L’architecture S.M.A.R.T pour la gestion des composants électroniques dans une bibliothèque PCB

Organiser c’est combiner toutes les actions préalables à une réalisation, pour garantir que le résultat final soit clair et précis.  

_{A. A. Milne}

L'architecture est la structure spécifique qui organise nos données collectées. Elle détermine nos méthodes pour stocker, organiser et exploiter les données dans le système. 

D'une certaine manière, l'architecture de votre bibliothèque PCB est similaire à l'architecture d'un bâtiment. Elle doit être terminée avant de construire votre bibliothèque afin de ne pas vous retrouver avec un hôtel virtuel Del Coronado sur les bras...

A Coronado, en Californie, sur la plage de l'autre côté de la baie de San Diego, se trouve un hôtel appelé Hotel Del Coronado. Cette structure massive, entièrement en bois, est la deuxième du pays, par sa taille. Del Coronado est aussi le premier hôtel des États-Unis à avoir bénéficié de l’éclairage électrique. Il a en outre le premier arbre de Noël à décorations électriques planté à l'extérieur. Cet hôtel a servi au tournage d’un grand classique du cinéma américain : Some Like it Hot (1959 - Certains l'aiment chaud) avec Marilyn Monroe, Jack Lemmon, et Tony Curtis. 

La construction de l'hôtel a commencé en mars 1887. Il fut inauguré en février 1888. Cet hôtel une caractéristique impressionnante et surprenante : aucun plan architectural officiel n'a été utilisé pour sa construction. Tous les éléments ont créés et assemblés sans aucun plan préalable. La réalisation a été planifiée dans l’instant même de la construction. Une réalité indubitable dès que vous posez les yeux sur sa façade et sa structure décomposée. Malgré cela, ce bel hôtel est devenu le joyau de la couronne de Coronado. 

Je vous en parle parce que, bien qu'il soit possible de construire quelque chose sans plan, il n'est pas conseillé de le faire. Del Coronado constitue un fantastique exploit architectural, mais qu’il vaudrait mieux éviter aujourd'hui. 

Je suis stupéfait par la structure d'un bâtiment qui s'élève progressivement vers le ciel. Les ouvriers nivellent le terrain, creusent les fondations, les murs s'élèvent, le toit est posé. Et soudain, un édifice existe pour la première fois. Et rien n’aurait été possible sans une bonne planification et en particulier la planification architecturale. 

Voyons maintenant comment sera structurée notre bibliothèque.

Ce pilier est plus important que tous les autres. L'architecture et en finalité la structure qui en découle déterminent et façonnent tous les autres piliers. Étant donné son importance, le pilier Architecture est aussi celui qui peut avoir le plus de conséquences négatives sur nos bibliothèques s’il n'est pas configuré correctement. 

Bien sûr, les détails de la bibliothèque varient en fonction des besoins individuels de l'entreprise, et ces besoins détermineront en fin de compte la façon dont votre architecture sera élaborée.  

Pose des fondations

Ouvrez n'importe quel catalogue de fournisseurs de composants électroniques et vous serez rapidement submergé par les millions de composants disponibles. Récemment, un site populaire de composants électroniques offrait pas moins de 8 621 770 composants.

De plus, les informations sur les composants sont très dynamiques, et ne font qu’aggraver la difficulté du choix. Et ce site est en évolution constante ! Des composants électroniques sont constamment ajoutés, tandis que d'autres sont retirés. Le contenu des champs Paramètres et Données changent fréquemment. Naturellement, les informations sur la disponibilité et les sources d'approvisionnement sont impossibles à obtenir. Il serait plus facile de clouer de la gelée sur un mur. 

Premières étapes

Trop souvent, les bibliothèques de PCB sont conçues pour s'adapter à la situation actuelle d'une entreprise au lieu d’anticiper sur ses besoins au cours des cinq à dix prochaines années. Je ne connais aucune entreprise qui se contentera de stagner pendant plusieurs années. Par conséquent, vous devez d'abord préparer et réfléchir au développement de votre entreprise et sa croissance.

