Wie Sie einen modularen Ansatz zur Vereinfachung Ihres PCB-Design-Prozesses nutzen

April 6, 2017 Altium

Getting started with PCB design can feel as daunting as climbing a mountain

Bildquelle: Adobe Stock Nutzer alexbrylovhk

 

Mein erster Kletter-Trip in den Yosemite-Nationalpark war eine ziemlich lehrreiche Erfahrung. Ich hatte mir viel vorgenommen, aber, wie ich später herausfinden sollte, mich letztendlich klar übernommen. Die Kombination von hohen Bergen und schlechter Planung konnte einfach nicht gut gehen. Ziemlich früh steckte ich in einem äußerst engen Kamin fest. Nach einer nervenaufreibenden Nacht im Notfallbiwak musste ich den Abbruch meiner Mission akzeptieren. Erschöpft fand ich mich im Tal wieder, wo ich den Berg hinauf starrte, den ich dieses Mal nicht bezwingen konnte. Manchmal kann das PCB-Design genauso enden wie mein fehlgeschlagenes Kletterunterfangen. Dies gilt besonders, wenn es beim Schritt von der konzeptionellen Spezifikation zum tatsächlichen Design an einer vernünftigen Planung fehlt. Hierbei gibt es viele Faktoren auf einmal zu beachten. Zum Beispiel stellt sich mit Blick auf eine optimale Leistung und Nutzung der Platzierungsfläche die Frage, wo und welche der Hauptkomponenten am besten platziert werden sollen. Ebenso müssen Sie darüber nachdenken, wo sich Subsysteme am besten platzieren lassen und somit in einem möglichst einfachen Verlauf der Leiterbahnen resultiert. Diese anfänglichen Überlegungen können zunächst abschreckend wirken und entweder zu einer Verzögerung des Projekts führen oder einen kompletten Neustart nötig machen.

Um die Blockade beim Design-Start zu durchbrechen, modularisiere ich mein Projekt in virtuelle Bereiche.

 

A PCB that is separated from its components

Bildquelle: Flickr-Nutzer Uwe Hermann (CC BY 2.0)
 

Gehen Sie in folgenden Schritten vor

So wie auch ein Kletterer eine Bergbesteigung angehen würde, sollten Sie auch Ihr PCB-Design in überschaubare „Teilabschnitte“ teilen und jeden davon ganz individuell angehen, bis Sie schließlich den Gipfel erreicht haben. Um mit Ihrem Design zu beginnen, sollten Sie zunächst Bereiche identifizieren, die eigenständig sind oder hinreichend verständliche Übergabepunkte aufweisen. Am Ende müssen in diese Bereiche die dafür vorgesehenen Komponenten platziert werden. Zu Beginn reicht es jedoch, wenn wir lediglich deren Präsenz auf der Leiterplatte vorzeichnen.

 

Nachdem die verschiedenen Funktionsgruppen identifiziert wurden, können Sie dafür die entsprechenden Bereiche auf der Leiterplatte temporär reservieren. Diese Bereiche bezeichnen wir im Folgenden auch als „Blackbox“. Ähnlich wie die Planung einer Kletterroute erlaubt Ihnen diese Vorgehensweise, sich auf das Wesentliche zu konzentrieren. Danach können Sie die Komponenten in den einzelnen Bereichen individuell platzieren. Die Nutzung von Platzhaltern für die Priorisierung von bestimmten Bereichen innerhalb Ihres Layouts wird gemeinhin als „Modularisierung eines Designs“ bezeichnet.

Denken Sie einmal darüber nach: Viele der in unseren Designs verwendeten Komponenten sind Blackboxes – und dies aus zwei Gründen:

 

  1. Sie besitzen eine klar definierte Schnittstelle aufgrund ihrer Pinbelegung und Funktionsweise.

  2. Ihre Funktionsweise und Leistungsumfang ist gegeben und somit müssen wir das Innenleben nicht zwingend kennen.

 

Stellen Sie sich vor, wie kompliziert Ihr Projekt werden würde, wenn Sie die interne Funktionsweise aller verwendeter Operationsverstärker, Mikrokontroller etc. als Layouter kennen müssten. Das wäre ungemein komplex.

Wir können auf diesem Konzept der Platzhalter aufbauen, das Ihren Design-Prozess so richtig in Schwung bringt. Wenn Sie richtig planen, werden Sie in vielen Fällen einen Ausgangspunkt haben, ab dem Sie bestimmen können, wie Sie Ihr Projekt am besten in überschaubare Funktionsblöcke teilen können. Erinnern Sie sich an Ihre Projektdokumentation? Die Ablaufdiagramme, Planungsübersichten und Anwenderdokumentationen sollten die Funktionsweise Ihres Designs auf einem hohen Niveau darstellen. Genauso wie Ihr modulares PCB-Layout fokussieren sich diese Dokumente auf das große Ganze Ihres Designs und sind dazu eine hervorragende Ressource für die Modularisierung Ihres PCB-Layouts.

