Najlepsze narzędzia do projektowania płytek PCB i sposób ich działania

Wybór odpowiednich narzędzi do projektowania płytek PCB potrafi przynieść ogromną oszczędność czasu i nerwów niezależnie od tego, jaki projekt zamierzamy realizować. Stare powiedzenie „pracuj mądrzej a nie ciężej” sprawdza się doskonale także w projektowaniu płytek drukowanych. Dobre programy do projektowania płytek PCB zawierają narzędzia pozwalające pracować w sposób inteligentny, bez zbędnej frustracji i walki z interfejsem.

Wybór oprogramowania EDA jest kwestią subiektywnego rozważenia indywidualnych potrzeb. W większości przypadków sprowadza się on do tego, by mieć właściwe narzędzia do planowanej pracy. Aby ułatwić ten wybór, chcielibyśmy przedstawić wyczerpującą listę narzędzi programowych do projektowania płytek PCB. Nie jest to wykaz obecnego na rynku oprogramowania, lecz raczej wyjaśnienie, jakie narzędzia są dostępne w ofercie i jak mogą one pomóc w optymalizacji projektów.

Odpowiednie oprogramowanie EDA może być bardzo pomocne, tymczasem okazuje się, że o wielu wspaniałych narzędziach właściwie się nie mówi, ponieważ są niezbyt dobrze znane albo stanowią tylko dodatki. Narzędzia takie to na przykład: PDN Analyzer^™, integracja z MCAD, interaktywne trasowanie ścieżek, obsługa projektów złożonych z wielu płytek i zarządzanie łańcuchem dostaw. Każda z tych funkcji ma coś innego do zaoferowania, upraszczając proces projektowania płytek PCB i przynosząc oszczędność czasu. Aby ułatwić orientację, sporządziliśmy listę najlepszych narzędzi do projektowania PCB, którymi każdy powinien się zainteresować.

Analiza zasilania prądem stałym

Projektowanie zasilania na pierwszy rzut oka może wydawać się proste. Wystarczy podłączyć układy scalone do warstwy lub szyny zasilającej i obserwować, jak działają. Nic więcej. Jakkolwiek czasem tak faktycznie jest, kiepskie wyniki analizy zasilania DC (spadku IR) mogą sygnalizować nadmierne natężenie prądu w ścieżkach albo spadki napięcia w różnych partiach płytki. Dlatego też lepiej jest działać z wyprzedzeniem i diagnozować płytki już w fazie projektowania. Nie brzmi to przekonująco? Zobaczmy, dlaczego analiza zasilania DC staje się jednym z kluczowych etapów w projektowaniu płytek drukowanych.

Dlaczego analiza jest tak ważna?

Gęstości prądu: Współczesne układy scalone są coraz potężniejsze, co oznacza, że pobierają coraz więcej prądu. Jak wiadomo, wysoka gęstość prądu przekłada się też na wzrost temperatury. Wysokie gęstości prądu w ścieżkach oznaczają, że więcej energii będzie rozpraszanej do płytki pod postacią ciepła. Jeśli ścieżki są zbyt wąskie, w wysokich temperaturach mogą ulec uszkodzeniu. Nierzadko staramy się zwalczać objawy choroby, modyfikując rozkład albo projektując układy chłodzenia pasywnego. Mimo że odprowadzanie ciepła zawsze pozostanie ważną kwestią, zapobieganie wysokiej gęstości prądu pomaga uporać się z problemem u jego źródła. Wiele symulatorów potrafi dać pogląd na to, gdzie prądy będą zbyt duże, ale nierzadko mają one postać osobnego oprogramowania o skomplikowanej obsłudze. O wiele lepiej jest, gdy moduł do analizy zasilania jest wbudowany w program do projektowania, od razu wizualnie wskazując miejsca na płytce o nadmiernym natężeniu. Wtedy problemy można łatwo korygować.

