Thiết kế mạch điện tử là quá trình lập kế hoạch, thử nghiệm và xây dựng các mạch thực hiện các nhiệm vụ cụ thể. Nó liên quan đến việc xác định các yêu cầu, chọn các bộ phận đáng tin cậy, tạo sơ đồ, mô phỏng hiệu suất và kiểm tra thiết kế cuối cùng. Bằng cách làm theo các bước cẩn thận, các mạch trở nên an toàn, hiệu quả và đáng tin cậy. Bài viết này cung cấp thông tin chi tiết về từng giai đoạn của quá trình thiết kế.
Tổng quan về thiết kế mạch điện tử
Thiết kế mạch điện tử là quá trình lập kế hoạch và xây dựng các mạch có thể thực hiện một nhiệm vụ cụ thể. Nó bắt đầu với các thí nghiệm nhỏ trên breadboard hoặc thông qua mô phỏng máy tính để kiểm tra xem ý tưởng có hiệu quả hay không. Sau đó, thiết kế được vẽ trong một sơ đồ cho thấy cách từng bộ phận được kết nối với nhau. Thiết kế được chuyển sang bảng mạch in (PCB), có thể được sản xuất và lắp ráp thành một hệ thống làm việc.
Quá trình này thường kết hợp các loại tín hiệu khác nhau. Mạch tương tự hoạt động với tín hiệu mượt mà và liên tục, trong khi mạch kỹ thuật số hoạt động với tín hiệu chuyển đổi giữa hai trạng thái. Đôi khi, cả hai được kết hợp trong cùng một thiết kế để làm cho hệ thống hoàn thiện hơn.
Mục tiêu của thiết kế mạch điện tử là tạo ra một sản phẩm cuối cùng không chỉ có chức năng mà còn đáng tin cậy và sẵn sàng sử dụng trong điều kiện thực tế. Thiết kế cẩn thận giúp đảm bảo mạch điện sẽ hoạt động bình thường, ổn định và đáp ứng các yêu cầu an toàn.
Yêu cầu về thông số kỹ thuật
| Thể loại | Thông số kỹ thuật ví dụ |
|---|---|
| Điện | Điện áp đầu vào: 5–12 V, Dòng điện: <1 A, Băng thông: 10 MHz |
| Thời gian | Độ trễ < 50 ns, Chập chờn đồng hồ < 2 ps |
| Môi trường | Hoạt động -40°C đến +85°C, độ ẩm 90% |
| Cơ khí | Kích thước PCB: 40 × 40 mm, Trọng lượng < 20 g |
| Tuân thủ | Phải đáp ứng CE / FCC, EMC Class B |
| Chi phí / Sản xuất | Chi phí BOM < \ $ 5, Năng suất lắp ráp >95% |
Kiến trúc hệ thống và thiết kế sơ đồ khối
Sơ đồ khối này minh họa cấu trúc cốt lõi của một hệ thống điện tử bằng cách chia nhỏ nó thành các hệ thống con được kết nối với nhau. Hệ thống con nguồn cung cấp năng lượng ổn định thông qua pin, bộ chuyển đổi DC-DC và bộ điều chỉnh, tạo nền tảng cho tất cả các khối khác. Ở trung tâm là Hệ thống con điều khiển, chứa một bộ vi điều khiển, FPGA hoặc bộ xử lý chịu trách nhiệm quản lý luồng dữ liệu và ra quyết định.
Hệ thống con tương tự xử lý tín hiệu trong thế giới thực bằng cách sử dụng cảm biến, bộ khuếch đại và bộ lọc, trong khi I / O kỹ thuật số cho phép giao tiếp với các thiết bị bên ngoài thông qua các tiêu chuẩn như USB, SPI, UART, CAN và Ethernet. Một khối Clocking & Timing riêng biệt đảm bảo đồng bộ hóa với các bộ dao động, PLL và định tuyến chính xác cho hiệu suất jitter thấp.
Để duy trì độ tin cậy, Vùng cách ly được nhấn mạnh, giúp giữ cho tín hiệu kỹ thuật số nhiễu tránh xa các mạch tương tự nhạy cảm, giảm nhiễu và cải thiện độ ổn định của hệ thống.
Các thành phần cơ bản trong thiết kế mạch điện tử
Điện trở
Chúng được sử dụng để hạn chế và kiểm soát dòng điện. Bằng cách thêm điện trở, họ đảm bảo rằng các bộ phận nhạy cảm của mạch không bị hư hỏng do quá nhiều dòng điện.
Tụ điện
Nó hoạt động như một thiết bị lưu trữ năng lượng nhỏ. Chúng giữ điện tích và có thể giải phóng nó nhanh chóng khi cần thiết. Điều này làm cho chúng hữu ích để ổn định điện áp, lọc tín hiệu hoặc cung cấp các đợt công suất ngắn.