Je me suis récemment entretenu avec une entreprise au sujet de leur bibliothèque (au singulier, parce qu'ils avaient déjà mis en place leur premier pilier). Ils devaient gérer environ 1500 composants. Quand je leur ai demandé comment il gérerait 10 000 composants, leurs yeux se sont perdus dans la distance, et un long silence a envahi la salle. Cependant, ils ont compris où je voulais en venir. Nous devons construire une bibliothèque capable de gérer 10 000 composants même si nous n'en sommes pas encore là aujourd’hui. Ainsi, la structure de la bibliothèque est conçue de manière à supporter une expansion naturelle et, espérons-le, la croissance de l'entreprise. Planning est la première nécessité. 

Catégories/ familles de composants

Une méthode courante pour organiser les composants consiste à les organiser en catégories et en familles, puis à leur attribuer un numéro de catégorie spécifique de la série 100. Ensuite, le niveau suivant est organisé en Familles avec un système de numérotation de la Série 1. 

Ce type de structure permet de trouver et de classer facilement n'importe quel composant. Cependant, elle autorise une expansion adaptée à la progression de la base de données, puisque chaque catégorie de composants peut regrouper 100 familles différentes avec un nombre infini de composants dans chacune d'entre elles. 

Heureusement, la partie la plus difficile est déjà terminée. La plupart des fournisseurs de composants organisent leurs composants de la même manière. Personnellement, j’estime qu’Octopart^® est la meilleure solution actuelle. Sa structure très détaillée des composants est non seulement basée sur des catégories, mais aussi par sous-catégories et familles. En fonction de la complexité de votre bibliothèque, nous pouvons facilement ajouter des niveaux supplémentaires (ce que nous verrons lorsque nous aborderons les composants discrets). Aussi poussée soit-elle, une organisation détaillée est toujours un avantage pour une bibliothèque. Plus elle est organisée, meilleure elle est. 

Exigences de la bibliothèque

Avant de commencer, vous devez définir une structure détaillée décrivant la bibliothèque, parce que changer d’orientation à mi-parcours impose des difficultés supplémentaires. Et c’est une expérience personnelle que je ne souhaite pas renouveler… Parce que la seule solution consiste alors à supprimer la bibliothèque et à recommencer à zéro. Un minimum de planning et d’organisation sont des avantages indispensables à long terme. Comme le prouve l'hôtel Del Coronado, une construction improvisée dans l’espoir que l’assemblage final sera conforme aux attentes ne peut pas être une bonne pratique.

Laissez les composants présents dans vos designs actuels définir vos besoins. Toutes les catégories et toutes les familles de composants ne sont pas nécessaires. Il n'est donc pas logique de les mettre toutes en place. 

Commencez par mettre en place votre structure initiale, puis développez-la. Lorsqu'une nouvelle pièce est en ligne, vous pouvez ajouter rapidement des catégories et des familles de composants au fur et à mesure que la bibliothèque se développe. Les tâches initiales sont donc nombreuses. Mais elles sont rapidement résolues. 

Le composant, bloc de construction d’une bibliothèque.

Retirons une couche supplémentaire de l’oignon. Le composant électronique est le bloc de construction unitaire, quelle que soit la bibliothèque. Comme nous l'avons mentionné précédemment, le principal type de bibliothèque utilisé aujourd'hui est la bibliothèque de composants, qui répartit les différents modèles de composants en entités distinctes. Lorsqu’ils sont extrêmement contrôlés, les blocs d'information gérés supportent une configuration réelle de la bibliothèque. Lorsque les caractéristiques de chaque composant sont connues, nous pouvons les placer dans la structure de la bibliothèque. 

Quels sont les éléments internes d’un composant ?  

Les différentes pièces d'un composant sont divisées en 2 catégories principales : les informations et les modèles.