Spadek napięcia: Jak należy się spodziewać, wysoka gęstość prądu nie pozostaje bez wpływu na napięcie. Jeśli bardzo energochłonny układ scalony wywoła nagły skok natężenia prądu, a jego ścieżki nie będą dość szerokie, może wystąpić istotny spadek napięcia. Trzeba uwzględnić nie tylko wiele układów, gdyż nowoczesne układy scalone mogą mieć też wiele szyn zasilających. Poszczególne źródła zasilania mogą oddziaływać między sobą i wywoływać sprzężone spadki napięcia. Drobny spadek o parę miliwoltów w jednym z nich może spowodować poważne problemy w innym układzie o dużym apetycie na energię. Efektem będzie resetowanie układu, zmiana jego stanu, a nawet niemożliwość uruchomienia. Rozwiązania problemu spadku napięcia są proste: poszerzyć ścieżki oraz/lub je skrócić. Cała trudność jednak polega na tym, by zidentyfikować problemy wymagające rozwiązania. Widać więc, że analiza zasilania DC (spadku IR) wizualnie wskazująca spadki napięcia w obwodach pomaga podjąć decyzję, które ścieżki należy poszerzyć lub przeprojektować.

Jakkolwiek dokładna analiza obwodów zasilających pod tym kątem jest konieczna, wielokrotne przechodzenie między osobnym narzędziem do analizy a samym projektem bywa kłopotliwe. Zalecam więc korzystanie ze zintegrowanego analizatora, nazywanego narzędziem do analizy obwodów zasilających (PDN). Dysponując takim modułem wbudowanym, można odpowiednie problemy namierzyć i usunąć szybciej i sprawniej niż z użyciem narzędzia zewnętrznego.

Integracja z MCAD i modelowanie w 3D

Bardzo dużo czasu w fazie projektowania zajmuje modelowanie w 3D i sprawdzanie odstępów. Przy projektowaniu sztywno-elastycznych obwodów drukowanych można zamówić składany model z papieru, aby sprawdzić, czy wszystkie elementy się mieszczą. Jeśli nie, trzeba będzie zamawiać kolejny, a to zajmie dni lub tygodnie, opóźniając cały proces. Nawet przy projektowaniu tradycyjnych płytek trzeba się upewnić, że wszystkie elementy zmieszczą się w obudowie, a ciągła komunikacja z technikiem wykonującym model może być bardzo kłopotliwa. Teraz niektóre z narzędzi umożliwiają wykonywanie modeli płytek i komponentów w 3D, aby badać odstępy w obudowach, a nawet symulować wyginanie płytki sztywno-elastycznej. Te narzędzia mogą pomóc w sprawnym korygowaniu projektu płytki w przypadku zmian konstrukcyjnych w obudowie i zapewniają bezpośrednią kontrolę odstępów między komponentami na widoku projektu.

Co te narzędzia robią?

Sprawdzanie odstępów: Jedyna rzecz, która jest stała, to zmienność. Ta zasada szczególnie dobrze sprawdza się w projektowaniu układów PCB. Bywa, że projekt płytki jest już gotowy i nawet zamówiono już prototyp, kiedy nagle przychodzi informacja, że zmieniono formę obudowy. Stajemy wtedy wobec problemu przeprojektowania układu PCB, w dodatku w ścisłym kontakcie z inżynierem projektującym obudowę, żeby potwierdzić dopasowanie. A po tym wszystkim obudowa znów zmienia kształt. Jeśli jednak program do projektowania PCB pozwala generować model obwodów i importować modele obudowy na potrzeby weryfikacji odstępów, takie sytuacje nie są już poważnym problemem, co najwyżej drobną uciążliwością.

