Quy trình Thiết kế PCB: Phương pháp Thiết kế EDA

Đội ngũ phát triển phần cứng thành công khi họ có thể chuyển từ yêu cầu sang một bảng mạch hoạt động, có thể sản xuất được với càng ít lần chỉnh sửa lại càng tốt. Tự động hóa thiết kế điện tử (EDA) đáp ứng mục tiêu đó bằng cách cung cấp một quy trình làm việc tích hợp, dựa trên ràng buộc, giữ cho yêu cầu về điện, cơ khí và sản xuất được đồng bộ từ sơ đồ khối đầu tiên đến bản phát hành cuối cùng.

EDA thay thế việc vẽ thủ công và các bộ mô phỏng tách biệt bằng một môi trường thống nhất cho việc nắm bắt yêu cầu, nhập mạch, mô phỏng, bố trí và định tuyến PCB, xác minh và tài liệu sản xuất. Khi phần mềm EDA được chọn lựa cẩn thận và cấu hình đúng cách, nó rút ngắn chu kỳ thiết kế và cải thiện tỷ lệ thành công ngay từ lần đầu.

Điểm Chính

• EDA thống nhất quy trình làm việc PCB. Một mô hình dữ liệu dựa trên ràng buộc đơn lẻ kết nối yêu cầu, sơ đồ mạch, mô phỏng, bố trí, xác minh và phát hành giúp giảm thiểu việc chỉnh sửa lại và cải thiện tỷ lệ thành công ngay từ lần đầu.
• Chuẩn hóa nên có thể đo lường được. Xây dựng thư viện chung và bộ ràng buộc, tích hợp với MCAD và PLM, sau đó theo dõi số lần chỉnh sửa theo dự án, tỷ lệ thành công từ lần đầu và thời gian từ khi đóng băng sơ đồ mạch đến khi phát hành.
• Tích hợp hiện là một kỳ vọng cơ bản. Một môi trường EDA hiện đại nên kết nối một cách sạch sẽ với MCAD, PDM, PLM và các công cụ phân tích để các đội ngũ điện, cơ khí và sản xuất có thể làm việc với dữ liệu mới nhất để giảm bất ngờ ở giai đoạn muộn.
• Bối cảnh thống nhất là một điểm khác biệt. Nền tảng Altium kết nối Altium Discover cho việc khám phá giải pháp, Altium Develop cho thiết kế PCB, và Altium Agile cho quy trình doanh nghiệp vào một môi trường phối hợp cho các đội ngũ phần cứng phân tán.

Thiết kế EDA trong Kỹ thuật PCB là gì?

Phần mềm EDA được sử dụng để thiết kế, mô phỏng, xác minh, và chuẩn bị hệ thống điện tử cho sản xuất. Trong kỹ thuật PCB, thiết kế EDA thường bao gồm:

1. Yêu cầu và kiến trúc hệ thống
2. Chụp sơ đồ và kết nối logic
3. Mô phỏng và phân tích
4. Bố trí và định tuyến PCB
5. Xác minh và phê duyệt
6. Tài liệu và phát hành

Hầu hết phần mềm EDA đều được chuyên môn hóa cao cho một lĩnh vực thiết kế cụ thể; chỉ một vài ứng dụng có thể giải quyết tất cả các khía cạnh của phát triển sản phẩm. Các quy trình truyền thống đẩy mỗi giai đoạn vào một công cụ riêng biệt, với việc chuyển giao thủ công giữa chúng. Tự động hóa thiết kế EDA hiện đại kết nối chúng lại với một mô hình dữ liệu duy nhất, vì vậy kết nối, ràng buộc, thư viện, và đầu ra sản xuất đều đến từ một dự án.

Các công cụ EDA phổ biến cho Thiết kế Điện tử là gì?

Các công ty tự động hóa thiết kế điện tử cung cấp các công cụ được phân loại vào ba nhóm rộng lớn.

