahnen sind zu dünn, kann es zu einem erheblichen Spannungsabfall kommen. Das ist nicht nur bei vielen ICs ein Thema. Moderne integrierte Schaltkreise haben oft mehrere Stromversorgungsanschlüsse und unterschiedliche Versorgungsspannungen. Diese verschiedenen Stromversorgungen können sich gegenseitig stören und gekoppelte Spannungsabfälle verursachen. Ein geringfügiger Abfall von ein paar Millivolt an einem Bauteil kann bei einem anderen zu großen Problemen führen. Beispielsweise kann sich ein Chip zurücksetzen, logische Zustände ändern oder gar nicht erst einschalten. Die Vermeidung des Spannungsabfalls ist einfach: Leiterbahnen verbreitern, verkürzen oder beides. Allerdings gestaltet sich die Suche nach den potenziellen Problemstellen oft schwierig. Auch hier kann eine DC-Power-Analyse (IR-Abfall) die Spannungsabfälle in Ihren Schaltungen optisch hervorheben und Ihnen die Entscheidung erleichtern, welche Leiterbahnen verbreitert oder neu angeordnet werden müssen.

Es lohnt sich also, Ihr Gleichspannungsnetz auf diese Probleme hin zu untersuchen. Aber das Hin- und Herspringen zwischen der Anwendung und Ihrer Konstruktion ist problematisch. Ich empfehle daher die Verwendung einer integrierten DC-Power-Analyse, auch bekannt als Power-Delivery-Network-(PDN)-Analysetool. Ist dieses Tool zur Hand, werden Sie Spannungsabfälle schneller (und öfter) finden und lösen als mit einer separaten Lösung.

MCAD-Integration und 3D-Modellierung

Viel Zeit geht im Designprozess durch 3D-Modellierung und in Abstandsprüfungen verloren. Wenn Sie eine Rigid-Flex-PCB entwerfen, könnten Sie ein faltbares Papiermodell davon erstellen, um sicherzustellen, dass alle Komponenten richtig passen. Wenn nicht, brauchen Sie ein neues, was Tage oder Wochen dauern kann und alles verzögert. Auch wenn Sie herkömmliche Platinen entwerfen, müssen Sie sicherstellen, dass alles in das Gehäuse passt. Die Kommunikation mit dem Mechaniker, der die Formgebung vornimmt, ist zeitraubend und sehr mühsam. Einige Werkzeuge können jedoch 3D-Modelle von Platinen und Komponenten erzeugen, Abstandsprüfungen in Gehäusen durchführen und sogar das Falten von Leiterplatten für Rigid-Flex-Leiterplatten simulieren. Damit können Sie Änderungen an Ihrer Platine schneller vornehmen (z. B. weil sich das Gehäuse geändert hat) und die Abstandskontrolle virtuell in der Entwurfsansicht durchführen. 

Was bewirken diese Werkzeuge?

Abstandsprüfung: Das einzig Beständige ist der Wandel: Das gilt auch für den PCB-Layout-Prozess. Sie haben evtl. Ihr Board entworfen und gerade einen Prototyp bestellt, als Sie plötzlich feststellen, dass das Gehäuse umgestaltet wurde. Sie müssen Ihr Layout noch einmal überarbeiten und mit dem Konstrukteur, der das Gehäuse entworfen hat, klären, ob es passt. Da stellt sich heraus, dass das Gehäuse komplett neugestaltet werden soll. PCB-Designsoftware, die ein Modell Ihrer Schaltung generieren und Gehäusemodelle zur Freigabeprüfung importieren kann, macht dieses Re-Design zu einer Kleinigkeit.

