Projektowanie niezawodnych obwodów drukowanych

Warto zatem zapamiętać, że od 2021 roku cała rodzina przydatnych narzędzi do wykonywania audytów, które istotnie wspierają projektanta w zakresie testowania niezawodności obwodów drukowanych, została zintegrowana z narzędziem do rysowania schematów Allegro System Capture firmy Cadence.

Opracowywanie i optymalizowanie układów elektronicznych są trudnym zadaniem, ponieważ często różne specyfikacje je definiujące są ze sobą sprzeczne. Obwód drukowany powinien być nie tylko niezawodny, ale też niedrogi. Ze względu na bezpieczeństwo elektryczne i wymogi kompatybilności elektromagnetycznej odległości między ścieżkami i komponentami powinny być duże, ale urządzenie końcowe powinno być zminiaturyzowane. Obecnie nawet precyzyjne symulacje, pomiary czy testy nie pozwalają na szybkie wdrożenie urządzenia do produkcji przy jednoczesnym zachowaniu niskich kosztów.

Oprogramowanie CAD do projektowania płytek drukowanych od dawna jest w stanie sprawdzać zgodność ze specyfikacjami za pomocą kontroli reguł projektowych. Do tej pory te działania skupiały się głównie na sprawdzaniu szerokości ścieżek, długości linii i wszelkiego rodzaju zależności geometrycznych w mozaice płytki drukowanej. Z biegiem lat kontrola w czasie rzeczywistym podczas routingu została rozszerzona o reguły elektryczne, dotyczące zachowania integralności sygnału.

W wyniku miniaturyzacji tolerancje parametrów produkcyjnych stają się coraz mniejsze, dlatego w ostatnich latach do oprogramowania eCAD dodano obsługę reguł DFM (Design for Manufacturing). Dzięki nim specyfikacje różnych urządzeń technologicznych wykorzystywanych w produkcji mogą być uwzględniane na bieżąco. W omawianym zakresie dzisiaj mamy do dyspozycji:

• zasady poprawnego projektowania w narzędziu Constraint Manager,
• reguły DFM w edytorze PCB,
• audyty (testy) przeprowadzane na schemacie – i to jest nowość.

Wraz z wydaniem nowej wersji programu Allegro w styczniu 2021, do edytora schematu została dodana zupełnie nowa kategoria testów zwanych dalej audytami. Jest to efekt sugestii płynących od projektantów mówiących, że zwiększająca się złożoność i stała presja czasu prowadzą coraz częściej do błędów w ich pracy, które trudno im zauważyć. Oczywiście, wiele z nich jest wyłapywanych podczas przeglądu schematu czy projektu PCB, ale niektóre, jak np. źle dobrane wartości rezystorów podciągających lub nieprawidłowe wartości napięcia na kondensatorach filtrujących, są bardzo trudne do wykrycia i mogą stać się przyczyną sporadycznych awarii lub produkcji niestabilnie działających urządzeń.

Audyty schematu

Dzięki audytom schematu można zwiększyć nie tylko jakość projektowanej płytki, ale także jej niezawodność. Podobnie jak w przypadku sprawdzania pisowni w edytorze tekstu, audyty schematu dają inżynierom natychmiastową informację zwrotną, jeśli ustalone zasady projektowania zostały naruszone. Automatyczne sprawdzanie pisowni nie tylko znajduje błędnie napisane słowa, porównując je ze słownikiem, ale także wykrywa błędy i w interpunkcji i w gramatyce. Takie "błędy gramatyczne", które wykraczają poza poprzednie schematyczne sprawdzanie reguł, występują również w elektronice.

Podczas pracy projekt jest ciągle analizowany z wykorzystaniem listy sieci i informacji z biblioteki komponentów. Oprogramowanie wykrywa nieprawidłowo podłączone piny – na przykład, gdy zasilanie lub masa są podłączone nieprawidłowo. Narzędzie to potrafirównież wykryć, czy jest to połączenie przez dzielnik napięcia, rezystor podciągający pull-up lub pull-down.

Podświetlane są również miejsca, w których ścieżka jest połączona np. tylko z jednym pinem. Takie przypadki mogą wystąpić, jeśli łączone są bloki na kilku stronach schematu z użyciem odpowiednich symboli łączących, a połączenie logiczne zostało przerwane między nimi. Takie błędy są trudne do zauważenia, ale łatwe do wykrycia przez oprogramowanie. Audyty rozpoznają jednak znacznie więcej, a kryteria wyszukiwania znacznie wykraczają poza zakres, jaki dawały wcześniejsze kontrole (fot. 1).

 

Fot. 1. Narzędzie audytu wykrywa zamianę linii w parze różnicowej

Błędy i ostrzeżenia

Różne formy alarmowania o błędach, ostrzeżeniach lub tylko komunikaty pomagają projektantom w określeniu istotności zagadnienia. Informacje te są wyświetlane na posortowanej liście według istotności. Wybranie konkretnego wpisu powoduje, że Allegro System Capture powiększa odpowiedni obszar na schemacie, ułatwiając podjęcie decyzji.

Nieprawidłowe podłączenie pinu NC do masy może prowadzić do problemów z niezawodnością. Niepodłączone piny w układach scalonych występują, gdy standardowa obudowa układu scalonego ma więcej końcówek, niż jest to potrzebne do działania lub gdy te dodatkowe piny są używane jedynie do kalibracji lub programowania na etapie produkcji. Podłączanie pinów nieużywanych tworzyłoby zbędne połączenia w układzie, które zajmowałyby miejsce, a dodatkowo działałyby jako antena zaburzeń EMC. Jeśli końcówka byłaby wykorzystywana do programowania lub kalibracji, zmiany napięcia na niej wywołane podłączeniem mogłyby wprowadzić urządzenie w inny tryb działania i wpłynąć na parametry urządzenia (fot. 2).

