Reka bentuk litar elektronik ialah proses merancang, menguji dan membina litar yang melaksanakan tugas tertentu. Ia melibatkan menentukan keperluan, memilih bahagian yang boleh dipercayai, mencipta skematik, mensimulasikan prestasi dan menguji reka bentuk akhir. Dengan mengikuti langkah yang berhati-hati, litar menjadi selamat, cekap dan boleh dipercayai. Artikel ini memberikan maklumat terperinci mengenai setiap peringkat proses reka bentuk.
Gambaran Keseluruhan Reka Bentuk Litar Elektronik
Reka bentuk litar elektronik ialah proses merancang dan membina litar yang boleh melaksanakan tugas tertentu. Ia bermula dengan eksperimen kecil pada papan roti atau melalui simulasi komputer untuk menyemak sama ada idea itu berfungsi. Selepas itu, reka bentuk dilukis dalam gambar rajah skematik yang menunjukkan bagaimana setiap bahagian disambungkan. Reka bentuk dipindahkan ke papan litar bercetak (PCB), yang boleh dihasilkan dan dipasang ke dalam sistem kerja.
Proses ini selalunya menggabungkan pelbagai jenis isyarat. Litar analog berfungsi dengan isyarat licin dan berterusan, manakala litar digital berfungsi dengan isyarat yang bertukar antara dua keadaan. Kadangkala, kedua-duanya digabungkan dalam reka bentuk yang sama untuk menjadikan sistem lebih lengkap.
Matlamat reka bentuk litar elektronik adalah untuk mencipta produk akhir yang bukan sahaja berfungsi tetapi juga boleh dipercayai dan sedia untuk digunakan dalam keadaan sebenar. Reka bentuk yang teliti membantu memastikan litar akan berfungsi dengan baik, kekal stabil dan memenuhi keperluan keselamatan.
Keperluan kepada Spesifikasi Teknikal
| Kategori | Contoh Spesifikasi |
|---|---|
| Elektrik | Voltan input: 5–12 V, Cabutan semasa: <1 A, Lebar jalur: 10 MHz |
| Masa | Kependaman < 50 ns, Jitter jam < 2 ps |
| Alam Sekitar | Beroperasi -40°C hingga +85°C, 90% kelembapan |
| Mekanikal | Saiz PCB: 40 × 40 mm, Berat < 20 g |
| Pematuhan | Mesti memenuhi CE/FCC, EMC Kelas B |
| Kos/Pengeluaran | Kos BOM <\$5, hasil pemasangan >95% |
Seni Bina Sistem dan Reka Bentuk Rajah Blok
Gambar rajah blok ini menggambarkan struktur teras sistem elektronik dengan memecahkannya kepada subsistem yang saling berkaitan. Subsistem Kuasa membekalkan tenaga yang stabil melalui bateri, penukar DC-DC dan pengawal selia, membentuk asas untuk semua blok lain. Di tengahnya ialah Subsistem Kawalan, yang menempatkan mikropengawal, FPGA atau pemproses yang bertanggungjawab untuk mengurus aliran data dan membuat keputusan.
Subsistem Analog mengendalikan isyarat dunia sebenar menggunakan penderia, penguat dan penapis, manakala I/O Digital membolehkan komunikasi dengan peranti luaran melalui piawaian seperti USB, SPI, UART, CAN dan Ethernet. Blok Clocking & Timing yang berasingan memastikan penyegerakan dengan pengayun, PLL dan penghalaan yang tepat untuk prestasi jitter rendah.
Untuk mengekalkan kebolehpercayaan, Zon Pengasingan ditekankan, yang menjauhkan isyarat digital yang bising daripada litar analog sensitif, mengurangkan gangguan dan meningkatkan kestabilan sistem.
Komponen Asas dalam Reka Bentuk Litar Elektronik
Perintang
Ini digunakan untuk mengehadkan dan mengawal aliran arus elektrik. Dengan menambah rintangan, mereka memastikan bahawa bahagian sensitif litar tidak rosak oleh terlalu banyak arus.
Kapasitor
Ia bertindak sebagai peranti storan tenaga kecil. Mereka memegang cas elektrik dan boleh melepaskannya dengan cepat apabila diperlukan. Ini menjadikannya berguna untuk menstabilkan voltan, menapis isyarat atau membekalkan letupan kuasa pendek.