Bóng bán dẫn
Nó đóng vai trò là công tắc và ampchất lót. Chúng có thể bật hoặc tắt dòng điện như một cổng được điều khiển hoặc làm cho tín hiệu yếu mạnh hơn. Bóng bán dẫn là một phần của thiết bị điện tử hiện đại vì chúng cho phép các mạch xử lý và kiểm soát thông tin.
Điốt
Hướng dẫn hướng của dòng điện. Chúng chỉ cho phép dòng điện chạy theo một hướng, chặn nó theo hướng khác. Điều này bảo vệ mạch khỏi dòng điện ngược có thể gây hư hỏng.
Nghiên cứu và lựa chọn linh kiện trong thiết kế mạch điện tử
Cân nhắc hiệu suất
Khi chọn các bộ phận cho mạch, một trong những điều đầu tiên cần kiểm tra là hiệu suất. Điều này có nghĩa là xem xét cách thành phần sẽ hoạt động trong thiết kế. Các chi tiết bắt buộc bao gồm lượng nhiễu mà nó thêm vào, mức độ ổn định của nó theo thời gian, lượng điện năng mà nó sử dụng và nó xử lý tín hiệu tốt như thế nào. Những yếu tố này quyết định liệu mạch có hoạt động theo cách mà nó phải làm hay không.
Lựa chọn gói
Gói của một thành phần là cách nó được xây dựng và kích thước. Nó ảnh hưởng đến không gian mà nó chiếm trên bo mạch, lượng nhiệt mà nó có thể xử lý và mức độ dễ dàng đặt trong quá trình lắp ráp. Các gói nhỏ hơn giúp tiết kiệm không gian, trong khi các gói lớn hơn có thể dễ dàng làm việc hơn và xử lý nhiệt tốt hơn. Chọn gói phù hợp giúp cân bằng không gian, nhiệt độ và dễ sử dụng.
Tính khả dụng và chuỗi cung ứng
Nó là không đủ để một bộ phận hoạt động tốt; Nó cũng phải có sẵn khi cần thiết. Bạn nên kiểm tra xem bộ phận có thể được mua từ nhiều nhà cung cấp hay không và liệu nó có còn được sản xuất trong tương lai hay không. Điều này làm giảm nguy cơ chậm trễ hoặc thiết kế lại nếu bộ phận đột ngột trở nên khó tìm.
Tuân thủ và Tiêu chuẩn
Thiết bị điện tử phải tuân theo các quy tắc về an toàn và môi trường. Các bộ phận thường được yêu cầu đáp ứng các tiêu chuẩn như RoHS, REACH hoặc UL. Những phê duyệt này đảm bảo linh kiện an toàn khi sử dụng, không gây hại cho môi trường và có thể được bán ở các khu vực khác nhau. Tuân thủ là một phần chính của việc lựa chọn các thành phần.
Độ tin cậy và giảm giá
Độ tin cậy có nghĩa là một thành phần có thể tiếp tục hoạt động trong thời gian và tốt như thế nào trong điều kiện sử dụng bình thường. Để làm cho các bộ phận tồn tại lâu hơn, Bạn nên tránh đẩy chúng đến giới hạn tối đa. Thực hành này được gọi là hạ thấp. Bằng cách cung cấp cho các bộ phận một biên độ an toàn, khả năng hỏng hóc giảm xuống và toàn bộ hệ thống trở nên đáng tin cậy hơn.
Các loại mô phỏng mạch trong thiết kế mạch điện tử
| Loại mô phỏng | Mục đích trong thiết kế mạch |
|---|---|
| Thiên vị DC | Xác nhận rằng tất cả các thiết bị hoạt động ở đúng voltage và các điểm hiện tại. Ngăn bóng bán dẫn bị bão hòa hoặc cắt ngoài ý muốn. |
| Quét AC | Đánh giá đáp ứng tần số, độ lợi và biên độ pha. Cơ bản cho bộ khuếch đại, bộ lọc và phân tích độ ổn định. |
| Thoáng qua | Phân tích hành vi miền thời gian như chuyển đổi, phản hồi khởi động, thời gian tăng/giảm và quá tải. |
| Phân tích tiếng ồn | Dự đoán độ nhạy của mạch đối với nhiễu điện và giúp tối ưu hóa các chiến lược lọc cho các ứng dụng có độ ồn thấp. |
| Monte Carlo | Kiểm tra sự thay đổi thống kê về dung sai thành phần (điện trở, tụ điện, bóng bán dẫn), đảm bảo tính mạnh mẽ của thiết kế trong quá trình sản xuất. |
| Nhiệt | Ước tính khả năng tản nhiệt và xác định các điểm nóng tiềm ẩn, cần thiết cho các mạch điện và thiết kế nhỏ gọn. |
Cung cấp năng lượng và tính toàn vẹn tín hiệu trong thiết kế mạch
Thực hành mạng phân phối điện (PDN)
• Nối đất sao: Sử dụng kết nối ngôi sao để giảm thiểu các vòng nối đất. Điều này làm giảm tiếng ồn và đảm bảo tiềm năng tham chiếu nhất quán trên bảng.