1. Công cụ cấp đầu vào và hạn chế về chi phí
   • CircuitMaker cung cấp cho người dùng một nền tảng miễn phí để thiết kế với bộ công cụ rất giống với Altium Designer và bao gồm một không gian làm việc cá nhân miễn phí trong Altium 365.
   • KiCad cung cấp một bộ công cụ mã nguồn mở đủ khả năng cho sơ đồ mạch, PCB, và cơ bản 3D. Nó được sử dụng trong giáo dục, công việc sở thích, và các startup giai đoạn đầu.
   • EasyEDA và các công cụ dựa trên trình duyệt tương tự cung cấp thiết kế sơ đồ mạch và PCB được lưu trữ trên đám mây, thường gắn liền với việc sản xuất giá rẻ.
2. Môi trường chuyên nghiệp
   • Altium Develop là giải pháp hàng đầu trên nền tảng Altium dành cho các đội thiết kế PCB chuyên nghiệp. Nó hỗ trợ thiết kế rất lớn, ràng buộc nâng cao, và tích hợp sâu với chuỗi cung ứng cần thiết trong ngành ô tô, hàng không vũ trụ, và sản phẩm y tế.
   • Cadence OrCAD, Siemens PADS, và Zuken CR-8000 cũng nhắm đến thiết kế chuyên nghiệp với chức năng capture và layout, cùng các mô-đun phân tích tùy chọn.
3. Các nền tảng doanh nghiệp
   • Altium Agile bao gồm bộ tính năng cốt lõi trong Altium Develop và mở rộng nó vào lĩnh vực quản lý dữ liệu doanh nghiệp. Các tính năng quản lý nâng cao có sẵn trên đám mây hoặc dưới dạng triển khai tại chỗ.
   • Cadence Allegro và Siemens Xpedition là những nền tảng nặng hơn hỗ trợ các thiết kế lớn.

Người mới bắt đầu và người dùng sở thích thường bắt đầu với KiCad, EasyEDA, hoặc CircuitMaker vì đây là các phần mềm miễn phí cấp đầu vào. Các đội ngũ sản xuất thường chuẩn hóa trên Altium, OrCAD, PADS, hoặc các nền tảng doanh nghiệp cao cấp hơn khi độ phức tạp của bảng mạch và yêu cầu tuân thủ tăng lên.

Tích hợp Tự động hóa Thiết kế EDA với Các Công cụ Khác Có Thể Không?

Các dự án phần cứng thành công đòi hỏi sự phối hợp giữa điện, cơ khí, và thu mua/sản xuất tại mọi giai đoạn. Thiết kế EDA hiệu quả giả định sự tích hợp chặt chẽ với quản lý dữ liệu sản phẩm (PDM), quản lý vòng đời sản phẩm (PLM), CAD cơ khí (MCAD), và các công cụ phân tích.

Tích hợp ECAD và MCAD

Các định dạng ba chiều và sự hợp tác ECAD–MCAD giúp việc chia sẻ các đường viền bảng mạch, khu vực cấm, thân thành phần, khu vực cứng-linh hoạt, và lắp ráp đa bảng mạch trở nên dễ dàng hơn. Trong Altium Develop, sự hợp tác ECAD–MCAD được tích hợp sẵn vào môi trường cốt lõi với MCAD CoDesigner, do đó các đội ngũ PCB và cơ khí có thể trao đổi thay đổi mà không cần phải chuyển đổi tệp tin thủ công, và cả hai bên đều thấy được lịch sử sửa đổi giống nhau.

Tích hợp PLM và PDM

Các hệ thống PLM và PDM đóng vai trò là hồ sơ chính thức cho các bộ phận, bảng liệt kê vật liệu (BOM), và các phiên bản sửa đổi. Khi phần mềm thiết kế EDA tích hợp với PLM, nó có thể đẩy dữ liệu BOM có cấu trúc vào hệ thống hồ sơ, liên kết các bản phát hành với các phiên bản thiết kế cụ thể, và điều chỉnh các yêu cầu thay đổi kỹ thuật với dự án đang tiến hành. Trên nền tảng Altium, Altium Agile cung cấp tự động hóa quy trình làm việc, quản lý, và kết nối sâu hơn với các hệ thống doanh nghiệp như PLM và Jira.

Mô phỏng, sản xuất, và kiểm tra

Các môi trường EDA hàng đầu cũng tích hợp với các bộ giải quyết tính toán tín hiệu và nguồn, hệ thống kiểm tra dựa trên netlist, và các công cụ thiết kế cho khả năng sản xuất (DFM) bên ngoài. 