Transistor
Ia berfungsi sebagai suis dan penguat. Mereka boleh menghidupkan atau mematikan arus seperti pintu terkawal atau menjadikan isyarat lemah lebih kuat. Transistor adalah sebahagian daripada elektronik moden kerana ia membenarkan litar memproses dan mengawal maklumat.
Diod
Pandu arah arus. Mereka membenarkan elektrik mengalir ke satu arah sahaja, menghalangnya ke arah lain. Ini melindungi litar daripada arus terbalik yang boleh menyebabkan kerosakan.
Penyelidikan dan Pemilihan Komponen dalam Reka Bentuk Litar Elektronik
Pertimbangan Prestasi
Apabila memilih bahagian untuk litar, salah satu perkara pertama yang perlu diperiksa ialah prestasi. Ini bermakna melihat bagaimana komponen akan berkelakuan dalam reka bentuk. Butiran yang diperlukan termasuk jumlah bunyi yang ditambahnya, sejauh mana stabilnya dari semasa ke semasa, berapa banyak kuasa yang digunakannya dan sejauh mana ia mengendalikan isyarat. Faktor-faktor ini menentukan sama ada litar akan berfungsi seperti yang sepatutnya.
Pemilihan Pakej
Pakej komponen adalah cara ia dibina dan bersaiz. Ia menjejaskan berapa banyak ruang yang diperlukan di papan, berapa banyak haba yang boleh dikendalikan, dan betapa mudahnya ia diletakkan semasa pemasangan. Pakej yang lebih kecil menjimatkan ruang, manakala yang lebih besar boleh menjadi lebih mudah untuk digunakan dan mengendalikan haba dengan lebih baik. Memilih pakej yang betul membantu mengimbangi ruang, haba dan kemudahan penggunaan.
Ketersediaan dan Rantaian Bekalan
Ia tidak mencukupi untuk bahagian berfungsi dengan baik; ia juga mesti tersedia apabila diperlukan. Anda harus menyemak sama ada bahagian itu boleh dibeli daripada lebih daripada satu pembekal dan jika ia masih akan dihasilkan pada masa hadapan. Ini mengurangkan risiko kelewatan atau reka bentuk semula jika bahagian itu tiba-tiba menjadi sukar dicari.
Pematuhan dan Piawaian
Elektronik mesti mengikut peraturan untuk keselamatan dan alam sekitar. Bahagian selalunya diperlukan untuk memenuhi piawaian seperti RoHS, REACH atau UL. Kelulusan ini memastikan komponen itu selamat digunakan, tidak membahayakan alam sekitar, dan boleh dijual di kawasan yang berbeza. Pematuhan adalah bahagian utama dalam memilih komponen.
Kebolehpercayaan dan Penarafan
Kebolehpercayaan bermaksud berapa lama dan sejauh mana komponen boleh terus berfungsi di bawah penggunaan biasa. Untuk menjadikan bahagian bertahan lebih lama, Anda harus mengelak daripada menolaknya ke had maksimum mereka. Amalan ini dipanggil derating. Dengan memberikan bahagian margin yang selamat, peluang kegagalan berkurangan, dan keseluruhan sistem menjadi lebih boleh dipercayai.
Jenis Simulasi Litar dalam Reka Bentuk Litar Elektronik
| Jenis Simulasi | Tujuan dalam Reka Bentuk Litar |
|---|---|
| Berat sebelah DC | Mengesahkan bahawa semua peranti beroperasi pada voltan yang betul dan titik semasa. Menghalang transistor daripada tepu atau memotong secara tidak sengaja. |
| Penyapu AC | Menilai tindak balas frekuensi, keuntungan dan margin fasa. Asas untuk penguat, penapis dan analisis kestabilan. |
| Sementara | Menganalisis tingkah laku domain masa seperti pertukaran, tindak balas permulaan, masa naik/turun dan lebihan. |
| Analisis Bunyi | Meramalkan kepekaan litar kepada bunyi elektrik dan membantu mengoptimumkan strategi penapisan untuk aplikasi bunyi rendah. |
| Monte Carlo | Menguji variasi statistik dalam toleransi komponen (perintang, kapasitor, transistor), memastikan keteguhan reka bentuk merentasi penyebaran pembuatan. |
| Terma | Menganggarkan pelesapan haba dan mengenal pasti titik panas yang berpotensi, yang diperlukan untuk litar kuasa dan reka bentuk padat. |
Penghantaran Kuasa dan Integriti Isyarat dalam Reka Bentuk Litar
Amalan Rangkaian Penghantaran Kuasa (PDN)
• Pembumian Bintang: Gunakan sambungan bintang untuk meminimumkan gelung tanah. Ini mengurangkan bunyi bising dan memastikan potensi rujukan yang konsisten di seluruh papan.
