Trzeci filar zasady S.M.A.R.T. – Architektura

Organizowanie to coś, co trzeba zrobić, zanim zacznie się coś robić, 

żeby w trakcie robienia tego czegoś nic nie pomieszać.  

^{A. A. Milne}

Architektura to specjalna struktura zarządzająca naszymi zebranymi danymi. Determinuje ona sposób przechowywania, porządkowania i wykorzystywania danych w systemie. 

W pewnym stopniu architektura biblioteki komponentów PCB jest jak architektura budynku. Trzeba ją przygotować, zanim będzie można zbudować bibliotekę, żeby nie skończyć z wirtualnym Hotelem Del Coronado...

W kalifornijskim Coronado zaraz przy plaży po drugiej stronie zatoki naprzeciwko San Diego stoi Hotel Del Coronado. Ta masywna, całkowicie drewniana budowla jest drugim pod względem wielkości drewnianym budynkiem w kraju. Obiekt szczyci się między innymi tym, że jako pierwszy hotel w Stanach Zjednoczonych miał elektryczne oświetlenie oraz jako pierwszy miał elektrycznie oświetloną żywą choinkę bożonarodzeniową na zewnątrz budynku. Hotel pojawił się w nakręconym w 1959 roku klasycznym filmie Pół żartem, pół serio, w którym wystąpili Marilyn Monroe, Jack Lemmon i Tony Curtis. 

^{(znajdź na shutterstock zdjęcie „Hotelu Del Coronado”}

Budowa hotelu rozpoczęła się w marcu 1887, a pierwszych gości powitano w lutym 1888. Co robi wrażenie i zaskakuje w kwestii tego pięknego hotelu, to fakt, że nie został on zbudowany w oparciu o żadne oficjalne plany architektoniczne. Wszystko zostało „poskładane” razem. Plany powstawały w miarę budowania. Widać to gołym okiem — wystarczy spojrzeć na fasadę budynku, aby zobaczyć rozbitą strukturę. Mimo to ten przepiękny hotel stał się perłą Coronado. 

Mówię o tym, ponieważ choć można wybudować coś bez planu, lepiej tego nie robić. Jest to arcydzieło architektoniczne — wyczyn współcześnie prawdopodobnie nieosiągalny. 

Zadziwia mnie struktura budynku, gdy widzę, jak rośnie w górę. Budowlańcy niwelują teren, przygotowują fundamenty, stawiają ściany i kładą sufit. Zanim się obejrzysz, budynek jest gotowy. Wszystko to dzieje się dzięki prawidłowemu planowaniu — zwłaszcza planowaniu architektonicznemu. 

Przyjrzyjmy się teraz, jak zbudujemy naszą bibliotekę.

Ten jeden filar jest ważniejszy niż wszystkie inne. Architektura, a ostatecznie zbudowana według niej struktura, określa i wpływa na wszystkie pozostałe filary. Ze względu na swoje znaczenie architektura jest również tym filarem, który może najbardziej zaszkodzić naszym bibliotekom, jeśli nie zostanie prawidłowo przygotowana. 

Oczywiście szczegóły biblioteki różnią się w zależności od potrzeb poszczególnych firm i właśnie te potrzeby nadadzą architekturze ostateczny kształt.  

Kładzenie fundamentów

Wystarczy otworzyć katalog dowolnego sprzedawcy komponentów elektronicznych, aby szybko pogubić się pośród milionów dostępnych części. Ostatnia liczba komponentów dostępnych w popularnej witrynie sprzedawcy komponentów elektronicznych wynosiła 8 621 770.

Informacje o komponentach są bardzo dynamiczne, co wprowadza jeszcze większe zamieszanie. Witryna podlega nieustannym zmianom. Pojawiają się w niej nowe komponenty elektroniczne, a inne zostają usunięte. Pola danych i parametrów zmieniają się. Potem oczywiście nie można odszukać informacji o dostępności i sourcingu. Łatwiej byłoby znaleźć igłę w stogu siana. 

Pierwsze kroki

Zbyt często biblioteki PCB dostosowuje się do bieżących potrzeb firmy, zamiast do potrzeb w perspektywie pięciu do dziesięciu lat. Nie znam żadnej firmy, która chciałaby po prostu stać w miejscu przez kilka lat. Dlatego najpierw trzeba się przygotować i przemyśleć sposób rozwoju firmy.