Płytki sztywno-elastyczne: Płytki sztywno-elastyczne po raz pierwszy pojawiły się w branży aeronautycznej, a teraz znajdują zastosowanie po prostu wszędzie. Jeśli projektujemy konstrukcję sztywno-elastyczną, sprawdzanie odstępów nagle zyskuje całkiem nowy wymiar. Trzeba się upewnić, że konstrukcja składa się prawidłowo, a komponenty nie kolidują ze sobą ani z obudową. Jest też ważne, by układy wyginały się w zakresie nominalnej tolerancji, w przeciwnym razie z czasem mogą się połamać. Wyznacznikiem naprawdę użyteczne integracji z MCAD jest program pozwalający generować modele płytek sztywno-elastycznych i symulować ich działanie.

Modele STEP: Weryfikacja odstępów to nie jedyny problem związany z modelowaniem w 3D. Taką samą trudność może czasem sprawiać generowanie i rozmieszczanie modeli STEP. Często stajemy przed koniecznością zaprojektowania footprintu i zbudowania modelu. I niektóre programy pozwalają teraz definiować footprint, a następnie na tej podstawie generować model STEP. W ten sposób dwie czynności zostają spięte w jedną, a zysk w kategoriach efektywności jest oczywisty. Gdy modele komponentów są już gotowe, trzeba je rozmieścić. Nie potrafię już powiedzieć, ile razy w pocie czoła musiałem wprowadzać współrzędne pozycjonujące komponent dokładnie we właściwym miejscu, by zaraz potem stwierdzić, że koliduje on z innym komponentem. Inteligentne i intuicyjne rozmieszczanie komponentów oznacza, że nie musimy już tracić czasu na wpisywanie dokładnych współrzędnych. Przeciąganie i upuszczanie z automatycznym wyrównywaniem pozycji pozwoli zaoszczędzić mnóstwo czasu.

Nowe możliwości tworzenia projektów: Jeśli kiedykolwiek przy projektowaniu płytek PCB brakowało ci umiejętności z zakresu modelowania w 3D, na tym oprogramowaniu się nie zawiedziesz. Wiele wymagań wobec projektu PCB wynika z fizycznego kształtu i rozmiaru płytki. Mając do dyspozycji narzędzia do modelowania, można swobodnie eksperymentować z konturem płytki, umiejscowieniem otworów montażowych, ekranów i wycięć. Zyskuje się pełną kontrolę nad elektrycznymi i mechanicznymi aspektami projektu.

Interaktywne trasowanie

Trasowanie ścieżek to sztuka, którą już od pewnego czasu próbujemy powierzyć automatom. Zgodnie z obawami, efekty nie zawsze były idealne. Jednak kilku producentów oferuje już interaktywne funkcje trasowania automatycznego, dzięki którym możemy zaoszczędzić sobie wielu godzin żmudnej pracy bez uszczerbku dla kreatywności.

Trasowanie jest niezwykle istotne, zwłaszcza gdy chodzi o EMI oraz ścieżki o dużej szybkości. Nawet jeśli z powodu wymaganych parametrów elektrycznych i czasowych trzeba ograniczyć długość ścieżki i unikać jej zbyt zawiłego przebiegu, nie oznacza to, że musimy pogodzić się z brakiem estetyki. Trasowanie może łatwo stać się wyrazem naszej projektanckiej indywidualności. Automat wprawdzie wykona tę pracę, ale nie pozwoli nam zostawić w projekcie czegoś od siebie. Nie można jednak się dziwić, że każdy szuka sposobów na usprawnienie najbardziej mozolnych etapów trasowania, na przykład przy rozmieszczaniu układów BGA. Dobrze zaprojektowane narzędzie do trasowania zoptymalizuje proces, dając wyniki zbliżone do metody manualnej, ale nadal będziemy mieć możliwość ich zmodyfikowania według naszych wymagań. Ważne jest też, by przy trasowaniu przestrzegane były reguły projektowe i wybrane priorytety. Narzędzie nie może ignorować wymaganych odstępów przy trasowaniu ścieżek dla układów o dużej szybkości.

