Intelligente Programm-Architektur für Komponentenbibliotheken

"Die Organisation erfolgt, bevor man etwas unternimmt, damit man, wenn man etwas unternimmt, nicht durcheinander gerät." 

A. A. Milne

Die Programm Architektur ist die spezifische Struktur, die für die Verwaltung unserer erfassten Daten sorgt. Sie bestimmt, wie die Speicherung, Sortierung und Verwendung der Daten im System abläuft. 

In gewissem Sinne kann man die Architektur Ihrer PCB Bibliothek wie die Architektur eines Gebäudes beschreiben. Die Programm Architektur muss stehen, bevor Sie die Bibliothek einrichten, um ein virtuelles Hotel Del Coronado zu vermeiden...

Im kalifornischen Coronado steht direkt am Strand in einer Meeresbucht gegenüber von San Diego das Hotel Del Coronado. Dieses gigantische, vollständig aus Holz erbaute Gebäude ist das zweitgrößte des Landes. Es wurde unter anderem berühmt, weil es das erste Hotel in den USA war, das elektrisches Licht und den ersten mit elektronisch betriebenen Kerzen erleuchteten Weihnachtsbaum im Außenbereich bieten konnte. Es diente als Kulisse für den Filmklassiker Manche mögen‘s heiß mit Marilyn Monroe, Jack Lemmon und Tony Curtis aus dem Jahr 1959. 

^{Bild des „Hotel Del Coronado“ auf Shutterstock“}

Der Bau des Hotels begann im März 1887, eröffnet wurde es im Februar 1888. Besonders eindrucksvoll und überraschend an diesem wunderschönen Hotel ist, das keinerlei offizielle architektonische Pläne für dessen Bau verwendet wurden. Es wurde einfach alles „zusammengestellt“. Es wurde während der Bauphase geplant. Diese Tatsache wird in dem Moment offensichtlich, wenn man die vordere Fassade des Gebäudes betrachtet und einem die verfallende Struktur auffällt. Dennoch ist dieses zauberhafte Hotel das Kronjuwel von Coronado. 

Ich habe dieses Beispiel gewählt, um auszudrücken, dass Dinge auch ohne Planung entstehen können, es jedoch nicht zu empfehlen ist. Es war ein architektonisches Meisterstück und sollte besser nicht noch einmal probiert werden. 

Mich fasziniert die Struktur von Gebäuden, die man während des Baus sehen kann. Die Bauarbeiter ebnen den Untergrund, legen das Fundament, ziehen die Wände hoch und setzen das Dach darauf. Ehe man sich versieht, steht dort ein neues Gebäude. All dies funktioniert aufgrund der richtigen Planung, insbesondere architektonischer Planung. 

Betrachten wir also, wie wir unsere Bibliothek strukturieren.

Diese eine Säule hat absoluten Vorrang. Die Programm Architektur und damit auch die Struktur, die aus ihr entsteht, ist für alle anderen Säulen entscheidend und ausschlaggebend. Die Programm Architektur ist deshalb so wichtig, weil es sich dabei um die Säule handelt, die unseren Bibliotheken den größten Schaden hinzufügen kann, wenn sie nicht ordnungsgemäß durchdacht ist. 

Selbstverständlich variieren die Details der Bibliothek je nach Bedürfnissen der unterschiedlichen Unternehmen. Diese Bedürfnisse bestimmen, wie Ihre Programm Architektur letztendlich aussehen wird.  

Das Fundament

Schauen Sie doch einmal in einen Angebotskatalog für elektronische Bauteile. Schnell werden Sie angesichts der schieren Anzahl an Millionen von erhältlichen PCB Bauteilen überwältigt sein. Die aktuellsten erhältlichen Bauteile auf den Webseiten beliebter Anbieter für elektronische Bauteile belaufen sich auf eine Stückzahl von 8.621.770.

Die Informationen zu den Bauteilen sind recht dynamisch, was noch weiter zur allgemeinen Verwirrung beiträgt. Das Angebot befindet sich stetig im Wandel. Es werden elektronische Bauteile hinzugefügt und andere vom Markt genommen. Daten- und Parameterfelder ändern sich. Und dann ist es natürlich auch noch so gut wie unmöglich, die Verfügbarkeit und Bezugsinformationen der PCB Bauteile zu überblicken. Es wäre einfacher, Wackelpudding an die Wand zu nageln. 

Erste Schritte

Nur zu oft werden PCB Bibliotheken entsprechend der Tatsache konzipiert, wo ein Unternehmen aktuell steht, anstatt sich daran zu orientieren, wie es in fünf oder zehn Jahren aussehen wird. Ich kenne kein Unternehmen, das lieber einige Jahre stagnieren würde. Aus diesem Grund muss zunächst darüber nachgedacht werden, wie das Wachstum Ihres Unternehmens aussehen soll.