Rigid-Flex: Rigid-Flex-Leiterplatten (ursprünglich aus der Luft- und Raumfahrtindustrie) sind jetzt fast überall zu finden. Wenn Sie ein solches Board entwerfen, bekommt das Thema Abstandskontrolle eine völlig neue Dimension. Nun müssen Sie dafür sorgen, dass sich alles einwandfrei zusammenfügt, ohne dass die Komponenten durcheinandergeraten oder gegen das Gehäuse schlagen. Zudem ist es wichtig, dass sich die Teilbaugruppen innerhalb der vorgegebenen Toleranzen falten lassen, da sie sonst im Laufe der Zeit brüchig werden könnten. Das Markenzeichen einer wirklich großartigen MCAD-Integration ist ein Programm, das ein Rigid-Flex-Modell erzeugen und für Sie simulieren kann.

STEP-Modelle: Die Abstandsprüfung ist nicht das einzige 3D-Problem, das auf Sie zukommen kann. Manchmal bereiten das Generieren und Platzieren von STEP-Modellen Kopfzerbrechen. Häufig müssen wir für eine Komponente sowohl einen Footprint als auch ein Modell erstellen. Nun erlauben es aber einige Programme, einen Footprint zu definieren und daraus dann das STEP-Modell zu generieren. Aus zwei Schritten wird einer, das nenne ich Effizienz! Sobald Sie Ihre Komponentenmodelle haben, müssen Sie diese platzieren. Ich weiß nicht, wie oft ich schon frustriert versucht habe, Koordinaten einzugeben, die ein Bauteil genau an die gewünschte Stelle setzen sollten, nur um dann festzustellen, dass es mit einem anderen Bauteil kollidiert. Intelligente, intuitive Komponentenplatzierung bedeutet, keine Zeit mit der Eingabe genauer Koordinatenpositionen zu verschwenden. Die Drag-&-Drop-Funktionalität mit automatischer Ausrichtung spart Ihnen jede Menge Zeit.

Design-Neuentwicklung: Design-Neuentwicklung: Sollten Sie jemals den Wunsch verspürt haben, über Kenntnisse der 3D-Modellierung zu verfügen, um selbst einen neuen Entwurf zu beginnen, kann Ihnen diese Software helfen. Viele PCB-Anforderungen werden durch die mechanischen Abmessungen der Leiterplatte festgelegt. Mit diesen Modellierungstools in Ihren Händen können Sie mit Leiterplattenumrissen, Montagelochpositionen, Abschirmplatzierungen und physischen Ausschnitten experimentieren. Dadurch können Sie sowohl an den elektrischen als auch an den mechanischen Aspekten Ihres Boards arbeiten.

Interaktives Routing mit PCB-Tools

Trace-Routing ist eine Kunst, die wir an die Maschine in Form von Autorouting übergeben haben. Es überrascht nicht, dass es nicht wirklich gut funktioniert hat. Inzwischen warten jedoch einige Unternehmen mit neuen automatischen interaktiven Routing-Funktionen auf, die Ihre Routingzeiten um Stunden verkürzen können, ohne Ihre Kreativität zu beschränken.

Das Routing ist äußerst wichtig, insbesondere, wenn es um EMI und High-Speed-Leiterbahnen geht. Nur weil Sie aufgrund elektrischer und zeitlicher Zwänge die Leiterbahnlänge begrenzen und sie nicht mäandern lassen wollen, heißt das noch lange nicht, dass sie unschön aussehen müssen. Ihr Routing kann so persönlich sein wie Ihre Unterschrift: Eine Maschine macht zwar die Arbeit, aber sie hinterlässt keine persönliche Handschrift in Ihrem Entwurf. Davon abgesehen sucht jeder immer nach Möglichkeiten, um aufwendige Designabschnitte, wie z. B. große Ball-Grid-Arrays (BGAs), schneller zu routen. Ein richtig geführter Router wird Ihre Escape-Routes optimieren, als wären sie manuell verlegt, lässt Sie aber nach wie vor die Ergebnisse nach Ihren Wünschen anpassen. Es ist auch wichtig, dass Router den PCB-Designregeln und deren Prioritäten folgen. Bestimmt wollen Sie nicht, dass Ihr Werkzeug beim Routing die Abstände zu einem High-Speed-Chip ignoriert.