Ostatnio rozmawiałem z przedstawicielami firmy o ich bibliotece (liczba pojedyncza, bo już postawili pierwszy filar). Powiedzieli mi, że mają trudności z liczbą mniej więcej 1500 komponentów. Gdy zapytałem, jak sobie poradzą z liczbą 10 000 komponentów, ich oczy się zaszkliły i zapadła martwa cisza. Jednak zrozumieli — musimy przygotować bibliotekę na 10 000 komponentów, nawet jeśli jeszcze nie jesteśmy na tym etapie. Zatem strukturę biblioteki przygotowuje się w sposób, który umożliwia jej naturalne rozbudowanie w miarę — miejmy nadzieję — rozwoju firmy. Musimy przygotować plan. 

Kategorie/rodziny komponentów

Typowy sposób zorganizowania komponentów polega na podzieleniu ich na kategorie i rodziny, a następnie nadanie kategoriom numerów będących wielokrotnością 100. Na niższym poziomie znajdują się rodziny, które mają numery będące wielokrotnością 1. 

Tego rodzaju struktura pozwala na łatwe wyszukanie i zorganizowanie każdego komponentu. Jednocześnie umożliwia ona rozbudowę w miarę rozwijania się bazy danych, ponieważ każda kategoria komponentów może pomieścić 100 różnych rodzin, z których każda może zawierać nieograniczoną liczbę komponentów. 

Na szczęście trudna część została już ukończona. Większość sprzedawców komponentów organizuje produkty w swojej ofercie w taki sam sposób. Najlepszy według mnie sposób organizacji oferuje Octopart^®, który dysponuje bardzo szczegółową strukturą komponentów uporządkowanych nie tylko według kategorii, ale również podkategorii i rodzin. Na podstawie złożoności, jaka jest niezbędna w bibliotece, możemy z łatwością dodać kolejne poziomy (co zobaczymy, gdy zajmiemy się komponentami dyskretnymi). Nigdy się nie zdarzyło, żeby biblioteka ucierpiała wskutek zbyt wysokiego poziomu organizacji. Im jest on wyższy, tym lepiej. 

Warunki wstępne dotyczące biblioteki

Przed rozpoczęciem trzeba zaplanować szczegółową strukturę biblioteki, ponieważ zmiana koncepcji w połowie drogi stanowi ogromne wyzwanie dla zarządzania biblioteką PCB, czego sam doświadczyłem. Jedynym sposobem poradzenia sobie z tym problemem było skasowanie całej biblioteki i rozpoczęcie od nowa. Trochę planowania i zorganizowania przynosi korzyści na dłuższą metę. W przeciwieństwie do przypadku Hotelu Del Coronado, nie jest dobrym pomysłem konstruowanie biblioteki na bieżąco w nadziei, że na koniec wszystko „złoży się w całość”.

To komponenty obecne w aktualnych projektach powinny określać potrzeby. Nie wszystkie kategorie i rodziny komponentów są niezbędne, więc nie ma sensu konfigurowanie każdej z nich. 

Rozpocznijmy od naszej początkowej struktury i zacznijmy budować. Gdy nowe części pojawiają się online (jak to mówimy), można szybko dodawać kategorie i rodziny komponentów w miarę rozrastania się biblioteki. Wskutek tego trzeba realizować wiele zadań na samym początku. Jednak później liczba tych zadań dość szybko maleje. 

Komponent: budulec biblioteki

Zdejmijmy jeszcze jedną warstwę przysłowiowej cebuli. Komponent elektroniczny to budulec każdej biblioteki. Jak powiedziano wcześniej, głównym stosowanym obecnie typem biblioteki jest Biblioteka komponentów, która dzieli różne modele składające się na komponent na odrębne jednostki. W warunkach ścisłej kontroli zarządzane bloki informacji umożliwiają niektóre rzeczywiste konfiguracje biblioteki. Jeśli wiemy, z czego składają się poszczególne komponenty, to możemy umieścić te składniki w strukturze biblioteki. 

Z czego składa się komponent?  

Różne elementy składowe komponentów dzielą się na 2 główne grupy: informacje oraz modele.

Informacje

Informacje dotyczące komponentu mają często charakter statyczny. Zatem najlepiej wbudować je w sam komponent. Poza tym w ten sposób kluczowe informacje pozostają związane z danym komponentem. Informacje parametryczne o komponencie zawierają konkretne szczegóły dotyczące danej części. Jak widać na ilustracji poniżej, wiele milionów komponentów wspomnianych wcześniej różni się bardzo drobnymi szczegółami, ale te różnice mogą albo umożliwić, albo zniweczyć projekt PCB. 

Drugorzędnym typem informacji jest informacja o sourcingu. Informacje o sourcingu to nowy poziom danych dynamicznych. Przy zmianach źródeł pozyskiwania komponentów, które następują nie raz na dzień lub raz na tydzień, ale niezwłocznie, ta kwestia budzi coraz większe obawy projektantów PCB. 