• Laluan Pulangan Pendek: Sentiasa sediakan laluan pulangan impedans langsung dan rendah untuk arus. Gelung panjang meningkatkan kearuhan dan menyuntik bunyi ke dalam litar sensitif.
• Kapasitor Penyahgandingan: Letakkan kapasitor penyahgandingan bernilai kecil sedekat mungkin dengan pin kuasa IC. Mereka bertindak sebagai takungan tenaga tempatan dan menyekat transien frekuensi tinggi.
• Kapasitor Pukal: Tambah kapasitor pukal berhampiran titik masuk kuasa. Ini menstabilkan bekalan semasa perubahan beban secara tiba-tiba.
Pertimbangan Integriti Isyarat (SI)
• Penghalaan Impedans Terkawal: Jejak berkelajuan tinggi hendaklah dihalakan dengan impedans yang ditentukan (biasanya 50 Ω satu hujung atau 100 Ω pembezaan). Ini menghalang pantulan dan ralat data.
• Pengurusan Tanah: Asingkan asas analog dan digital untuk mengelakkan gangguan. Sambungkan mereka pada satu titik untuk mengekalkan satah rujukan yang bersih.
• Pengurangan Crosstalk: Kekalkan jarak antara garisan berkelajuan tinggi selari atau gunakan jejak pengawal tanah. Ini meminimumkan gandingan dan mengekalkan kualiti isyarat.
• Stackup Lapisan: Dalam PCB berbilang lapisan, dedikasikan satah berterusan untuk kuasa dan tanah. Ini mengurangkan impedans dan membantu mengawal EMI.
Susun atur PCB dalam reka bentuk litar
Penempatan Komponen
Letakkan komponen berdasarkan fungsi dan aliran isyarat. Kumpulkan bahagian yang berkaitan bersama-sama dan minimumkan panjang surih, terutamanya untuk litar analog berkelajuan tinggi atau sensitif. Komponen asas seperti pengayun atau pengawal selia hendaklah diletakkan berdekatan dengan IC yang mereka sokong.
Penghalaan Isyarat
Elakkan selekoh surih 90° untuk mengurangkan ketidaksinambungan impedans dan potensi EMI. Untuk pasangan pembezaan, seperti USB atau Ethernet, pastikan panjang jejak dipadankan untuk mengekalkan integriti masa. Asingkan isyarat analog dan digital untuk mengelakkan gangguan.
Susunan Lapisan
Susunan lapisan yang seimbang dan simetri meningkatkan kebolehkilatan, mengurangkan meledingkan dan memberikan impedans yang konsisten. Satah tanah dan kuasa khusus mengurangkan bunyi bising dan menstabilkan penghantaran voltan.
Pertimbangan Berkelajuan Tinggi
Halakan isyarat berkelajuan tinggi dengan impedans terkawal, kekalkan satah rujukan berterusan dan elakkan rintisan atau vias yang tidak perlu. Pastikan laluan pulangan pendek untuk meminimumkan kearuhan dan mengekalkan integriti isyarat.
Pengurusan Terma
Letakkan vias haba di bawah peranti kuasa untuk menyebarkan haba ke dalam satah tembaga dalam atau bahagian bertentangan PCB. Gunakan tuang tembaga dan teknik penyebaran haba untuk litar berkuasa tinggi.
Reka Bentuk Skematik dan ERC dalam Pembangunan Litar
Langkah Reka Bentuk Skematik
• Helaian Hierarki: Pecahkan reka bentuk kepada bahagian logik seperti subsistem kuasa, analog dan digital. Ini memastikan litar yang kompleks teratur dan menjadikan penyahpepijatan atau kemas kini masa hadapan lebih mudah.
• Penamaan Bersih yang Bermakna: Gunakan nama bersih deskriptif dan bukannya label generik. Penamaan yang jelas mengelakkan kekeliruan dan mempercepatkan penyelesaian masalah.