Mechanizmy do interaktywnego trasowania automatycznego pozwolą nam skrócić czas prowadzenia magistrali z godzin do zaledwie minut. Najlepsze narzędzia do projektów PCB z funkcją interaktywnego trasowania automatycznego pozwalają wytyczać przebieg ścieżki, trasować na wielu płaszczyznach, automatycznie dostosowywać długość i fazę, automatycznie zamieniać styki, a wszystko to w trzech wymiarach i z poszanowaniem reguł projektowych. Takie narzędzie daje nam do dyspozycji możliwości oprogramowania EDA najwyższej klasy za ułamek jego ceny.

_{Narzędzia do projektów PCB – moduł do trasowania pomaga zoptymalizować przebieg ścieżek przy zachowaniu indywidualnych cech projektu.}

Projektowanie układów z wieloma płytkami

Można chyba bezpiecznie powiedzieć, że elektronika nigdy nie stanie się prostsza. Nowoczesne produkty wymagają komponentów elektronicznych, które wpasują się do obudowy o konkretnym kształcie, zapewnią łatwe skalowanie, sprawność serwisowania oraz niezawodność. Wszystkie te założenia łatwiej jest spełnić, projektując układy złożone z wielu płytek. Coraz częstsze stosowanie takich układów siłą rzeczy potwierdza tę tezę. PCB z wieloma płytkami mogą sprawiać wiele problemów przy projektowaniu ze względu na szereg specyficznych wymagań elektrycznych i mechanicznych. Trzeba zatroszczyć się o fizyczne odstępy na kilku odrębnych płytkach, przemyśleć połączenia elektryczne w obrębie poszczególnych płytek i pomiędzy nimi oraz uwzględnić większą pracochłonność ewentualnych zmian w projekcie. Na szczęście istnieją też specjalne narzędzia upraszczające te zadania.

Co te narzędzia robią?

Integracja z MCAD na poziomie systemu i modelowanie w 3D: Omawialiśmy już zalety, jakie daje integracja z MCAD w programach do projektowania PCB. Pomyśl, jak wielka jest jej użyteczność i pomnóż spodziewane korzyści przez liczbę płytek w projekcie. Weryfikacja odstępów w 3D na odrębnych płytkach potrafi być prawdziwym koszmarem. Trzeba się upewnić, że wszystkie komponenty dobrze wpasowują się na poszczególnych płytkach, że każda z płytek pasuje do pozostałych, oraz że wszystkie razem mieszczą się w obudowie. Elektronicy zwykle nie mają takiego odruchu, by od razu uwzględniać kwestię mechanicznego dopasowania komponentów. Tymczasem przy projektowaniu płytek PCB może to być kwestia kluczowej wagi. Jeśli płytki nie wpasowują się w siebie wewnątrz obudowy, może to oznaczać konieczność mechanicznego przeprojektowania płytek PCB, obudowy albo ich obu. Tymczasem nawet z pozoru drobna zmiana kształtu fizycznego lub układu elementów może przekładać się na dogłębną modyfikację parametrów elektrycznych. Nowe narzędzia będą mieć funkcje pozwalające generować modele i sprawdzać odstępy w obrębie całego projektowanego zespołu. W ten sposób unikniemy sytuacji, w której nieoczekiwane drobne niedopasowanie zmusi nas do przerabiania już gotowego projektu na samym końcu.

Sprawdzanie reguł elektrycznych: Jeśli chodzi o sprawdzanie zespołów, narzędzia do projektowania układów z wielu płytek pozwalają testować spełnienie elektrycznych reguł projektowych między wszystkimi płytkami. Powiedzmy, że w wyniku nieprzewidzianych okoliczności trzeba zamienić podłączenia wyprowadzeń na płytce podrzędnej. W wyniku sprawdzania reguł zmiana ta zostanie uwzględniona i konsekwentnie zastosowana aż do poziomu płytki głównej. Kiedyś wymagałoby to całodziennej, żmudnej pracy nad śledzeniem poszczególnych ścieżek i modyfikowaniem projektu. Dzisiaj jest to już tylko szybka poprawka. W istocie nowe oprogramowanie EDA wyróżni ten błąd podczas weryfikowania reguł elektrycznych dla całego zespołu płytek.