Modele

Drugą kategorią każdego komponentu są jego modele. Modele, jakie są minimalnie wymagane dla każdego komponentu, to symbol dla schematu elektrycznego, footprint/decal oraz Model 3D. Korzystne będzie, jeśli uda nam się znaleźć dobry model symulacyjny. Jednakże to nie może być sztywna zasada, gdyż w przypadku niektórych komponentów, zwłaszcza pochodzących od producentów układów scalonych, szczegóły działania pewnych chipów stanowią własność intelektualną.

Modele komponentu są bardziej statyczne i zmiany następują tu znacznie wolniej. Mając to na uwadze, koniecznie musimy zachować jak najbardziej ogólny charakter tych komponentów. Zasadą jest to, aby model można było z łatwością wykorzystać w wielu miejscach. Nie chcemy „przywiązywać” modelu do konkretnej części z informacjami parametrycznymi albo sourcingowymi. Obszary informacji i modelu komponentów nie powinny się krzyżować, gdy jest to możliwe oraz gdy chodzi o konwencje nazewniczą. 

Symbol dla schematu elektrycznego

Symbol dla schematu elektrycznego to piktogram reprezentujący różne urządzenia oraz funkcje elektryczne i elektroniczne. 

Jedynym wyjątkiem od tej zasady jest nazewnictwo określonych symboli, które są dołączone. Bardzo często symbol dla schematu elektrycznego jest unikatowy dla konkretnej obudowy footprintu. Najlepiej stosować numer części producenta jako nazwę symbolu. 

Footprint/decal 

Footprint PCB to układ padów (w technologii montażu powierzchniowego) lub otworów przelotowych (w technologii montażu przewlekanego) stosowany do fizycznego zamocowania i elektrycznego podłączenia komponentu do płytki obwodu drukowanego. Układ połączeń na płytce odpowiada układowi wyprowadzeń komponentu. Ugruntowaną zasadą jest to, że symbol dla schematu i footprint muszą do siebie pasować. 

Konwencja nazewnicza footprintu 

Żeby można było przeszukiwać bibliotekę i znaleźć zawarte w niej komponenty, trzeba się posługiwać znormalizowaną konwencją nazewniczą. Jest to szczególnie ważne zwłaszcza wtedy, gdy w tworzeniu wymaganych footprintów uczestniczy więcej niż jedna osoba. Na szczęście z pomocą przychodzą normy IPC. Trzeba zapoznać się z dwiema normami:

• IPC-7251C Generic Requirements for Through-Hole Design and Land Pattern Standard (Ogólne wymogi dotyczące konstrukcji i układu połączeń przy montażu przewlekanym) 

• IPC-7351C Generic Requirements for Through-Hole Design and Land Pattern Standard (Ogólne wymogi dotyczące konstrukcji i układu połączeń przy montażu powierzchniowym)

• Konwencja nazewnicza footprintów/decali PCB przy zastosowaniu normy IPC-7351C

Podsumowując, footprinty identyfikuje się na podstawie typu i rozmiaru obudowy. 

Modele 3D 

Reprezentacja 3D komponentu na płytce drukowanej zyskała na wadze ze względu na to, że rozmiary zmontowanych zespołów są mniejsze. Większość projektów PCB będzie najprawdopodobniej zdeterminowana przez ograniczenia mechaniczne. Na szczęście pojawiło się wiele źródeł modeli 3D, w tym 3D Content Central oraz Grab CAD. Jednak najważniejszym źródłem modeli 3D są sami producenci Coraz większa grupa producentów wsłuchuje się w głosy projektantów PCB i uwzględnia modele wraz z informacjami parametrycznymi.

Konieczność dysponowania precyzyjną reprezentacją 3D nie umknęła uwadze producentów oprogramowania PCB ECAD. Standardowy protokół Altium zakłada obecnie, że gdy zostanie utworzony nowy komponent, a istnieje jego model 3D, zostaje on automatycznie wprowadzony.

Symulacja 

Symulacje stały się nieco problematyczne, ponieważ tak naprawdę można je znaleźć tylko metodą prób i błędów. Nie ma problemu, jeśli chodzi o konwencjonalne komponenty dyskretne. Jednak w przypadku zaawansowanych układów scalonych, jak wspomniano wcześniej, jedynym źródłem jest zazwyczaj producent. To zmusza inżynierów do opracowywania pewnych wyjątkowych metod symulowania obwodów, w których układ scalony nie jest reprezentowany.

