Was ist ein PCB-Referenzdesign und wie verwenden Sie es richtig?

Ein Referenzdesign ist ein PCB-Design, das Sie zu Beginn eines Projekts kopieren, um Ihnen die Arbeit zu erleichtern. Dadurch müssen Sie nicht alles von Grund auf neu anlegen.

Manche Designer lieben Referenzdesigns, andere hassen sie. Egal, was Sie von Referenzdesigns halten, die besten Komponentenhersteller veröffentlichen Referenzdesigns für ihre neuen und älteren Produkte. Sie tun dies unter anderem, um Designern ein Anwendungsbeispiel für eine Komponente zu geben. Einige Referenzdesigns sind dabei sehr hochwertig und können leicht in produktionstaugliche Systeme umgewandelt werden. Andere Referenzdesigns eignen sich hingegen nur für die Stückliste und das Blockdiagramm. Hier müssen Sie weiterhin den Großteil der Konstruktion rund um die Komponente selbst übernehmen. Der Hauptgrund dafür, dass Halbleiterhersteller Referenzdesigns veröffentlichen, besteht darin, dass es sich dabei um eine Form des Marketings handelt und sie dadurch Kunden an eine bestimmte Komponente für das Produkt binden können.

Wenn Sie ein Erstausrüster (OEM), eine Designfirma oder ein kleines Start-up sind, sind dies wichtige Punkte, die Sie berücksichtigen sollten. Referenzdesigns mögen wie ein einfacher Weg zu einem millionenschweren Produkt erscheinen. Die harte Wahrheit ist jedoch, dass es immer noch ein erhebliches Maß an technischer Entwicklung rund um die Hauptkomponenten im Referenzdesign erfordert. Start-ups sind besonders anfällig dafür, Referenzdesigns einfach vorbehaltlos zu übernehmen. Überlegen Sie sich aber gut, ob Sie sich auf eine bestimmte Komponente und einen unterstützenden Chipsatz festlegen wollen, nur weil Sie ein Beispielprodukt in einem Referenzdesign gesehen haben. 

Sie sind ein Designer am Anfang Ihrer Designkarriere oder ein Start-up und fragen sich, ob Referenzdesigns das Richtige für Ihr nächstes Projekt sind? Dann befolgen Sie die folgenden Best Practices, um mit Ihrem Referenzdesign keine Fehler zu machen.

So werden Referenzdesigns verwendet

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Referenzdesigns für PCB-Projekte zu finden und zu verwenden. Referenzdesigns werden erstellt, um zu zeigen, wie eine bestimmte Komponente oder eine Reihe von Komponenten für eine bestimmte Anwendung verwendet wird. Diese Designs umfassen normalerweise die folgenden Elemente:

• Blockdiagramm, Stückliste und Schaltplan: Dies ist der wichtigste Teil eines Referenzdesigns, da er zeigt, wie die Hauptkomponenten verbunden sind und welche anderen Komponenten für die spezifische Anwendung benötigt werden. 
• PCB-Layout-Dateien: Nicht alle Referenzdesigns enthalten ein PCB-Layout, aber diejenigen, die es enthalten, wurden wahrscheinlich irgendwann als Demo-Produkt hergestellt und getestet. 
• Design-Bibliotheken: Referenzdesigns enthalten Bibliotheken mit ETH-Symbolen und Footprints für Komponenten im Design. 
• Fertigungsdateien: Vielleicht finden Sie Gerber-Dateien oder andere Fertigungsdateien in einem Satz von Referenzdesigndateien.
• Firmware- oder Anwendungsunterstützung: Wenn das Produkt Firmware, eine eingebettete Anwendung, Desktop-/Mobilanwendung oder einige Entwicklungsbibliotheken benötigt, finden Sie diese möglicherweise alle innerhalb eines Referenzdesigns.
• Physisches Evaluierungsprodukt: Einige Unternehmen verwenden ihre Evaluierungsprodukte als Referenzdesigns. Auch wenn es für den Halbleiterhersteller ein Verlustfaktor ist, handelt es sich dabei um großartige Tools, um eine Anwendung rund um ein Referenzdesign zu entwickeln oder einfach, um die Fähigkeiten der Hauptkomponente zu testen.