• Đường dẫn quay trở lại ngắn: Luôn cung cấp đường dẫn trở lại trực tiếp và trở kháng thấp cho dòng điện. Các vòng lặp dài làm tăng độ tự cảm và đưa nhiễu vào các mạch nhạy cảm.
• Tụ điện tách rời: Đặt tụ điện tách rời có giá trị nhỏ càng gần chân nguồn IC càng tốt. Chúng hoạt động như các bể chứa năng lượng cục bộ và ngăn chặn quá độ tần số cao.
• Tụ điện số lượng lớn: Thêm tụ điện số lượng lớn gần các điểm vào nguồn. Những điều này ổn định nguồn cung cấp trong quá trình thay đổi tải đột ngột.
Cân nhắc về tính toàn vẹn của tín hiệu (SI)
• Định tuyến trở kháng có kiểm soát: Các dấu vết tốc độ cao phải được định tuyến với trở kháng xác định (thường là 50 Ω một đầu hoặc 100 Ω vi sai). Điều này ngăn chặn phản xạ và lỗi dữ liệu.
• Quản lý mặt đất: Giữ các mặt đất tương tự và kỹ thuật số tách biệt để tránh nhiễu. Kết nối chúng tại một điểm duy nhất để duy trì một mặt phẳng tham chiếu sạch.
• Giảm nhiễu xuyên âm: Duy trì khoảng cách giữa các đường dây tốc độ cao song song hoặc sử dụng dấu vết bảo vệ mặt đất. Điều này giảm thiểu khớp nối và duy trì chất lượng tín hiệu.
• Stackup lớp: Trong PCB nhiều lớp, hãy dành các mặt phẳng liên tục cho nguồn và mặt đất. Điều này làm giảm trở kháng và giúp kiểm soát EMI.
Bố cục PCB trong thiết kế mạch
Vị trí thành phần
Đặt các thành phần dựa trên chức năng và luồng tín hiệu. Nhóm các bộ phận liên quan lại với nhau và giảm thiểu độ dài dấu vết, đặc biệt là đối với các mạch tương tự tốc độ cao hoặc nhạy cảm. Các thành phần cơ bản như bộ dao động hoặc bộ điều chỉnh nên được đặt gần với các IC mà chúng hỗ trợ.
Định tuyến tín hiệu
Tránh uốn cong 90 ° để giảm sự gián đoạn trở kháng và EMI tiềm ẩn. Đối với các cặp vi sai, chẳng hạn như USB hoặc Ethernet, hãy giữ độ dài dấu vết phù hợp để duy trì tính toàn vẹn của thời gian. Tách biệt tín hiệu tương tự và kỹ thuật số để tránh nhiễu.
Lớp xếp chồng lên nhau
Lớp xếp chồng cân bằng và đối xứng giúp cải thiện khả năng sản xuất, giảm cong vênh và cung cấp trở kháng nhất quán. Mặt đất và mặt phẳng điện chuyên dụng giúp giảm tiếng ồn và ổn định điện áp phân phối.
Cân nhắc tốc độ cao
Định tuyến tín hiệu tốc độ cao với trở kháng được kiểm soát, duy trì các mặt phẳng tham chiếu liên tục và tránh sơ khai hoặc vias không cần thiết. Giữ đường dẫn quay trở lại ngắn để giảm thiểu độ tự cảm và duy trì tính toàn vẹn của tín hiệu.
Quản lý nhiệt
Đặt các via nhiệt bên dưới các thiết bị điện để lan tỏa nhiệt vào các mặt phẳng đồng bên trong hoặc phía đối diện của PCB. Sử dụng kỹ thuật rót đồng và tản nhiệt cho các mạch công suất cao.
Thiết kế sơ đồ và ERC trong phát triển mạch
Các bước thiết kế sơ đồ
• Bảng phân cấp: Chia nhỏ thiết kế thành các phần logic như hệ thống con nguồn, tương tự và kỹ thuật số. Điều này giữ cho các mạch phức tạp được tổ chức và giúp gỡ lỗi hoặc cập nhật trong tương lai dễ dàng hơn.
• Đặt tên mạng có ý nghĩa: Sử dụng tên mạng mô tả thay vì nhãn chung. Đặt tên rõ ràng tránh nhầm lẫn và tăng tốc độ khắc phục sự cố.