Những Tính Năng Chính của Công Cụ Tự Động Hóa Thiết Kế EDA Là Gì?

Hầu hết phần mềm thiết kế EDA cho kỹ thuật PCB đều chia sẻ một nền tảng chung. Các tính năng chính cần tìm kiếm bao gồm:

1. Cơ sở dữ liệu thiết kế thống nhất
   Sơ đồ, bố cục PCB, mô hình 3D và đầu ra sản xuất chia sẻ một biểu diễn dự án cơ bản. Điều này là trung tâm của Altium Develop trên nền tảng Altium, nơi tất cả các góc nhìn và đầu ra đều đến từ cùng một dữ liệu.
2. Quản lý ràng buộc và động cơ quy tắc
   Các quy tắc bao gồm các lớp mạng, khoảng cách vật lý, mục tiêu trở kháng và chiều dài, sử dụng via, cặp vi sai và giới hạn khả thi sản xuất. Hệ thống ràng buộc áp dụng những điều này trong sơ đồ và bố cục, và kiểm tra quy tắc tự động xác minh sự tuân thủ.
3. Mô phỏng và phân tích tích hợp
   Mô phỏng ở cấp độ sơ đồ và phân tích tính toàn vẹn tín hiệu (SI) và tính toàn vẹn nguồn (PI) nhận thức bố cục giúp xác định các vấn đề về chức năng và phân phối nguồn trước khi sản xuất.
4. Định tuyến tương tác và hỗ trợ
   Động cơ định tuyến thực thi các ràng buộc trong khi hỗ trợ quy trình làm việc hiệu quả. Các khả năng thường bao gồm định tuyến cặp vi sai được hướng dẫn, điều chỉnh chiều dài và chiến lược via tiên tiến, đôi khi với sự hỗ trợ tự động.
5. Trực quan hóa ba chiều và tính năng ECAD-MCAD
   Các góc nhìn ba chiều của bảng mạch giúp xác nhận chiều cao, khoảng cách thoáng, và hành vi cứng-linh hoạt. Trong Altium Develop, các góc nhìn 3D được tích hợp chặt chẽ với trình biên tập PCB, cho phép các nhà thiết kế chuyển đổi giữa việc chỉnh sửa chi tiết 2D và lắp ráp 3D đầy đủ.
6. DFx và tài liệu sản xuất
   Công cụ DFx phân tích khả năng sản xuất và khả năng kiểm tra trong khi công cụ EDA tạo ra các đầu ra sản xuất và lắp ráp, bao gồm tệp Gerber hoặc ODB++, dữ liệu khoan, bản vẽ xếp chồng và lắp ráp, và tệp đặt vị trí. Các tài liệu như vậy được tích hợp sẵn trong Altium Develop, thay vì yêu cầu một tiện ích mở rộng bên ngoài.
7. Thư viện, quản lý dữ liệu và hợp tác
   Thư viện trung tâm, không gian làm việc đám mây, kiểm soát phiên bản, đánh giá, và API giúp các đội quản lý linh kiện và dự án ở quy mô lớn. Nền tảng Altium, được cung cấp thông qua Altium Develop và Altium Agile, là một ví dụ nổi bật về cách tiếp cận này.

Làm thế nào Tự động hóa EDA Cải thiện Quy trình Thiết kế Điện tử?

Tự động hóa thiết kế EDA thay đổi chu trình PCB bằng cách di chuyển các kiểm tra quan trọng sớm hơn, giữ cho mục tiêu phù hợp với việc thực hiện, và giảm sự lệch lạc dữ liệu.

Di chuyển các kiểm tra quan trọng sớm hơn

Kiểm tra quy tắc điện, mô phỏng sớm, và thiết lập ràng buộc đẩy chất lượng công việc lên phía trước của dự án. Các nhà thiết kế xác nhận kiến trúc và lựa chọn linh kiện trước khi cam kết với bố cục, giảm bớt các lần lặp lại ở phía sau.