Zarządzanie łańcuchem dostaw

Jesteśmy projektantami a nie biznesmenami i zarządzanie łańcuchem dostaw często uważamy za niemiłą część całego procesu. Dlatego też wyspecjalizowane narzędzia do tego celu mogą być bardzo pomocne. Mogą przeprowadzić analizę zestawienia materiałowego (BOM) i potwierdzić, czy wymagane komponenty są nadal dostępne na rynku, a nawet w razie potrzeby zaproponować alternatywę. Mogą też pomóc w szukaniu zamienników na potrzeby starszych projektów wymagających odświeżenia. Narzędzie takie pomoże też w kontaktach z wytwórcą płytki, ponieważ nie będzie on chciał długo czekać na znalezienie nowych komponentów lub dostawców.

Wielu projektantów przekonało się, że dobrym pomysłem jest samodzielne zaopatrywanie się w komponenty. Jednak organizowanie bibliotek komponentów i łańcuchów dostaw to duży kłopot, którego większość projektantów pragnie uniknąć. Dlaczego by więc nie zdać się w tej kwestii na wyspecjalizowane oprogramowanie? Dostępnych jest wiele narzędzi, które mogą pomóc w zarządzaniu łańcuchem dostaw. Podstawą ich działania jest prowadzenie aktualnych bibliotek komponentów i aktywna komunikacja z dostawcami, aby wiedzieć, co kto ma na stanie. W ten sposób unikamy sytuacji, w której dopiero na etapie składania zamówienia okazuje się, że poprzednio używane układy są już wycofane z oferty. Oprogramowanie do zarządzania łańcuchem dostaw pomaga stwierdzić z wyprzedzeniem, że danego układu nie da się już zdobyć i nawet potrafi zasugerować zamiennik. Programy takie mogą też katalogować komponenty używane we wcześniejszych projektach. Załóżmy, że mamy udany projekt sprzed 3 lat i teraz chcemy go dostosować do nowego produktu. Żaden projektant nie miałby ochoty samodzielnie sprawdzać, jak komponenty elektroniczne zmieniły się w aktualnych wersjach i które z nich należałoby teraz wybrać. Oprogramowanie może przejąć ten obowiązek na siebie.

_{Oprogramowanie do zarządzania łańcuchem dostaw pomoże skupić się na pracy koncepcyjnej w procesie projektowania płytek PCB.}  

Spójność środowiska projektowego

Tu już nie chodzi o konkretne narzędzie, a raczej o cechę, którą powinno się charakteryzować każde narzędzie. Spójność środowiska projektowego oznacza, że narzędzia są dobrze zintegrowane z programem głównym. Jeśli narzędzia mają naprawdę przyspieszyć proces projektowania, muszą być zawsze pod ręką, kiedy tylko są potrzebne.

Jest jeden program do projektowania PCB, który od samego początku zawiera wszystkie wymienione narzędzia, a do tego wiele innych. Altium Designer^® ma wszystko, czego trzeba: narzędzia analityczne, integrację z MCAD, trasowanie, obsługę projektów złożonych z wielu płytek, zarządzanie łańcuchem dostaw i nie tylko. Wszystkie te narzędzia są łatwo dostępne z poziomu głównego interfejsu. Altium daje nam do ręki zaawansowane technologie i możliwości za śmiesznie małą cenę. Wykorzystaj te narzędzia już dzisiaj i popraw efektywność i jakość swoich projektów.

Masz inne pytania na temat programów do projektowania PCB? Porozmawiaj z konsultantem z Altium.

Sprawdź Altium w akcji...

Skuteczne projektowanie PCB