Nicht alle Referenzdesigns umfassen dabei alle Punkte der obigen Liste. Bei einigen handelt es sich lediglich um Schaltpläne; diese verfügen möglicherweise nicht einmal über Komponentenbibliotheken, um die Implementierung des Referenzdesigns zu unterstützen. Je nach Halbleiterhersteller können Referenzdesigns und das damit verbundene Angebot ganz unterschiedlich ausfallen, manche Hersteller bieten sogar erst gar keinen Support an. Sie sollten daher gut prüfen, welches Maß an Unterstützung Sie erhalten, wenn Sie sich für die Verwendung eines Referenzdesigns entscheiden.

Mein Unternehmen arbeitet oft mit Startups zusammen, um ein Gen-1-Produkt zu entwickeln. Wir arbeiten hier unter anderem daran, das Produkt zu optimieren, um es für die Serienproduktion vorzubereiten. Wenn mein Team eine neue Art von Anwendung entwickeln muss oder wir mit einer Komponente arbeiten, die wir noch nie verwendet haben, schaue ich immer zuerst nach, ob es schon ein Referenzdesign für diese Komponente oder dieses System gibt. Meist erhalte ich so zumindest eine Stückliste, die zur Unterstützung der untersuchten Hauptkomponente verwendet werden kann. Im besten Fall lässt sich das Risiko beim Design eines neuen Produkts erheblich verringern; einfach weil wir wissen, dass das Design auf Schaltkreis-/Systemebene korrekt sein wird, und die Halbleiterunternehmen Garantien dafür geben können.

Das Ziel besteht also nicht darin, das Referenzdesign einfach in ein neues System zu replizieren. Für mich verkürzt es einfach die Recherchezeit, die ich brauche, um die Hauptkomponenten im System zu finden: Ich kann schnell erkennen, welche Hauptkomponenten im System beteiligt sind und ich kann mir auf hohem Niveau ein gutes Bild davon machen, wie sie zusammenpassen. Es gibt aber immer ein paar zusätzliche Anforderungen, die in den Schaltplan eingearbeitet werden müssen. Dennoch gibt das Referenzdesign einen guten ersten Eindruck davon, wie diese zusätzlichen Funktionen in das Design passen könnten.

Wie lassen sich Referenzdesigns prüfen?

Wenn das Referenzdesign gut genug ist und schön veranschaulicht, wie man schnell einige Hauptkomponenten umsetzen kann, werde ich diese wahrscheinlich in meinem Design verwenden und der Komponentenhersteller hat uns dadurch als neuen Kunden gewonnen. Sobald Sie die Designdateien erhalten haben, sollten Sie zunächst einige Aufgaben einzeln ausführen, bevor Sie ganze Abschnitte aus dem Referenzdesign in Ihr benutzerdefiniertes Design integrieren.

Auf veraltete/NRND-Komponenten prüfen

Sollten Sie ein älteres Referenzdesign herunterladen, ist es möglich, dass das Design Komponenten enthält, die gar nicht mehr verfügbar oder veraltet sind. Gehen Sie daher unbedingt das Design genau durch und überprüfen Sie, ob die Komponenten überhaupt noch vorhanden sind. Aktualisieren Sie anschließend das Design mit den neuen Bauteilen. Die Lieferketten-Tools in der PCB-Designsoftware sollten Ihnen zeigen, welche Komponenten nicht mehr lieferbar, veraltet oder einfach nicht mehr zu beschaffen sind.

Alle Komponentensymbole und Footprints überprüfen

Nachdem Sie die veralteten Komponenten ausgetauscht haben, sollten Sie die verbleibenden Komponenten auf Fehler überprüfen. Denn nur weil ein Referenzdesign von einem großen Komponentenhersteller erstellt wurde, heißt das noch lange nicht, dass die Bibliotheken keine falschen Daten enthalten. Ich selbst habe schon Referenzdesigns von großen Komponentenherstellern mit vielen falschen Symbolen und Footprints gesehen. Alle Symbole und Footprints sollten daher überprüft werden, um sicherzustellen, dass die Footprints auch wirklich mit den Artikelnummern im Design übereinstimmen.

Schaltpläne organisiert halten

Wenn Sie einem Referenzdesign weitere Funktionen hinzufügen wollen, sollten Sie versuchen, die ursprünglichen Schaltpläne beizubehalten. Das kann bedeuten, dass Schaltkreisblöcke aus dem Referenzdesign in verschiedene Blätter aufgeteilt oder hierarchische Schaltpläne erstellt werden müssen. Ich ziehe es vor, Referenzteile und neuere Schaltungsteile jeweils in ihren eigenen Blättern aufzubewahren. Ein wenig Arbeit am Frontend hilft dabei, Fehler im Design zu erkennen und sie zu den Referenz- bzw. benutzerdefinierten Designdateien zurückzuverfolgen.

