När du designar ett elektroniskt system är det viktigt att först testa varje komponent på en utvärderingskort för att få en realistisk bild av dess prestanda, särskilt om du planerar att använda komponenten nära dess gränser. Utvärderingskort är ibland tillgängliga gratis genom försäljningsingenjörer, men du kan också behöva köpa dem. Om dessa är för dyra kan du överväga att tillverka ett eget kort, eftersom de flesta tillverkare publicerar Gerber- och tillverkningsfiler för utvärderingskort, vilket gör det möjligt att skapa ett eget kort. Genom att testa en komponent på ett sådant kort kan du verifiera att databladets specifikationer är korrekta och att komponenten kommer att fungera enligt förväntningarna i din applikation innan du beställer stora mängder.

När det gäller oscillatorer och kristaller, som ofta används som externa referenser för integrerade kretsar (IC), ger datablad och applikationsanteckningar ofta specifikationer för oscillatorns parametrar som krävs för att säkerställa att IC:n fungerar korrekt. Ibland rekommenderas specifika artikelnummer för oscillatorer, men det är viktigt att kontrollera att dessa delar fortfarande är tillgängliga och inte har nått slutet av sin livscykel, eftersom komponenter kan utgå ur produktion. Kristalloscillatorer kräver oftast två externa kondensatorer, kallade shuntkondensatorer, för att fungera korrekt. Dessa värden kan tas direkt från databladet eller beräknas, och en bra referens för att förstå dessa beräkningar är "Guidelines for Oscillator Design" i STM8AF/AL/S och STM32 MCU/MPU-applikationsanteckningar. För de flesta tillämpningar är det bäst att använda de kondensatorvärden som anges av oscillatorns datablad. Det rekommenderas också att använda NP0/C0G-typ kondensatorer och justera kapacitansen något beroende på kondensatorns storlek för att kompensera för den extra kapacitans som kan uppkomma mellan kondensatorns terminaler och kretskortets markplan.

Om du planerar att använda en kristalloscillator utanför dess temperaturintervall måste du själv karaktärisera dess prestanda. Databladet garanterar endast funktion inom ett visst temperaturintervall, och utanför detta kan kristallen uppleva ett så kallat aktivitetsdip, där kristallens resistans plötsligt ökar. Detta kan leda till en frekvensfel på upp till 20 ppm, vilket kan orsaka att systemet förlorar sin faslåsning. Kristallens resonansfrekvens förändras också något över tid på grund av åldrande, vanligtvis med en förändring på cirka 5 ppm under det första året och 10 till 20 ppm under de följande tio åren. För mycket känsliga applikationer är det viktigt att ta hänsyn till denna åldringseffekt.

Silicon-oscillatorer, som använder MEMS-strukturer istället för kvarts, erbjuder flera fördelar, bland annat mindre fysiska dimensioner och möjligheten att programmera en rad frekvenser. Dessa oscillatorer kan drivas från 1 kHz upp till 170 MHz och inkluderar funktioner för att minska elektromagnetisk störning (EMI). Tidigare kunde silicon-oscillatorer misslyckas om de utsattes för heliumgas i små mängder, men nyare paket och beläggningar har utvecklats för att eliminera detta problem. Om du väljer en silicon-oscillator är det viktigt att kontrollera om den är kompatibel med atmosfärer som kan innehålla små gaskoncentrationer, särskilt om din produkt kommer att behöva fungera i sådana förhållanden.

När du väljer en ADC (Analog till Digital omvandlare) eller DAC (Digital till Analog omvandlare) finns det mycket att beakta. Det finns omfattande resurser som täcker dessa ämnen, exempelvis "Choose the Right A/D Converter for Your Application" och "The Data Conversion Handbook" från Analog Devices, som ger mer detaljerad vägledning. Här är det viktigt att förstå de grundläggande principerna för att välja rätt konverterare beroende på signaltyp och krav på precision, hastighet och effekt.

Vid val av strömförsörjning är det viktigt att först beräkna din strömförbrukning genom att bestämma den minimala och maximala ström och effekt som varje komponent i din design kräver. Se till att din strömförsörjning kan ge åtminstone 10 procent mer än det du behöver. Kontrollera också att inga komponenter överstiger sina effektgränser, och att tillräckliga åtgärder är vidtagna för att hantera eventuell värme som genereras av dessa delar. För att effektivt hantera spänningsomvandling är en switchad strömförsörjning eller DC/DC-omvandlare det bästa alternativet, särskilt när stora mängder effekt måste omvandlas. Det är effektivare att sända ström vid högre spänning och sedan omvandla den tillbaka till en lägre spänning för att minimera förluster på grund av resistans i ledningar och kretsar. Det är avgörande att följa rekommendationerna i applikationsanteckningarna och använda rätt induktor och layout för att undvika problem med strömförsörjningens prestanda.