Miejsce dla modeli

Powstało wiele strategii zarządzania modelami. Jedno ze stanowisk jest takie, żeby wszystkie modele dla całej biblioteki przechowywać w jednym folderze. Problem, jaki tu dostrzegam, to trudności w zarządzaniu biblioteką PCB przy stosowaniu tej metody. Samo znalezienie potrzebnego modelu staje się poważnym przedsięwzięciem. 

Moim zdaniem lepszym planem jest dysponowanie folderem modeli dla poszczególnych kategorii komponentów. Dzięki temu modele dla danej kategorii są przynajmniej porozkładane na pozycje i schludnie zorganizowane.  

Problem pojawia się, gdy model może przynależeć do wielu kategorii. Na przykład obudowa SOT może przynależeć do wielu kategorii komponentów w bibliotece. Jak więc sobie z tym poradzić? Postępujemy zgodnie z zasadą wspomnianą powyżej, ale z jednym zastrzeżeniem, że po zmianie jakiegokolwiek footprintu trzeba przeprowadzić wyszukiwanie, aby określić, czy jakiś inny pasujący footprint również wymaga zmiany. 

Słowo o komponentach dyskretnych

Żeby użyć metafory, gdyby biblioteka była ludzkim ciałem, to komponenty dyskretne stanowiłyby potężny, zwisający brzuch. Pewne jest, że w miarę rozrastania się biblioteki to kategorie komponentów dyskretnych będą zawierały najwięcej elementów. Dlatego należy zwrócić szczególną uwagę na ten obszar biblioteki, zapewniając dalszą strukturę architektoniczną. Jednym sposobem jest dodanie kolejnych poziomów, które obejmowałyby rozmiar komponentu. Dzięki temu komponenty byłyby uporządkowane według rozmiaru. 

Ponadto w związku z tym, że tworzenie komponentów dyskretnych jest bardzo czasochłonne — jeśli są uporządkowane według rozmiaru, — warto byłoby utworzyć szablon komponentu dyskretnego. Szablon jest to komponent ogólny składający się z symbolu dla schematu elektrycznego oraz zastosowanych footprintów. Te komponenty zapisuje się z niepowtarzalnymi nazwami, tak aby łatwo można było je znaleźć podczas wyszukiwania. Przykładowo standardowy rozmiar elementu dyskretnego dla rezystora to 0402. Szablon obejmowałby symbol rezystora, a w tym przykładzie również 3 footprinty dla warunków minimalnych, nominalnych i maksymalnych. Szablon zostałby zapisany pod nazwą <RES0402> przy zastosowaniu tej składni. W przypadku kolejnych rezystorów 0402 trzeba by wyszukać szablon <RES0402>, sporządzić kopię, dołączyć informacje parametryczne, przyłączyć informacje o sourcingu i gotowe. Takie rozwiązanie daje kilka korzyści: skraca czas niezbędny na utworzenie komponentów oraz standaryzuje zastosowane procesy i modele. 

Praca z komponentami dyskretnymi

Ze względu na ogromną liczbę producentów komponentów dyskretnych nie wszystkie komponenty mają te same rozmiary. Występują między nimi niewielkie różnice. To tylko zwiększa znaczenie stosowania przez projektantów PCB norm, takich jak IPC. Dla potwierdzenia tej tezy: proste wyszukiwanie w Digikey rezystora SMD 0402 daje w wyniku łącznie 12 różnych rozmiarów footprintów o 10 różnych wysokościach od 0,35 mm do 0,85 mm. To dawałoby w rezultacie 15–20 różnych footprintów tylko dla jednego komponentu 

Jak więc sobie poradzić z takim problemem? Po pierwsze trzeba zacząć od 3 podstawowych footprintów, czyli maksymalnego, nominalnego i minimalnego. Po drugie wysokość poszczególnych komponentów oznaczałaby wysokość najwyższego z nich. Krytyczne podejście wymagałoby sprawdzenia, czy dochodzi do jakichkolwiek kolizji z dowolnymi obiektami mechanicznymi, a najwyższy model 3D wyznaczałby warunki maksymalne. 

Kroki praktyczne

• Przeprowadź pełny audyt komponentów stosowanych w danym środowisku i dla każdego z nich określ konkretną kategorię i rodzinę.

• Skonfiguruj foldery modeli dla poszczególnych kategorii. 

• Utwórz szablony komponentów dyskretnych, aby ułatwić tworzenie części. 

Czy chcesz dowiedzieć się więcej na temat tego, jak Altium może Ci pomóc przy kolejnym projekcie PCB? Porozmawiaj z ekspertem Altium i dowiedz się więcej o identyfikowaniu komponentów PCB w czasie rzeczywistym w Altium Concord Pro^™.