Das Design nach Möglichkeit mit Simulationen evaluieren

Wenn möglich, sollten Sie versuchen, die Funktionalität des Designs mithilfe von Simulationen zu bewerten. Es reicht zumeist aus, dies im Schaltplan zu tun, da Sie wahrscheinlich am Ende sowieso ein völlig anderes Layout verwenden werden. Eine Möglichkeit, wie ich das mache, ist blockweise: Ich schaue mir bestimmte Blöcke im Design mit SPICE-Simulationen an und stelle sicher, dass diese das elektrische Verhalten erzeugen, das ich erwarte.

Dafür sollten Layouts in Referenzdesigns eher nicht verwendet werden

Ich selbst bevorzuge die Verwendung eines Referenzdesigns für die Schaltpläne und die Stückliste, aber das ist dann auch schon alles. Ich würde nicht empfehlen, das gesamte PCB-Layout zu übernehmen und zu versuchen, es an das eigene Design anzupassen. Sie können sich sicherlich das Layout einmal näher ansehen und so ein paar Ideen für die Anordnung der Komponenten erhalten. Auch lassen sich möglicherweise ein paar Schaltungsblöcke zwischen der Referenz-Leiterplatte und der neuen Leiterplatte kopieren, aber mehr vermutlich auch nicht.

Deshalb würde ich nicht empfehlen, das PCB-Layout in einem Referenzdesign zu verwenden:

• Formfaktor: Das PCB-Layout ist wahrscheinlich nicht so angeordnet, dass es Ihren speziellen Anforderungen an den Formfaktor entspricht. Auch passt es möglicherweise nicht zur Platzierung anderer kritischer Komponenten, da diese nicht Teil des ursprünglichen Referenzdesigns waren. 
• SI/PI: Möglicherweise lauern im PCB-Layout ein paar Probleme mit der Signalintegrität, der Leistungsintegrität und EMI. Einige prominente Namen in der EMI/EMV-Crowd meiden Anwendungshinweise und Referenzdesigns aus genau diesem Grund: Die Komponentenhersteller sind keine Leiterplatten-Designer und geben möglicherweise Empfehlungen, die Probleme im System verursachen.
• Testen: Es lässt sich möglicherweise herauszufinden, ob das Design jemals getestet wurde. Selbst wenn dies erfolgt sein sollte, ist vermutlich nicht klar, in welchem Umfang dies geschehen ist. Dies ist einer der Hauptgründe, warum das Layout eines Referenzdesigns stets überprüft werden sollte.
• FCC-, UL- oder andere Zertifizierungen: Wenn Sie etwas entwickeln, das Tests und Zertifizierungen erfordert, gibt es keine Garantie dafür, dass das PCB-Layout im Referenzdesign auch wirklich eine Zertifizierung erhält.

Manchmal ist das PCB-Layout in einem Referenzdesign einfach unordentlich. Auch wenn es auf funktionaler Ebene anwendbar sein mag, wird das Layout normalerweise nur als Beispiel erstellt und müsste stark verändert werden, bevor es dann tatsächlich für ein produktionsreifes System eingesetzt werden kann.

Sie suchen ein spezielles Referenzdesign? Dann rufen Sie einfach Ihre bevorzugte Suchmaschine auf und beginnen Sie hier mit der Suche nach der Anwendung. Wahrscheinlich werden Sie mehrere Optionen von verschiedenen Komponentenherstellern vorfinden. Die Designs können dabei in allen möglichen Formaten vorliegen. Mit den Konvertierungswerkzeugen in Altium Designer® können Sie jedoch problemlos jedes Referenzdesign wählen und gleich mit einem neuen Projekt beginnen. Die Komponentenwerkzeuge helfen Ihnen außerdem dabei, neue Komponenten mit verifizierten Symbolen und Footprints in Ihren Designs zu finden und zu platzieren.

Wenn Sie Ihr Design fertiggestellt haben und die Dateien für Ihren Hersteller freigeben möchten, können Sie auf der Altium-365™-Plattform ganz einfach zusammenarbeiten und Ihre Projekte teilen. Wir haben nur ganz oberflächlich behandelt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Besuchen Sie die Produktseite für detaillierte Beschreibungen der Funktionen oder nehmen Sie an einem unserer On-Demand-Webinare teil.