Kürzlich sprach ich mit einem Unternehmen über deren Bibliothek (eine einzelne, da sie bereits ihre erste Säule erstellt hatten). Ich erfuhr, dass es Probleme mit den rund 1.500 Bauteilen gab. Als ich nachfragte, wie die Handhabung von 10.000 Bauteilen aussehen würde, trafen mich erschrockene Blicke und es wurde totenstill. Sie verstanden allerdings, was ich ihnen sagen wollte. Wir müssen eine Bibliothek erstellen, die 10.000 Bauteile bewältigen kann, auch wenn wir uns noch gar nicht an diesem Punkt befinden. Die Strukturierung einer Bibliothek ist deshalb immer so anzulegen, dass eine natürliche Erweiterung bei einem anzustrebenden Wachstum des Unternehmens eingeplant wird. Die Planung ist absolut unabdingbar. 

Bauteilkategorien/-familien

Üblicherweise organisiert man PCB Bauteile, indem man sie in Kategorien und Familien unterteilt und anschließend eine spezifische Kategorienummer in 100er Serien vergibt. Anschließend werden sie in Familien mit einem Nummerierungssystem aus 1er Serien unterteilt. 

Mit dieser Art von Strukturierung kann man Bauteile ganz einfach finden und organisieren. Dennoch ist eine Erweiterung möglich, wenn die Datenbank weiter anwächst, da zu jeder Kategorie eines Bauteils 100 verschiedene Familien mit unzähligen Bauteilnummern gehören können. 

Zum Glück liegt der schwierige Teil schon hinter uns. Die meisten Anbieter für Bauteile organisieren Ihre Bauteile auf genau diese Art und Weise. Meiner Meinung nach ist der beste Anbieter, den ich finden konnte, Octopart^®. Dieser verfügt über eine sehr detaillierte Bauteilstruktur, die nicht nur auf Kategorien sondern auch auf Unterkategorien und Familien basiert. Je nach benötigter Komplexität Ihrer Bibliothek kann man so ganz einfach weitere Stufen hinzufügen (wozu wir kommen, wenn wir uns um Einzelteile kümmern). Ich habe noch keine Bibliothek erlebt, der zu viel Organisation geschadet hat. Je mehr, desto besser. 

Bibliotheksvoraussetzungen

Sie sollten eine detaillierte Struktur Ihrer Bibliothek vor Augen haben, bevor Sie beginnen, da es zu einer großen Herausforderung werden kann, zwischendurch noch einmal von vorne zu beginnen, was mir persönlich schon passiert ist. Alles was mir übrig blieb, war, die gesamte Bibliothek zu löschen und noch einmal von vorne zu beginnen. Ein wenig Planung und Organisation können da weiterhelfen. Anders als beim Hotel Del Coronado geschehen, sollte man darauf verzichten, die Bibliothek unterwegs zu gestalten und darauf zu hoffen, dass schon alles passen wird.

Lassen Sie die Bauteile in Ihren aktuellen Designs Ihren Bedarf bestimmen. Sie brauchen nicht jede Bauteilkategorie oder-familie und deshalb ergibt es auch keinen Sinn, jede Kategorie oder Familie zu erstellen. 

Beginnen Sie mit einer anfänglichen Struktur und bauen Sie darauf auf. Sobald ein neuer Bereich ins Spiel kommt, können Sie Bauteilkategorien und -familien ganz einfach zur wachsenden Bibliothek hinzufügen. Das führt zu vielen anfänglichen Aufgaben. Doch diese Aufgaben werden mit der Zeit immer weniger. 

Das Bauteil, der Bibliotheksbaustein

Lassen Sie uns noch eine Schicht der sprichwörtlichen Zwiebel entfernen. Das elektronische Bauteil ist der Baustein einer jeden Bibliothek. Wie bereits erwähnt, ist die heute am häufigsten verwendete Art von Bibliothek die PCB Komponentenbibliothek, die in verschiedene Modelle aufgeteilt werden kann, die das Bauteil in verschiedene Einheiten unterteilen. Die verwalteten Informationsblöcke, die besonders stark kontrolliert werden, ermöglichen eine richtige Konfiguration der Bibliothek. Wenn wir wissen, woraus jedes Bauteil besteht, können wir es in die Struktur der Bibliothek einfügen. 

Woraus besteht ein Bauteil?  

Die verschiedenen Bestandteile eines Bauteils werden in 2 Hauptkategorien unterteilt: Informationen und Modelle.