Giữ cho mục đích và triển khai được đồng nhất

Hệ thống ràng buộc đảm bảo rằng các quy tắc được thỏa thuận trong quá trình yêu cầu và kiến trúc sẽ điều khiển việc đặt vị trí và định tuyến. Trong Altium Develop, cùng một bộ quy tắc áp dụng cho sơ đồ, PCB, và đầu ra sản xuất, vì vậy ý định điện và triển khai vật lý vẫn giữ được sự nhất quán.

Giảm bớt việc chuyển đổi thủ công và sự lệch lạc dữ liệu

Sự tích hợp chặt chẽ với MCAD, PLM, và sản xuất giảm bớt việc xuất dữ liệu thủ công và nhập lại. BOM và tài liệu được lấy từ cơ sở dữ liệu thiết kế có thẩm quyền, và các công cụ chia sẻ dựa trên đám mây giữ cho mọi người ở cùng một phiên bản.

Cách Chọn và Tiêu Chuẩn Hóa Môi Trường EDA

Để đạt được những lợi ích này một cách nhất quán, bạn cần một môi trường thiết kế EDA hỗ trợ một dòng chảy thống nhất. Khi bạn đánh giá các lựa chọn, hãy xem xét:

1. Độ phức tạp của bảng mạch, mục tiêu hiệu suất, và yêu cầu quy định
2. Quy mô nhóm, phân bố địa lý, và nhu cầu hợp tác
3. Yêu cầu tích hợp với MCAD, PLM, và các công cụ phân tích bên ngoài
4. Liệu bạn có ưa thích một ứng dụng thống nhất duy nhất hay một bộ các mô-đun riêng lẻ

Nền tảng Altium, được cung cấp thông qua Altium Discover, Altium Develop, và Altium Agile, kết hợp một giao diện thiết kế đơn nhất, khả năng 3D và ECAD-MCAD mạnh mẽ, sản xuất tích hợp đầu ra, và một nền tảng đám mây cho sự hợp tác và quản lý vòng đời. Các công cụ EDA phổ biến khác cho thiết kế điện tử có thể đáp ứng nhu cầu tương tự, đặc biệt là trong các doanh nghiệp lớn với ngân sách lớn, nhưng thường phụ thuộc nhiều hơn vào các cơ sở dữ liệu và chuỗi công cụ riêng biệt.

Đối với hầu hết các tổ chức PCB, một con đường thực tế là chọn một nền tảng thiết kế EDA bao gồm các yêu cầu, sơ đồ, mô phỏng, bố trí, xác minh, và phát hành trong một môi trường; xây dựng thư viện và ràng buộc chung; tích hợp với hệ thống cơ khí và dữ liệu; và theo dõi các chỉ số như số lần chỉnh sửa trên mỗi dự án, tỷ lệ thành công từ lần đầu, và thời gian từ khi đóng băng sơ đồ đến khi phát hành. Nếu những con số này cải thiện từ quý này sang quý khác, chiến lược tự động hóa EDA của bạn đang hoạt động.

Câu hỏi thường gặp

1. Thiết kế EDA trong kỹ thuật PCB là gì?

Thiết kế EDA trong kỹ thuật PCB là việc sử dụng phần mềm tự động hóa thiết kế điện tử để quản lý toàn bộ vòng đời của một bảng mạch, bao gồm việc nắm bắt yêu cầu, nắm bắt sơ đồ mạch, mô phỏng, bố trí và định tuyến PCB, xác minh, và phát hành sản xuất. Mục tiêu là giữ tất cả các giai đoạn này trong một môi trường được điều khiển bởi ràng buộc thay vì sử dụng các công cụ riêng biệt.

2. Phần mềm thiết kế EDA phù hợp như thế nào trong quy trình thiết kế PCB tổng thể?

Phần mềm thiết kế EDA là xương sống của quy trình làm việc PCB. Nó chuyển đổi yêu cầu sản phẩm và điện vào sơ đồ mạch, xác nhận hành vi với mô phỏng, thực hiện bảng mạch vật lý, kiểm tra nó đối với các quy tắc điện và sản xuất, và tạo ra đầu ra chế tạo và lắp ráp từ một dự án và bộ thư viện chia sẻ.