Dank auto-interaktiver Routing-Technologie können Sie die Dauer, die Sie z. B. mit dem manuellen Routing eines Busses verbringen, auf Minuten reduzieren. Die besten auto-interaktiven Router ermöglichen, den Pfad zu lenken, auf mehreren Ebenen zu routen, die Länge und Phase automatisch anzupassen oder automatisch Pin-Swaps in 3D durchzuführen – und das alles unter Einhaltung Ihrer Designregeln. Diese Art von Werkzeug kann Ihnen die Leistungsfähigkeit von High-End-EDA-Software zu einem Bruchteil der Kosten zur Verfügung stellen.

Differential pair on a PCB
Ein Router kann Ihnen helfen, Leiterbahnen zu optimieren und gleichzeitig Ihr persönliches Design zu erhalten.

Multi-Board-Systemdesign

Ich bin mir sicher: Elektronik wird nie einfacher werden. Innovative Produkte erfordern Elektronik, die in individuelle Gehäuse passt, leicht skalierbar ist und höhere Wartungsfreundlichkeit und Zuverlässigkeit bietet; alles Anforderungen, die sich gut für Multi-Board-Design eignen. Die zunehmende Verwendung von Multi-Boards in Konstruktionen ist ein klarer Beweis dafür. Sie stellen beim Entwurf häufig ein Problem dar, da sie eine Vielzahl neuer mechanischer und elektrischer Design-Herausforderungen mit sich bringen. Sie müssen sich um die Abstände zwischen den einzelnen Platinen kümmern, über elektrotechnische Anforderungen auf und zwischen den einzelnen Platinen nachdenken sowie über mögliche Re-Designs. Zum Glück gibt es einige PCB-Tools, die das Multi-Board-Design vereinfachen.

Was bewirken diese Werkzeuge?

MCAD-Integration und 3D-Modellierung auf Systemebene: Über die Vorteile der MCAD-Integration in Ihre PCB-Design-Software sprach ich bereits. Stellen Sie sich vor, wie nützlich dies sein kann und multiplizieren Sie es mit der Anzahl Ihrer Leiterplatten. Die 3D-Abstandsprüfung auf ungleichen Boards ist ein Albtraum! Sie müssen sicherstellen, dass alles auf jede einzelne Platine passt, die Platinen sich zusammenfügen und alles zusammen in das Gehäuse passt. Als Elektroniker denken Sie zunächst vielleicht nicht daran, wie die Einzelteile später mechanisch zusammengebaut werden sollen. Dennoch ist es ein wichtiger Faktor, den es zu überprüfen gilt. Fügen sich die Leiterplatten innerhalb des Gehäuses nicht korrekt zusammen, könnte eine mechanische Umkonstruktion der Leiterplatten und/oder des Gehäuses die Folge sein. Selbst wenn die mechanische Änderung nur geringfügig ist, können kleine Form- oder Layout-Änderungen umfangreiche elektrische Re-Designs provozieren. Diese neuen Werkzeuge verfügen über Funktionen, mit denen Sie während der Konstruktion Modelle erzeugen und Abstandsprüfungen an einer Gesamtbaugruppe durchführen können. Auf diese Weise müssen Sie am Ende nicht die gesamte Baugruppe neu gestalten, weil etwas nicht richtig zusammengepasst hat.

Elektrische Regelprüfung: Apropos Baugruppenprüfung: Die Multi-Board-Funktionen sind in der Lage, eine elektrische Regelprüfung über alle Platinen hinweg durchzuführen. Nehmen wir an, dass Sie aufgrund unvorhergesehener Umstände gezwungen sind, auf einer Nebenplatine Pin-Verbindungen zu tauschen. Diese Regelprüfung wird die Änderung hervorheben und sogar den Austausch auf die Hauptplatine übertragen. Was zuvor eine tagelange Verfolgungsjagd oder komplizierte Änderungen des Designs bedeutet hätte, ist nun schnell erledigt. Denn dank dieser neuen EDA-Software wird der Fehler bei der elektrischen Regelprüfung für die Gesamtbaugruppe hervorgehoben.