Informationen

Wir sind der Meinung, dass die Informationen zu Bauteilen oft statischer Natur sind. Am besten bettet man sie also in das Bauteil an sich ein. Somit bleiben die wichtigen Informationen außerdem mit dem Bauteil verbunden. Die parametrischen Bauteilinformationen beinhalten spezifische Details zum jeweiligen Teil. Dies sehen wir beispielsweise in der nachfolgenden Darstellung. Viele der zuvor erwähnten Millionen Bauteile unterscheiden sich durch minutiöse Details, während die Unterschiede ein PCB Design entweder zum Gelingen oder Scheitern verurteilen.  

Die zweite Art von Information ist der Bezug. Bezugsinformationen befinden sich auf einer neuen Ebene dynamischer Daten. Bei einem wechselnden Bauteilangebot, das sich nicht täglich oder wöchentlich sondern unmittelbar ändern kann, ist dies zu einer wachsenden Sorge von PCB Designern geworden. 

Modelle

Die zweite Kategorie eines jeden Bauteils sind seine Modelle. Die benötigten minimalen Modelle für jedes Bauteil sind die Schaltplan-Symbole, Footprint/Decal und das 3D Modell. Wenn man ein gutes Simulationsmodell findet, kann das von Vorteil sein. Dabei kann es sich aber nicht um feste Regeln handeln, denn die Details darüber, wie gewisse Chips funktionieren, sind bei manchen Bauteilen, insbesondere IC Manufacturers, geschützt.

Die Bauteilmodelle sind bei langsamer vorgenommenen Änderungen statischer. Vor diesem Hintergrund ist es wichtig, diese Bauteile so allgemein wie möglich zu halten. Die Regel besagt, dass man, wenn ein Modell einfach an verschiedenen Orten verwendet werden kann, verhindern möchte, ein Modell durch parametrische oder Beschaffungsinformationen an einen bestimmten Teil zu „binden“. Die Bereiche für Informationen und Modelle der Bauteile sollte sich wenn möglich nicht überschneiden, wenn es um die Benennung von Konventionen geht. 

Schaltplan-Symbol

Das Schaltplan-Symbol ist ein Piktogramm, das verwendet wird, um verschiedene elektrische und elektronische Geräte oder Funktionen darzustellen. 

Die eine Ausnahme dieser Regel betrifft die Benennung bestimmter angehängter Schaltplan-Symbole. Oft gilt ein Schaltplan-Symbol einzig für ein spezifisches Footprint-Paket. Am besten verwendet man die MFG-Teilenummer als Bezeichnung für das Symbol. 

Footprint/Decal 

Der PCB-Footprint ist die Anordnung an Kontaktstellen (in der Oberflächenmontagetechnologie) oder Durchgangslöchern (in der Durchgangslochtechnologie), die verwendet wird, um ein Bauteil physikalisch an einer Leiterplatte anzubringen und elektrisch damit zu verbinden. Das Lötaugenmuster auf einer Leiterplatte entspricht der Anordnung der Anschlussdrähte auf einem Bauteil. Die feste Regelung besagt, dass das Schaltplan-Symbol und die Profile zueinander passen müssen. 

Namenskonvention für Profile 

Um eine Bibliothek zu durchsuchen und die vorhandenen Bauteile zu finden, müssen Sie eine standardisierte Namenskonvention festlegen. Insbesondere wenn mehr als eine Person für die benötigte Erstellung der Profile zuständig ist. Zum Glück übernimmt IPC das für uns. Zwei Standards, die benötigt werden:

• IPC-7251C allgemeine Anforderungen für Durchgangslochdesigns und Lötaugenmusterstandards 

• IPC-7351C allgemeine Anforderungen für Oberflächenmontagedesigns und Lötaugenmusterstandards

• Die Namenskonvention des PCB Footprint/Decal verwendet IPC-7351C

Als Übersicht werden die Profile nach Paketart und Größe erfasst. 

3D Modelle 

Die 3D-Darstellung des Bauteils auf dem PCB wird immer wichtiger, da die Größen der fertiggestellten Einheiten immer kleiner werden. Die mechanischen Beschränkungen werden höchstwahrscheinlich für die meisten PCB Designs verantwortlich sein. Glücklicherweise gibt es zahlreiche Quellen für 3D Modelle, darunter 3D Content Central und Grab CAD. Die Quelle, an die man sich wenden sollte, ist allerdings der Hersteller der 3D Modelle persönlich. Immer mehr von diesen hören auf die PCB Designer und beziehen die Modelle neben den parametrischen Informationen ein.

Die Notwendigkeit einer präzisen 3D Darstellung ist den PCB ECAD Softwareherstellern nicht verborgen geblieben. Für Altium gehört es zum Standardprotokoll, dass bei der Erstellung eines neuen Bauteils ein potenzielles 3D-Modell automatisch hinzugezogen wird.