 

Fot. 2. Graficzna reprezentacja stopnia obciążenia komponentów

Przeciążenie podzespołów

Podczas przeprowadzania symulacji istnieje możliwość obliczenia wartości prądów przepływających przez poszczególne komponenty. Porównanie otrzymanych wartości z maksymalnymi dopuszczalnymi, które zostały zapisane dla danego elementu w bibliotece, służy jako podstawa do analizy przeciążeń. Narzędzie audytu potrafirozpoznać typ podzespołu i dzięki temu może automatycznie dostosować odpowiedni model do symulacji. Jeśli dostępne są modele PSpice, wyniki można jeszcze bardziej doprecyzować. Co istotne, projektant nie musi niczego przygotowywać do wykonania takiej analizy – wszystkie wymagane wartości powinny być już dostępne w bibliotece. W przypadku braku wymaganej wartości zostaje wyświetlone ostrzeżenie i możliwość wprowadzenia brakującego parametru ręcznie.

 

Fot. 3. Fragment obwodu, który powoduje przeciążenie warunków pracy dla diody D3

W aplikacjach mocy wartość maksymalna prądu płynącego przez tranzystor MOSFET lub IGBT jest szczególnie istotna z punktu widzenia niezawodności, ponieważ przeciążone podzespoły mogą przedwcześnie ulec zużyciu lub uszkodzeniu. Dlatego audyt wyświetla obciążenie komponentów w procentach i co umożliwia łatwą orientację, które z nich są bardziej, a które mniej obciążone. Projektant ma możliwość poprawy warunków działania poprzez zmianę w układzie lub wymianę elementów na mocniejsze. Jest to ekonomiczne podejście, które pozwala na eliminację błędów już na bardzo wczesnym etapie, ponieważ ewentualna naprawa następuje w formie wirtualnej długo przed powstaniem dodatkowych kosztów związanych z produkcją prototypów lub koniecznością. Fragment obwodu, który powoduje przeciążenie warunków pracy dla diody D3 niecznością przeprojektowania.

Podczas analizy obwód jest dzielony w tle na części. Jeśli w raporcie wyświetlany jest obciążony komponent, można wyświetlić większe fragmenty, które zawierają wszystkie istotne komponenty dla tego wybranego elementu. Projektant może szybko ocenić, które inne elementy z podświetlonego obszaru mają wpływ na wartość płynącego prądu, a tym samym na stopień obciążenia (fot. 3).

Praca w podwyższonej temperaturze

Temperatura pracy danego obwodu elektronicznego w oczywisty sposób ma wpływ na niezawodność. Dlatego też stopień obciążenia poszczególnych obwodów w układzie elektronicznym można obliczyć dla różnych wartości temperatury. Kodowanie kolorami nisko, średnio i mocno obciążonych komponentów w różnych temperaturach pozwala uzyskać czytelne zobrazowanie wpływu temperatury na działanie urządzenia i poszczególne części układowe.

Przyczyny niepowodzeń

Istnieje wiele przyczyn błędów, na przykład takie, że wiele opracowanych wcześniej bloków jest ponownie wykorzystywanych jako gotowe moduły, dla których pierwotne założenia mogą nie być dobrze udokumentowane. Często zapomina się o tym, że w przypadku zmiany napięcia zasilania należy również odpowiednio dostosować niektóre wartości, aby utrzymać stałe warunki polaryzacji lub poziomy odniesienia. Podczas pracy zespołowej nad tworzeniem schematu często zapomina się o kondensatorach blokujących, na porządku dziennym pojawiają się otwarte lub nieprawidłowo zakończone linie.

Ocenia się, że około 40% błędów można przypisać nieostrożności podczas projektowania lub modernizacji istniejącego schematu. Dlatego dzięki automatycznym audytom najczęstsze błędy można zidentyfikować i natychmiast skorygować.

Typy audytów według kategorii

Podczas audytu schematu i analizy przeciążeń oprogramowanie sprawdza ponad 50 różnych reguł, które można aktywować indywidualnie oraz dodatkowo konfigurować. Działania te to między innymi sprawdzanie poprawności połączeń na schemacie, np. wykrywane są nie w pełni połączone (pływające) komponenty, nieodpowiednie przypisanie bitów do linii w magistrali, piny wejściowe bez sygnałów sterujących, piny wyjściowe bez obciążenia lub obwody z otwartym kolektorem bez rezystora podciągającego i podobne (fot. 4).

 

Fot. 4. Lista elementów kontroli elektrycznych w programie Allegro System Capture

Kolejna grupa reguł audytu dotyczy samych komponentów. Przykładami takich testów jest dopasowanie wartości napięcia do kondensatora blokującego, przypisanie wartości dla generycznych elementów pasywnych R, L, C oraz przypisanie wartości VoH i VoL.

W grupie protokołów sprawdza się, z jakimi rezystorami są połączone piny wejściowe (rezystory pull-up i pull- -down), czy polaryzacja par różnicowych jest prawidłowa, czy wartości rezystorów nie są za małe lub za duże oraz czy nie brakuje kondensatorów blokujących.

Obecnie procesy projektowe z użyciem oprogramowania eCAD różnią się głównie liczbą obsługiwanych testów i reguł. Spójność danych i zgodność z zasadami projektowania, takimi jak integralność sygnału, integralność zasilania, reguły produkcyjne oraz i montażu, zostały teraz rozszerzone o zasady składni (czyli gramatykę) na schemacie obwodu. Wczesne wykrywanie i unikanie błędów pomagają rozwijać elektronikę tanio i niezawodnie.

Tomasz Górecki, FlowCAD Poland

FlowCAD
tel. 58 727 90 90
www.flowcad.pl