En switchad strömförsörjning kan orsaka ljud om FET (fält-effekt-transistor) växlar under 20 kHz. Detta beror på att vissa induktorer och kondensatorer kan skapa ljud när de rör sig på grund av magnetiska fält. Ett sätt att lösa detta är att välja en högre växlingsfrekvens, så att ljudet hamnar utanför människans hörselområde. Men växlingsfrekvensen påverkar också storleken på den induktor som krävs, vilket kan vara en viktig faktor om din design har begränsat utrymme. Det är också viktigt att vara medveten om storleken på induktorn för en viss IC, särskilt om utrymme är en begränsande faktor.

Hur påverkar spårbredd och via-struktur prestanda och tillverkning av PCB?

För att säkerställa att din kretskortdesign uppfyller både de elektriska specifikationerna och tillverkningskraven, måste du vara medveten om flera kritiska parametrar som påverkar både prestanda och tillverkningsprocess. En av de mest centrala aspekterna i en PCB-design är spårbredd och via-struktur, som direkt påverkar impedans, signalförlust och tillverkningsbarhet.

Enligt tabell 6-4 i manualen anges minimala spår- och avståndsbredd beroende på koppartjockleken. Det är viktigt att förstå att dessa värden är vägledande och att din tillverkare kan ge specifika rekommendationer om de exakta dimensionerna för att säkerställa produktens kvalitet och tillförlitlighet. Tabellen hjälper till att identifiera minimala spår- och avståndsbredd för olika koppartjocklekar, där till exempel en koppartjocklek på 1 oz kräver en spårbredd på minst 6 mil, medan en tjockare koppartjocklek på 6 oz kräver en spårbredd på minst 25 mil.

När du skickar din design till tillverkaren är det viktigt att specificera vilka spår som behöver kontrollera impedans. Detta gör att tillverkaren kan justera sina dimensioner för att säkerställa att impedansen håller sig inom de angivna gränserna. För att förenkla identifieringen av dessa kritiska spår kan du använda en unik bredd för alla impedanskontrollerade spår, vilket hjälper tillverkaren att snabbt hitta dessa och säkerställa korrekt tillverkning. Impedanskontrollerade spår kan variera något i dimension efter tillverkning beroende på tillverkningsvariabilitet, så förvänta dig små justeringar från de angivna specifikationerna.

Transmission lines, såsom stripline, microstrip och coplanar waveguide (CPW), är alla olika strukturer som kan användas för att uppnå en specifik impedans. Varje struktur har sina egna fördelar och nackdelar beroende på designens krav. Till exempel har stripline en ledare mellan två jordplan och ger bra skärmning mot externa störningar, vilket gör den idealisk för tätt paketerade kretsar. Däremot kan microstrip och CPW vara lättare att implementera i en prototyp eftersom de endast kräver ett plan för ledaren, vilket underlättar tillverkning utan att behöva skapa komplexa viaövergångar.

För att uppnå rätt impedans är det nödvändigt att beakta dimensionerna på både kopparledaren och det dielektriska materialet mellan dem. Soldermaskens relativa permittivitet spelar också en roll, och därför bör man noggrant beakta dessa faktorer vid designen. Användning av online-kalkylatorer kan vara till stor hjälp för att exakt beräkna de nödvändiga avstånden för att uppnå en specifik impedans.

När det gäller via-strukturer finns det ett antal alternativ att beakta beroende på designens krav. Den enklaste strukturen är genomgående via (through-hole), som går igenom hela kortet. Mer avancerade alternativ som blind-via, begravd-via och microvia möjliggör mer komplexa och kompakta designlösningar, men ökar samtidigt tillverkningskostnaderna och tiden för produktion. Det är också viktigt att förstå hur stackning och förskjutning av microvias påverkar PCB:ns tillförlitlighet, eftersom felaktig stackning kan leda till delaminering och andra problem.

Blind-vias som bara går från ytan till en inre lager kan vara kostsamma och kräver noggrant övervägande av tillverkningsprocessen. Om du vill spara både tid och pengar kan backdrilled vias vara ett alternativ till blind vias. Dessa tillverkas genom en annan process och erbjuder en liknande funktionalitet men till lägre kostnad och kortare tillverkningstid. När du planerar via-strukturer och andra avancerade funktioner bör du samarbeta nära med din tillverkare för att förstå de potentiella kostnaderna och tillverkningsbegränsningarna för dessa designval.