Simulation 

Simulationen sind etwas problematisch. Sie zu finden, ist nämlich ein echter Glücksfall. Das herkömmliche Einzelteil ist kein Problem. Aber wie bereits erwähnt, gilt als einzige Quelle für fortgeschrittene ICs gewöhnlich der Hersteller. Aus diesem Grund sind Ingenieure dazu gezwungen, einige einmalige Methoden zur Simulation von Schaltkreisen ohne IC zu entwickeln.

Aufbewahrungsort für Modelle

Es kursieren verschiedene Strategien zur Verwaltung der Modelle. Ein Standpunkt besagt, dass man alle Modelle für die gesamte Bibliothek in einem einzelnen Ordner aufbewahren sollte. Ich finde es allerdings schwierig, den Inhalt mithilfe dieser Methode zu verwalten. In dem Fall ist es schon relativ aufwändig, das benötigte Modell überhaupt zu finden. 

Meiner Meinung nach ist es besser, einen Modellordner für jede Bauteilkategorie einzurichten. Damit wird das Modell unterteilt und für die entsprechende Kategorie ordentlich eingeordnet.  

Es kann allerdings problematisch sein, wenn ein Modell in verschiedene Kategorien eingeordnet werden kann. Ein Paket in SOT-Größe beispielsweise kann für verschiedene Bauteilkategorien in Ihrer Bibliothek gelten. Wie lösen wir also dieses Problem? Wir befolgen die oben genannte Regel unter dem einfachen Vorbehalt, dass bei der Änderung eines Profils eine Suche durchgeführt werden muss, um festzulegen, ob das andere passende Profil ebenfalls geändert werden muss. 

Ein Wort zu Einzelbauteilen

Um eine Metapher zu verwenden: Wenn eine Bibliothek ein menschlicher Köper wäre, dann würden die Einzelbauteile den gewaltigen Bierbauch darstellen. Wenn Ihre Bibliothek wächst, sollten Sie sicherstellen, dass die Einzelteilkategorien über die meisten Bauteile verfügen. Aus diesem Grund muss man sich besonders um diesen Bereich seiner Bibliothek kümmern, indem man weitere architektonische Strukturen erstellt. Man kann zum Beispiel zusätzliche Ebenen hinzufügen, die unter anderem die Größe des Bauteils enthalten. Somit werden sie zusätzlich nach Größe geordnet. 

Außerdem kann es helfen, da man besonders viel Zeit für das Erstellen des Einzelteils aufwendet – wenn man sie nach Größe kategorisiert – wenn man eine Vorlage für Einzelbauteile einrichtet. Bei dieser Vorlage handelt es sich um ein exemplarisches Bauteil, das aus dem Schaltplan-Symbol und den verwendeten Profilen besteht. Diese Bauteile werden unter einem einmaligen Namen gespeichert, damit man sie leichter finden kann. Eine Standard Einzelteilgröße für einen Widerstand ist beispielsweise 0402. Die Vorlage enthält dann das Symbol für Widerstand und bei diesem Beispiel 3 Profile für die kleinsten, normalen und maximalen Bedingungen. Es wird als <RES0402> mit dieser Syntax gespeichert. Für die nächsten benötigten 0402 Widerstände müsste man also nach der Vorlage <RES0402> suchen, eine Kopie erstellen, diese in die parametrische Information einfügen, die Beschaffung verbinden und fertig. Die Vorteile liegen darin, dass man weniger Zeit zur Erstellung von Bauteilen benötigt, der Prozess standardisiert und die Modelle verwendet werden. 

Arbeit mit Einzelbauteilen

Bei einer Mehrzahl der Einzelbauteilhersteller haben nicht alle Bauteile dieselbe Größe. Sie unterscheiden sich durch leichte Abweichungen. Diese Tatsache trägt nur weiter zur Bedeutung der Verwendung eines Standards wie IPC für PCB Designer bei. Ich möchte dies folgendermaßen belegen: Eine einfache Suche per Digikey für einen 0402 Chip-Widerstand ergibt 12 verschiedene Ergebnisse für Profilgrößen mit insgesamt 10 verschiedenen Höhen zwischen 0,35mm und 0,85mm. Das bedeutet 15 bis 20 verschiedene Profile für nur dieses eine Bauteile. 

Wie lösen wir ein solches Problem? Zunächst beginnen Sie mit den 3-Baseline Profilen Groß, Normal und Klein. Zweitens wäre die jeweilige Bauteilhöhe das höchste Bauteil. Es ist wichtig, alle Störungen mit mechanischen Objekten zu überprüfen und das höchste 3D Modell wäre die maximale Bedingung. 

Praktische Schritte

• Führen Sie eine vollständige Überprüfung der in Ihrer Umgebung verwendeten Bauteile durch und legen Sie für jedes die spezifische Kategorie und Familie fest.

• Richten Sie den Modellordner für jede Kategorie ein 

• Richten Sie Ihre Vorlage für Einzelbauteile ein, um die Erstellung der Bauteile zu vereinfachen. 

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