Supply-Chain-Management mit PCB-Tools

Wir sind Designer, keine Geschäftsleute, daher ist das Supply-Chain-Management oft eine lästige Pflicht des PCB-Designs. Tools für das Supply-Chain-Management können da hilfreich sein. Sie können Stücklisten prüfen, um sicherzustellen, dass alle gewünschten Komponenten noch verfügbar sind, und sogar neue Komponenten vorschlagen, wenn dies nicht der Fall ist. Sie sind auch bei Recherchen nach Alternativen für veraltete Designs, die Sie umgestalten möchten, behilflich. Durch die Nutzung dieser Tools verbessern Sie gleichzeitig die Interaktion mit Ihrem Hersteller, da dieser nicht mehr so lange auf Ihre Designänderung warten muss.

Altium 365 verbindet Designer und Hersteller miteinander

Zahlreiche Designer haben festgestellt, dass es sinnvoll ist, Komponenten selbst zu beschaffen. Die Verwaltung von Bauteilbibliotheken und Lieferketten ist jedoch problematisch und nicht das, wonach sich die meisten Designer sehnen. Warum also nicht ein Programm schaffen, das das für Sie erledigt? Es stehen mehrere PCB-Tools zur Verfügung, die Sie zum Supply-Chain-Management verwenden können. Sie tun dies, indem sie Komponenten-Bibliotheken auf dem neuesten Stand halten und mit Lieferanten kommunizieren, um zu sehen, wer was auf Lager hat. Auf diese Weise merken Sie nicht plötzlich, dass der IC, das Sie beim letzten Mal verwendet haben, veraltet ist, wenn Sie die nächste Baugruppen-Charge bestellen wollen. Ihre Supply-Chain-Management-Software informiert Sie im Voraus darüber, dass dieser IC nicht verfügbar ist und kann sogar einen Ersatz vorschlagen. Derartige Programme können auch nachverfolgen, welche Bauteile Sie in früheren Entwürfen verwendet haben. Nehmen wir an, Sie nutzten vor drei Jahren ein grandioses Design und wollen es nun für ein neues Produkt weiterentwickeln. Allerdings möchten Sie nicht erst ermitteln, wie sich die Komponenten verändert haben und welche Sie jetzt verwenden sollten. Genau das könnte diese Software für Sie tun.

Design libraries visual of a  on a computer
Software für das Supply-Chain-Management kann Ihnen helfen, sich auf das Design statt auf Bibliotheken zu konzentrieren.

Einheitliches Design

Dies ist zwar kein Werkzeug, jedoch sollte es ein Merkmal jedes Werkzeugs sein, das Sie verwenden. Einheitliches Design bezeichnet Tools, die Bestandteil Ihres Hauptprogramms sind. Wollen Sie mit Ihren Werkzeugen Ihren Designprozess wirklich beschleunigen, müssen diese jederzeit griffbereit sein, wenn Sie sie brauchen.

Eines der besten PCB-Design-Programme hat all diese und weitere Werkzeuge bereits von Anfang an integriert. Altium Designer® bietet alles: Analyse, MCAD-Integration, Routing, Unterstützung von Multiboard-Systemen, Supply-Chain-Management und noch vieles mehr. Alle diese Werkzeuge sind von der Hauptoberfläche aus verfügbar und somit leicht zugänglich. Altium schließt die Technologielücke, indem es modernste Spitzentechnologien für wenig Geld in Ihre Hände legt. Profitieren Sie noch heute von diesen PCB-Tools und verbessern Sie Ihre Effizienz und Ihre Designs. 

Mit dem neuen Altium 365 steht außerdem eine ECAD-Platform zur Verfügung, mit der Sie eine noch bessere Kommunikation gewährleisten können, und zwar von überall aus.

Haben Sie weitere Fragen zu PCB-Design-Software? Kontaktieren Sie einen Experten von Altium.

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Leistungsstarkes PCB-Design

Über den Autor / über die Autorin

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PCB Design Tools für Electronics Design und DFM. Informationen für EDA-Führungskräfte.

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