Det är också viktigt att komma ihåg att via-design och spårbredd kan påverka PCB:ns elektriska prestanda på lång sikt. Om en design kräver hög frekvens eller signalintegritet är det nödvändigt att noggrant beakta dessa parametrar för att undvika signalförluster, reflektioner eller ökat brus. Därför är det inte bara viktigt att följa standarder utan också att göra en noggrann bedömning av varje detalj för att säkerställa att designen är optimerad för både tillverkning och prestanda.

Hur man hanterar signalintegritet och elektromagnetisk störning (EMI) i PCB-design

I PCB-design är hanteringen av signalintegritet och elektromagnetisk störning (EMI) avgörande för att säkerställa korrekt funktion och pålitlighet hos elektroniska enheter. För att uppnå god signalintegritet är det viktigt att ta hänsyn till flera faktorer som påverkar både hastigheten på signaler och deras interaktion med omgivningen.

När du designar höghastighetssignaler, är en grundläggande tumregel att hålla ett avstånd på cirka 400 mils mellan kanten på kretskortet och de höghastighetsspår som löper parallellt med kanten. Detta förhindrar att signalerna påverkas av oönskade externa störningar. Signaler med snabba stigande eller fallande kanter, såsom digitala signaler, innehåller frekvenser som påminner om radiofrekvens (RF)-signaler. Tänk på hur en fyrkantvåg är uppbyggd – för att skapa en ideal fyrkantvåg krävs en oändlig mängd udda harmoniska frekvenser för att hantera de snabba kantiga övergångarna. Eftersom ett digitalt integrerat kretskort (IC) kan specificera en minimal kanttid i sitt datablad, bör målet vara att justera klocksignaler och datalinjer så att de ligger strax över denna minimala gräns. Detta minskar den höga frekvensinnehållet och därigenom risken för EMI-problem.

För att minska hastigheten på signalens kanter används ofta serieresistorer eller ferritkulor. För att säkerställa att signalen inte skapar oönskade störningar, bör signalens tid att passera ett spår vara minst fem gånger så lång som signalens stighastighet. Detta minskar både risken för EMI och signalintegritetsproblem.

För att uppnå korrekt signalintegritet är det också viktigt att beakta differentialpar. När du rutter ett differentialpar måste både avstånd och bredd vara exakta. En felaktig layout kan resultera i både signalintegritetsproblem och utsända störningar. Om du ska ändra lager för differentialpar, är det nödvändigt att säkerställa att det finns en bra returväg för strömmen nära övergången. Dessutom, när du arbetar med mycket hög hastighet (över 5 gigatransfers per sekund), måste du vara medveten om fibervävseffekten, där en av de två ledningarna i ett differentialpar kan löpa direkt ovanför glasfiberväven i PCB-substratet. Detta skapar skillnader i den relativa permittiviteten under varje ledning och kan ge upphov till signalintegritetsproblem. För att motverka detta bör du använda en zigzag-rutning som säkerställer att båda ledningarna upplever liknande förhållanden.

Fysiskt avstånd och isolation spelar en viktig roll i att förhindra att EMI från ett komponent eller subsystem sprider sig till andra delar av systemet. Omkopplingsströmsförsörjningar, som är vanliga källor till störningar på grund av snabba omkopplingar i FET, bör hållas åtskilda från känsliga komponenter som antenner, RF-signaler eller höghastighets digitala kretsar. För att hålla signalerna rena är det också viktigt att placera filter för inkommande och utgående signaler nära PCB-kantens kant. Om ett "smutsigt" ingångssignal når mitten av PCB innan det filtreras kan den oönskade signalen sprida sig till andra delar av kretskortet.

Det är också viktigt att beakta kablar som bär filtrerade signaler. Om en sådan kabel löper parallellt med en kabel som inte är filtrerad, kommer filtret att ha minimal effekt. Andra känsliga signaler som differentialpar eller signaler med strikta impedanskrav bör inte ha några andra signaler som löper parallellt med dem över längre avstånd, eftersom detta kan skapa oavsiktliga kopplingseffekter.

Placeringen av kontakter spelar också en avgörande roll för att förhindra EMI. Eftersom kontakter kan fungera som antenner för vissa frekvenser, är det bäst att placera alla kontakter på samma sida av PCB. Om det inte är möjligt av designskäl bör grupper av signaler ledas genom samma kontakt och kabel för att undvika att skapa gemensamma modspänningar, vilket kan omvandla kablar till antenner. För att ytterligare minska EMI-problem kan man använda gemensamma modfilter, ferritchoker eller skärmade kablar.

För högfrekventa signaler eller RF-signalering bör du använda kontrollerade strukturer som stripline, microstrip eller CPW för att säkerställa att signalerna inte påverkas av omgivande komponenter. Genom att använda strukturer med kontrollerad impedans får du mer förutsägbara elektromagnetiska fält, vilket gör det lättare att skydda mot EMI och hålla signalerna renare.