• Atribut Reka Bentuk: Sertakan penarafan voltan, keperluan semasa dan maklumat toleransi terus dalam skematik. Ini membantu semasa semakan dan memastikan komponen dipilih dengan spesifikasi yang betul.
• Penyegerakan Jejak Kaki: Pautkan komponen ke jejak PCB yang betul pada awal proses. Menangkap ketidakpadanan kini menghalang kelewatan dan kerja semula yang mahal semasa susun atur PCB.
• Bil Bahan Awal (BOM): Hasilkan draf BOM daripada skematik. Ini membantu menganggarkan kos, menyemak ketersediaan alat ganti dan membimbing perancangan perolehan sebelum memuktamadkan reka bentuk.
Kebersihan Pemeriksaan Peraturan Elektrik (ERC)
• Mengesan pin terapung yang boleh menyebabkan tingkah laku yang tidak ditentukan.
• Benderakan jaring yang dipendekkan yang boleh mengakibatkan kegagalan fungsi.
• Memastikan sambungan kuasa dan tanah konsisten merentasi reka bentuk.
Ujian dan Pengesahan Litar
• Tambah titik ujian pada isyarat penting dan rel kuasa supaya pengukuran boleh dibuat dengan mudah semasa penyahpepijatan dan ujian pengeluaran.
• Sediakan pengepala pengaturcaraan dan nyahpepijat seperti JTAG, SWD atau UART untuk memuatkan perisian tegar, menyemak isyarat dan berkomunikasi dengan sistem semasa pembangunan.
• Gunakan bekalan kuasa terhad semasa menghidupkan PCB buat kali pertama. Ini melindungi komponen daripada kerosakan jika terdapat seluar pendek atau kesilapan reka bentuk.
• Hidupkan dan sahkan setiap subsistem secara berasingan sebelum menjalankan keseluruhan sistem bersama-sama. Ini menjadikannya lebih mudah untuk mengasingkan dan menyelesaikan masalah.
• Bandingkan semua hasil yang diukur dengan spesifikasi reka bentuk asal. Semak had haba, prestasi masa dan kecekapan kuasa untuk memastikan litar berfungsi seperti yang dimaksudkan.
• Simpan nota bawa terperinci dan keputusan ujian. Dokumentasi ini membantu dengan semakan masa hadapan, penyelesaian masalah dan penyerahan kepada pasukan pengeluaran.
Kesimpulannya
Reka bentuk litar elektronik menggabungkan perancangan, simulasi dan ujian untuk mencipta sistem yang boleh dipercayai. Daripada menetapkan spesifikasi kepada susun atur dan pengesahan PCB, setiap langkah memastikan litar berfungsi seperti yang dimaksudkan dalam keadaan sebenar. Dengan menggunakan reka bentuk dan piawaian yang baik, anda boleh membangunkan penyelesaian elektronik yang selamat, cekap dan tahan lama.
Soalan Lazim
S1. Apakah perisian yang digunakan untuk reka bentuk litar elektronik?
Altium Designer, KiCad, Eagle dan OrCAD adalah perkara biasa untuk skema dan susun atur PCB. LTspice, Multisim dan PSpice sering digunakan untuk simulasi.
S2. Bagaimanakah pembumian menjejaskan litar?
Pembumian yang betul mengurangkan bunyi bising dan gangguan. Satah tanah, pembumian bintang, dan memisahkan asas analog dan digital meningkatkan kestabilan.
Soalan 3. Mengapakah pengurusan haba diperlukan dalam litar?
Haba berlebihan memendekkan hayat komponen dan mengurangkan prestasi. Sink haba, vias haba, tuangan kuprum dan aliran udara membantu mengawal suhu.
Soalan 4. Apakah fail yang diperlukan untuk membuat PCB?
Fail Gerber, fail gerudi, Bil Bahan (BOM), dan lukisan pemasangan diperlukan untuk fabrikasi dan pemasangan PCB yang tepat.
Soalan 5. Bagaimanakah integriti isyarat diuji?
Osiloskop, reflektometri domain masa (TDR) dan penganalisis rangkaian memeriksa impedans, crosstalk dan herotan.
Soalan 6. Apakah reka bentuk untuk kebolehkilangan (DFM)?
DFM bermaksud mewujudkan litar yang mudah dihasilkan dengan menggunakan jejak standard, mengikut had PCB dan memudahkan pemasangan.