Egal, ob Sie diese Dokumente vorliegen haben oder nicht, empfehle ich die Berücksichtigung der folgenden Schritte, bis das Konzept einfach genug ist, um es ohne Probleme umzusetzen:

 

  • Finden Sie ein Subsystem oder eine funktionale Gruppe, die Sie modularisieren können

  • Identifizieren Sie alle Komponenten, die Teil der Gruppe sind

  • Identifizieren Sie die Eingänge und Ausgänge (d. h. die Übergabepunkte) der Gruppe

  • Erstellen Sie eine Blackbox, mit der die Gruppe und deren Übergabepunkte dargestellt werden

  • Platzieren Sie die entsprechenden Komponenten in der Blackbox

 

Sobald Sie die Module identifiziert haben, können Sie die verschiedenen Blackboxes auf dem PCB erstellen und somit einen ersten Anlauf für das endgültige Layout unternehmen. Sie bekommen somit einen Eindruck, wie sich die verschiedenen Elemente zueinander verhalten. Es sollte ziemlich einfach sein, das gesamte Design auf diese Weise aufzubauen. Nachdem dieser Schritt abgeschlossen ist, können Sie damit beginnen, die Inhalte Ihrer individuellen Blackboxes zu erstellen. Bei Bedarf können Sie die darin enthaltenen Subsysteme ebenfalls modularisieren. Eine Modularisierung funktioniert auf allen Ebenen.

 

Completed PCB

Bildquelle: Flickr-Nutzer Steve Marple (CC BY 2.0)
 

Werkzeuge und Techniken für die Modularisierung

Designsoftware enthält in der Regel Funktionalitäten, die Sie bei der Modularisierung Ihrer Designs unterstützen. Diese erlauben Ihnen, Ihre Module innerhalb Ihrer Projektumgebung auf eine Art und Weise darzustellen, die für Sie selbst und Ihr Team am meisten Sinn ergibt. Nachfolgend finden Sie einige Varianten, die üblicherweise verfügbar sind:

Zeichenwerkzeuge

Erstellen Sie die unterschiedlichen Flächen für Module mithilfe von Zeichenwerkzeugen. Das kann ein normales Rechteck sein oder auch eine komplexere Form sein. Sie können auch die Übergabepunkte zu anderen Teilen des Designs mit einzeichnen.

Individuelle Bereiche

Einige Software-Lösungen bieten die Möglichkeit individuelle Linienzüge oder komplexe Flächen zu gruppieren oder gar als Bibliothekselemente abzulegen. Dies hat den Vorteil, dass eine Fläche als Ganzes auf der Leiterplatte verschoben werden kann. Des Weiteren können Bibliothekselemente mit elektrischen Eigenschaften versehen werden.

Anmerkungen

Nutzen Sie Textelemente, um Ihre Module zu beschreiben oder sonstige Anmerkungen zu verfassen. Damit können Sie zu einem späteren Zeitpunkt Ihre Gedanken bzgl. der Platzierung einer Blackbox besser nachvollziehen. Weisen Sie mit einem Pfeil auf das Bauteil Ihres Designs hin, auf das sich die Anmerkung bezieht..

Erinnerungsstützen

Erstellen Sie Notizen, die Sie an bestimmte Vorgaben für die Platzierung von Bauteilen in einer Blackbox erinnern sollen. Solche Textelemente sollten Ihnen an jeder Stelle innerhalb Ihres Projekts zur Verfügung stehen. Sie können kategorisiert sein und sobald Sie erledigt sind, als abgeschlossen markiert werden.

Aufräumen leicht gemacht

Seit meinem fast traumatischen Erlebnis im Yosemite-Nationalpark hat eine bessere Routenplanung zu deutlich weniger Unbehagen geführt. Gleiches gilt auch für die Modularisierung Ihrer PCB-Designs. Schätzen Sie sich glücklich, denn es gibt sogar Programme, die Sie hier bei der Planung unterstützen. Altium Designer kann Ihnen beim Modularisieren Ihres Designs helfen und dazu Ihren Fortschritt verfolgen und entsprechend anzeigen. So müssen Sie weniger Zeit damit verbringen, sich Gedanken über die Auflösung von unangenehmen Szenarien zu machen, und können mehr Zeit in die Entwicklung eines exzellenten Produkts investieren.

 
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