Endtext

Hur vet du när det är dags att överge en design?

Att vara känslomässigt investerad i en teknisk lösning är farligt. Det kan förblinda dig från att se när en idé inte längre håller. Du får inte se din design som ett barn. När egot får styra istället för kraven på funktionalitet och effektivitet, tenderar beslut att fattas utifrån prestige snarare än värde. En dålig idé blir inte bättre av att du har lagt tid på den.

När det gäller produktion av kretskort är det ofta mer kostnadseffektivt att låta en extern tillverkare montera korten, särskilt om det skulle ta mer än en dag att göra det själv. Din tid är värdefullare än du tror – det är bättre att frigöra den till att felsöka, utveckla eller förbättra andra delar av projektet. Att själv löda ett par exemplar kan vara motiverat vid mycket små serier eller för snabba prototyper, men för allt annat är det en distraktion.

Designa alltid med minsta möjliga funktionalitet. Identifiera den minsta livskraftiga produkten – det enklaste systemet som ändå uppfyller sitt syfte. Det är bättre att ha tio versioner med var sin funktion, än en version med tio funktioner som aldrig fungerar fullt ut. Skapa inte ett universalverktyg – skapa ett precisionsverktyg. Anpassningsbarhet är bra, men bara om den inte fördunklar den centrala uppgiften.

Komplexa problem måste brytas ned i mindre delar. System bör delas upp i delsystem. Det gäller både hårdvara och utvecklingsprocess. Utgå från helheten men arbeta dig metodiskt nedåt. Ta en sak i taget, bygg moduler och verifiera varje steg innan du går vidare.

Ha alltid en intern bank av pålitliga komponenter – kretsar du har erfarenhet av, och som du vet fungerar i praktiken, inte bara enligt databladet. Detta är särskilt viktigt för komponenter som samverkar med firmware. När du återanvänder både hårdvaruarkitektur och kodlager minskar du antalet felkällor avsevärt.

Högintegrerade kretsar kan vara mycket effektiva för vanliga men komplexa funktioner, exempelvis Ethernet-gränssnitt. Att använda färdiga lösningar istället för att bygga från grunden sparar både tid och risk. Men använd aldrig överintegrerade kretsar för enkla uppgifter. Om du behöver mäta ström, använd inte en smart strömmätare som hanterar tio andra parametrar och kräver två kommunikationsbussar. Det blir dyrare, långsammare att integrera och svårare att underhålla.

Dokumentera. Skriv kort, klart och exakt. Inget fluff, inga onödiga ord. Antag aldrig något utan att ifrågasätta det – men avfärda inte heller beprövade metoder bara för att vara originell. För varje metod som alltid används – fråga varför. Svaret är ofta en historia om smärtsamma misstag som redan begåtts.

Sträva efter enkelhet, men förstå att det ibland är bättre att överdesigna i första versionen. Om du är osäker på om en skyddsdiod behövs – sätt dit den. Du kan märka den som DNP (Do Not Populate) senare. Det är gratis att ta bort en komponent. Det är inte gratis att förstöra en prototyp.

Vänta inte på perfekta fakta. Du kommer aldrig att ha all information. Du måste ändå börja någonstans. Gissa. Approximering är en del av designprocessen. Dessa råd gäller dock bara för prototypfasen – där snabbhet prioriteras framför kostnad och tillförlitlighet. I produktion är det tvärtom.

Utvecklingstakten måste dessutom vara hållbar. Att bränna ut teamet med 16-timmarsdagar är ett kortsiktigt självbedrägeri. Hög personalomsättning, kunskapsförlust och låg livskvalitet leder till långsammare utveckling på sikt. Och när tempot ökar för mycket, kommer slarv och teknisk skuld. Skulden ackumuleras tyst – men den kräver alltid betalning. I värsta fall i form av total omdesign.

Prototypen du bygger behöver inte kastas bort – men du måste aktivt välja vad som ska följa med in i produktionen. Ibland fungerar nästan allt. Ibland ingenting. Det bästa valet ligger oftast någonstans mittemellan. Din produktkänsla avgör.

Hårdvaruprototyping har blivit dramatiskt enklare de senaste t

Vad är principerna för högtryckshydrogenlagring och de tekniska utmaningarna för bränslestationer?
Hur kan vi implementera Copy-on-Write i Swift med hjälp av en kötyp?
Vilka egenskaper hos silicene gör den till ett lovande material för termoelektriska tillämpningar?
Hur kognitiv belastning påverkar användargränssnittsdesign och användarupplevelse