Informations

Nous constatons que les informations sur les composants ont souvent une nature statique. Il est donc préférable de les intégrer dans le composant lui-même. De plus, de cette façon, les informations vitales restent liées à ce composant. Les informations paramétriques contiennent des détails spécifiques à chaque pièce. Comme le montre la figure ci-dessous. Plusieurs millions des composants sus-mentionnés sont différenciés par les plus infimes variations, mais une seule suffit pour faire la réussite ou l’échec de la conception d’un circuit imprimé. 

L’approvisionnement est le deuxième type d'information nécessaire. Les informations d’approvisionnement constituent un nouveau niveau de données dynamiques. L’approvisionnement en composants évolue sans cesse, pas seulement chaque jour ou chaque semaine, mais instantanément, posant aux concepteurs de circuits imprimés des problèmes croissants. 

Modèles

Les modèles forment la deuxième catégorie de chaque composant. Les modèles minimaux requis pour chaque composant incluent le symbole schématique, l'empreinte (Decal) et le modèle 3D. Si nous pouvions trouver un bon modèle de simulation, nous aurions un avantage supplémentaire. Mais cela ne peut pas être une règle absolue, car pour certains composants, et en particulier les fabricants de circuits intégrés, les détails sur le fonctionnement de certaines puces sont exclusifs.

Les modèles de composants sont plus statiques et les changements sont plus lents. Dans cette optique, il est essentiel de garder ces éléments aussi généraux que possible. La règle est que si le modèle peut facilement être utilisé à plusieurs endroits, il n’est pas souhaitable d’"attacher" un modèle à une pièce particulière avec des informations paramétriques ou d'approvisionnement. Les informations et la zone des modèles pour les composants ne doivent pas se croiser, dans la mesure du possible, et éviter des conflits entre les conventions de nommage. 

Symbole schématique

Le symbole schématique est un pictogramme utilisé pour représenter divers dispositifs ou fonctions électriques et électroniques. 

La seule exception à cette règle concerne le nommage de certains symboles schématiques joints. Souvent, un symbole schématique est réservé à un module dimensionnel spécifique. Il est préférable d'utiliser le numéro de référence de fabrication (MFG) comme nom du symbole. 

Empreinte (Decal) 

L'empreinte d’un circuit imprimé représente l'agencement des plots (en technologie de montage en surface) ou des trous traversants (en technologie de trous traversants) qui servent à fixer physiquement et connecter électriquement un composant sur une PCB. Le modèle de circuit utilisé pour créer une PCB définit la disposition des conducteurs sur un composant. La règle de base consiste à préserver la correspondance entre le symbole schématique et l'empreinte. 

Convention de nommage des empreintes 

Donc, pour faire des recherches dans une bibliothèque et trouver des composants, vous devez utiliser une convention de nommage normalisée. Surtout si vous avez plus d'une personne chargée de créer les empreintes requises. Heureusement, IPC a pris cette fonction en charge. Deux normes doivent être connues:

• IPC-7251C Exigences génériques des montages à trous traversants et des modèles de circuit 

• IPC-7351C Exigences génériques des montages en surface et des modèles de circuit

• La convention de nommage des empreintes (decal) de circuits imprimés avec la norme IPC-7351C

Comme résumé, les empreintes sont identifiées par le type et la taille du module. 

Modèles 3D 

La représentation 3D du composant sur le circuit imprimé joue un rôle plus important, parce que les dimensions des unités finies ont diminué. Les contraintes mécaniques seront très probablement le moteur de la plupart des conceptions de circuits imprimés. Heureusement, de nombreuses sources de modèles 3D sont apparues, notamment 3D Content Central et Grab CAD. Mais le fabricant reste la source de référence du modèle 3D. Les fabricants tiennent de plus en plus compte des opinions des concepteurs de circuits imprimés et incluent les modèles avec les informations paramétriques.

La nécessité d'une représentation 3D précise est maintenant clairement perçue par les éditeurs de logiciels ECAD PCB. Le protocole standard d’Altium exige maintenant que pour chaque nouveau composant créé, son modèle 3D soit automatiquement intégré, lorsqu’il existe.