3. Altium khác biệt như thế nào so với các công cụ EDA phổ biến khác cho thiết kế điện tử?

Altium cung cấp các khả năng của mình thông qua nền tảng Altium với ba giải pháp kết nối: Altium Discover cho khám phá giải pháp và thành phần, Altium Develop là môi trường thiết kế PCB và hệ thống chính, và Altium Agile cho quy trình làm việc và tích hợp doanh nghiệp. Cùng nhau, chúng cung cấp một ngữ cảnh cho sơ đồ mạch, bố trí PCB, 3D, ràng buộc, thông minh chuỗi cung ứng, và tài liệu, giảm bớt nhu cầu phải kết hợp nhiều công cụ.4. Khi nào một nhóm nên chuyển từ công cụ cơ bản sang môi trường EDA chuyên nghiệp?

Nhóm thường cần một môi trường EDA chuyên nghiệp khi các bảng mạch trở nên nhanh hơn, dày đặc hơn, hoặc được quản lý chặt chẽ hơn, và việc phải làm lại bảng mạch bắt đầu chồng chất. Tại thời điểm đó, phần mềm thiết kế EDA chuyên nghiệp như Altium Develop, cung cấp các ràng buộc mạnh mẽ hơn, tích hợp 3D tốt hơn, tài liệu đầy đủ hơn, và sự hợp tác chặt chẽ hơn.

5. Lợi ích của phần mềm thiết kế EDA tích hợp với hệ thống MCAD và PLM là gì?

Phần mềm thiết kế EDA tích hợp với MCAD để các đội ngũ cơ khí và điện tử có thể chia sẻ cùng một hình học và mô hình linh kiện. Với tích hợp PLM, BOM, dữ liệu linh kiện, và các phiên bản được chảy vào hệ thống ghi chép doanh nghiệp. Trên nền tảng Altium, Altium Develop xử lý hợp tác hàng ngày giữa ECAD-MCAD, và Altium Agile tập trung vào quản lý dữ liệu, kết nối PLM, và quy trình làm việc phần cứng.

6. Tôi nên ưu tiên những tính năng nào khi đánh giá phần mềm EDA cho các bảng mạch tốc độ cao hoặc phức tạp?

Ưu tiên quản lý và phân tích ràng buộc. Bạn cần có sự hỗ trợ mạnh mẽ cho các lớp mạng, kiểm soát trở kháng, khớp chiều dài, cặp vi sai, quy tắc via và quy tắc sản xuất, cùng với phân tích tính toàn vẹn tín hiệu và nguồn năng lượng dễ tiếp cận, liên kết với bố cục thực tế. Một môi trường thống nhất, như Altium Develop, giúp việc áp dụng và xác minh những ràng buộc này một cách nhất quán dễ dàng hơn.

7. Làm thế nào mà sự hợp tác dựa trên đám mây thay đổi cách các đội PCB sử dụng công cụ EDA?

Sự hợp tác dựa trên đám mây biến thiết kế PCB thành một không gian làm việc chung, nơi các dự án, thư viện và sản phẩm đầu ra luôn được cập nhật và có thể truy cập bởi những người phù hợp. Trên nền tảng Altium, Altium Develop và Altium Agile cung cấp các góc nhìn dựa trên trình duyệt, chia sẻ được kiểm soát và bình luận tích hợp để giảm việc gửi email tệp và giữ cho các đội làm việc từ xa được đồng bộ.

8. Một đội ngũ nên lên kế hoạch chuyển đổi như thế nào để sử dụng môi trường thiết kế EDA tiêu chuẩn như Altium?

Một cách tiếp cận thực tế bao gồm việc chọn các dự án thí điểm, thiết lập các chỉ số thành công, xây dựng thư viện chung và mẫu ràng buộc trong môi trường mới, sau đó đào tạo đội ngũ và chạy những dự án thí điểm đó trong khi tinh chỉnh quy trình làm việc. Chuẩn hóa trên nền tảng Altium cho phép bạn thiết lập cơ sở hạ tầng này một lần và tái sử dụng nó cho các sản phẩm khác nhau. Khách hàng Altium hiện tại có thể chuyển sang Discover, Develop và Agile trên cùng một nền tảng đã chứa các thiết kế của họ.