• Thuộc tính thiết kế: Bao gồm xếp hạng điện áp, yêu cầu hiện tại và thông tin dung sai trực tiếp trong sơ đồ. Điều này giúp trong quá trình xem xét và đảm bảo các thành phần được chọn với thông số kỹ thuật phù hợp.
• Đồng bộ hóa dấu chân: Liên kết các thành phần với dấu chân PCB chính xác của chúng ngay từ đầu trong quá trình. Việc phát hiện sự không phù hợp giờ đây ngăn chặn sự chậm trễ và làm lại tốn kém trong quá trình bố trí PCB.
• Hóa đơn nguyên vật liệu sơ bộ (BOM): Tạo dự thảo BOM từ sơ đồ. Điều này giúp ước tính chi phí, kiểm tra tính khả dụng của bộ phận và hướng dẫn lập kế hoạch mua sắm trước khi hoàn thiện thiết kế.
Kiểm tra quy tắc điện (ERC) Vệ sinh
• Phát hiện các chốt nổi có thể gây ra hành vi không xác định.
• Gắn cờ lưới rút ngắn có thể dẫn đến lỗi chức năng.
• Đảm bảo kết nối nguồn và nối đất nhất quán trong toàn bộ thiết kế.
Kiểm tra và xác nhận mạch
• Thêm các điểm kiểm tra trên các tín hiệu quan trọng và đường ray nguồn để có thể thực hiện các phép đo dễ dàng trong quá trình gỡ lỗi và kiểm tra sản xuất.
• Cung cấp các tiêu đề lập trình và gỡ lỗi như JTAG, SWD hoặc UART để tải chương trình cơ sở, kiểm tra tín hiệu và giao tiếp với hệ thống trong quá trình phát triển.
• Sử dụng nguồn điện giới hạn dòng điện khi cấp nguồn cho PCB lần đầu tiên. Điều này bảo vệ các bộ phận khỏi bị hư hỏng nếu có đoản mạch hoặc lỗi thiết kế.
• Bật nguồn và xác thực từng hệ thống con riêng biệt trước khi chạy toàn bộ hệ thống cùng nhau. Điều này giúp cô lập và khắc phục sự cố dễ dàng hơn.
• So sánh tất cả các kết quả đo được với các thông số kỹ thuật thiết kế ban đầu. Kiểm tra giới hạn nhiệt, hiệu suất thời gian và hiệu suất năng lượng để đảm bảo mạch hoạt động như dự kiến.
• Giữ các ghi chú chi tiết và kết quả kiểm tra. Tài liệu này giúp sửa đổi, khắc phục sự cố và bàn giao cho các nhóm sản xuất trong tương lai.
Kết luận
Thiết kế mạch điện tử kết hợp lập kế hoạch, mô phỏng và thử nghiệm để tạo ra các hệ thống đáng tin cậy. Từ cài đặt thông số kỹ thuật đến bố trí và xác nhận PCB, mỗi bước đảm bảo các mạch hoạt động như dự kiến trong điều kiện thực tế. Bằng cách áp dụng thiết kế và tiêu chuẩn tốt, bạn có thể phát triển các giải pháp điện tử an toàn, hiệu quả và lâu dài.
Những câu hỏi thường gặp
Quý 1. Phần mềm nào được sử dụng để thiết kế mạch điện tử?
Altium Designer, KiCad, Eagle và OrCAD phổ biến cho sơ đồ và bố cục PCB. LTspice, Multisim và PSpice thường được sử dụng để mô phỏng.
Quý 2. Nối đất ảnh hưởng đến mạch như thế nào?
Nối đất thích hợp làm giảm tiếng ồn và nhiễu. Mặt phẳng mặt đất, nối đất sao và tách nối đất tương tự và kỹ thuật số cải thiện độ ổn định.
Quý 3. Tại sao cần quản lý nhiệt trong mạch?
Nhiệt dư thừa làm giảm tuổi thọ của linh kiện và giảm hiệu suất. Tản nhiệt, tản nhiệt, rót đồng và luồng không khí giúp kiểm soát nhiệt độ.
Quý 4. Những tệp nào được yêu cầu để tạo PCB?
Các tệp Gerber, tệp khoan, Hóa đơn vật liệu (BOM) và bản vẽ lắp ráp là cần thiết để chế tạo và lắp ráp PCB chính xác.
Câu 5. Tính toàn vẹn của tín hiệu được kiểm tra như thế nào?
Máy hiện sóng, phép đo phản xạ miền thời gian (TDR) và máy phân tích mạng kiểm tra trở kháng, nhiễu xuyên âm và biến dạng.
Câu 6. Thiết kế cho khả năng sản xuất (DFM) là gì?
DFM có nghĩa là tạo ra các mạch dễ sản xuất bằng cách sử dụng dấu chân tiêu chuẩn, tuân theo giới hạn PCB và đơn giản hóa việc lắp ráp.