Simulation 

Les simulations peuvent être un peu problématiques. Elles peuvent en effet exiger une approche plutôt pragmatique, par élimination d’erreurs. Les composants discrets conventionnels ne posent pas cette difficulté. Mais, pour les circuits intégrés avancés, comme mentionné précédemment, le fabricant est généralement la seule source. Cela oblige les ingénieurs à mettre au point des méthodes uniques pour simuler des circuits qui n'ont pas de circuit intégré représenté.

Centre des modèles

Diverses stratégies sont apparues pour gérer les modèles. Une stratégie consiste à regrouper tous les modèles de toute la bibliothèque dans un seul dossier. Mais elle a l’inconvénient de ne pas faciliter la gestion des contenus, bien au contraire. La recherche d’un modèle peut devenir plus que difficile. 

Je pense qu’il est préférable de créer un dossier de modèles pour chaque catégorie de composants. Les modèles sont ainsi organisés et plus accessibles en fonction de chaque catégorie utilisée.  

Mais un modèle peut être utilisé dans plusieurs catégories. Par exemple, un module SOT peut trouver sa place dans différentes catégories de composants dans toute la bibliothèque. Alors comment l’organiser ? Nous appliquons la règle susmentionnée, mais avec une seule variation : chaque fois qu'une empreinte est modifiée, une recherche doit être effectuée pour déterminer si d’autres empreintes correspondantes doivent également être modifiées. 

Un mot sur les composants discrets

Pour utiliser une métaphore, si une bibliothèque était un corps humain, les composants discrets seraient son ventre à bière massif. Au fur et à mesure que votre bibliothèque grandit, vérifiez que les catégories discrètes sont celles qui contiennent le plus de composants. Par conséquent, cette partie de votre bibliothèque exige une attention particulière sous la forme d’une structure architecturale supplémentaire. Une méthode consiste à 'ajouter des niveaux supplémentaires pour inclure les différentes tailles des composants. Ce qui permet de les organiser par taille. 

De plus, comme la création des composants discrets prend beaucoup de temps, si vous les avez classés par taille, il vous sera aussi utile de créer un modèle de composant discret. Ce modèle est un composant générique qui combine le symbole schématique et les empreintes utilisées. Ces composants sont sauvegardés sous un nom unique qui permet de les retrouver facilement. Par exemple, une taille discrète standard pour une résistance est le 0402. Dans le modèle, nous aurions le symbole de résistance et trois empreintes correspondant aux conditions minimales, nominales et maximales, pour cet exemple. Il serait enregistré comme : <RES0402> avec cette syntaxe. Pour les résistances 0402 suivantes, vous pouvez rechercher le modèle <RES0402>, en faire une copie, ajouter les informations paramétriques, et joindre l’approvisionnement. Et vous avez terminé ! Les avantages incluent la réduction du temps nécessaire à la création des composants et la normalisation du processus et des modèles utilisés. 

Utilisation des composants discrets

Compte tenu du nombre de fabricants de composants discrets, les composants n’ont pas tous la même taille. Les différences sont nombreuses, même si elles peuvent être légères. Ce qui ne fait qu'accroître la nécessité d'une norme, comme l'IPC pour les concepteurs de circuits imprimés. Par exemple, les résultats d’une simple recherche d’une résistance à puce 0402 dans Digikey ne donnent pas moins de 12 tailles d'empreintes différentes, avec 10 hauteurs différentes entre 0,35 mm et 0,85 mm. Soit environ 15 à 20 empreintes différentes pour ce seul composant. 

Comment gérer cela ? Vous commencez par les 3 empreintes de base : minimales, nominales et maximales. Ensuite, vient la hauteur du composant correspondant à chaque empreinte, soit le composant le plus haut. Il est alors essentiel de vérifier qu’il n’y a pas interférence avec aucun des objets mécaniques, et le modèle 3D le plus grand serait la condition maximale. 

Étapes pratiques

• Réalisez un audit complet des composants utilisés dans votre environnement et déterminez leur catégorie et leur famille spécifiques.

• Créez le dossier des modèles pour chaque catégorie. 

• Préparez les modèles des composants discrets, pour faciliter la création de pièces. 

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