PCB设计流程和原型设计

2020-03-23

本文(wén)解释了原型设计和产品开发在PCB设计流程中的重要性。在解释了两个阶段之间的差异之后，继续描述了最适合设计流程每个阶段的各种工具。 PCB设计基础知识系列是Internet上的免费资源，可(kě)用(yòng)于學(xué)习印刷電(diàn)路板（PCB）的原型。这些资源的选择包括术语介绍，设计好的实践以及诸如原型制作之类的其他(tā)内容。、

介绍

尽管PCB设计流程可(kě)以通过多(duō)种方式进行划分(fēn)，但一般将其视為(wèi)具有(yǒu)两个基本阶段：原型设计和产品开发。

原型设计发生在设计的最早阶段，涉及单个工程师研究如何定义特定系统或应用(yòng)程序。此阶段的实验性质对于能(néng)够开发符合规格的硬件至关重要。设计经过验证后，可(kě)以传递到设计流程的后期（即产品开发）。原型制作阶段的最终目标是拥有(yǒu)一款准确，高效且符合规格的成功产品。您希望通过尽可(kě)能(néng)少的原型迭代来完成此任務(wù)，以充分(fēn)化时间和资源。

产品开发是关于使PCB為(wèi)最终应用(yòng)做好准备。该原型已经满足设计规范（滤波，放大，采集，测量等），现在可(kě)以采用(yòng)该设计并使用(yòng)设计中的优质实践来实施它。大多(duō)数公司的个人都是布局专家，并且参与产品开发。在此设计阶段，您正在开发制造产品，因此，您担心增加产品良率和减少制造再生产。 

了解这种差异非常重要，因為(wèi)有(yǒu)各种工具最适合设计流程的每个阶段。尽管可(kě)以為(wèi)产品开发委员会提供布局专家，但研究人员通常是领域专家。领域专家需要能(néng)够快速设计，而不必是原理(lǐ)图捕获，仿真或布局方面的专家。

例如，要进行原型制作，您需要能(néng)够：

快速定义電(diàn)路原理(lǐ)图

您需要使用(yòng)更高分(fēn)析技术来验证電(diàn)路行為(wèi)

轻松将原理(lǐ)图传输到布局

准确验证设计的行為(wèi)

对于PCB设计基础知识，我们将专注于原型设计阶段，并帮助您（个人设计师）了解有(yǒu)关开发PCB原型的更多(duō)信息。

我们可(kě)以将上图所示的原型制作阶段（“设计”>“原型制作”>“验证”）分(fēn)為(wèi)四个步骤：零件研究和选择，原理(lǐ)图捕获和仿真，電(diàn)路板布局以及验证和确认。

為(wèi)什么要原型？

进行原型制作有(yǒu)六个主要原因：

尽早而廉价地失败：  真正的创新(xīn)总是会包含失败的风险。通过构建原型，您可(kě)以快速淘汰那些无效的方法，而将精力集中在那些有(yǒu)效的方法上。

收集更准确的需求：  由于需求不足，几乎所有(yǒu)项目成本中的一半归功于返工。通过开发一个有(yǒu)效的原型，您可(kě)以演示该功能(néng)，以帮助巩固最终设计的要求。

从技术上理(lǐ)解问题：  通过开发功能(néng)原型，您可(kě)以解决设备设计中可(kě)预见的和不可(kě)预见的技术挑战。然后，当您转移到最终部署的解决方案时，可(kě)以将这些解决方案应用(yòng)于更优雅的系统设计。

解决冲突：  利用(yòng)原型平台，您可(kě)以快速进行该功能(néng)的几种不同实现，并基准测试结果性能(néng)，以分(fēn)析每种方法的权衡。这样可(kě)以节省时间，但也可(kě)以确保您做出正确的设计决策。

集会财務(wù)支持：  通过开发一个原型来演示您的想法的可(kě)行性，可(kě)以降低投资风险，因此可(kě)以提高您的想法获得资助的可(kě)能(néng)性。

更加轻松地申请专利：  尽管不再需要专利，但原型仍然是证明“减少实践”的好的和最安全的方法。此外，可(kě)以通过原型制作过程来开发专利申请的关键组件，例如专利图纸和发明人的日志(zhì)。

PCB设计流程-步骤1-零件研究与选择

甚至在设计之前，工程师都必须能(néng)够选择将使電(diàn)路起作用(yòng)的组件。有(yǒu)许多(duō)半导體(tǐ)制造商(shāng)，包括模拟设备，美國(guó)半导體(tǐ)，恩智浦，罗姆，凌特公司，安森美半导體(tǐ)和德州仪器（TI），其制造的设备可(kě)以满足各种规格要求。工程师可(kě)以使用(yòng)多(duō)种方法来研究零件，包括：

有(yǒu)关半导體(tǐ)性能(néng)的数据表；ADI公司通过其“ 评估硬件和软件”页面提供了许多(duō)产品供评估。

可(kě)以下载仿真工具并将其用(yòng)于评估该制造商(shāng)的组件。

PCB设计流程-步骤2-原理(lǐ)图捕获

原理(lǐ)图捕获涉及对元件（電(diàn)阻器，電(diàn)容器，放大器，比较器等）进行符号表示，然后将它们接線(xiàn)在一起，形成一个直观的图表，可(kě)以轻松查看以了解電(diàn)路的功能(néng)。原理(lǐ)图的目的是从理(lǐ)论的角度查看電(diàn)路的构建块。

原理(lǐ)图由组件符号和電(diàn)線(xiàn)（也称為(wèi)网络）组成。 

PCB设计流程-步骤2b-仿真

SPICE Simulation是電(diàn)路组件仿真的行业标准。仿真可(kě)用(yòng)于评估虚拟环境中现实世界组件的行為(wèi)，从而使您可(kě)以在设计流程中更早地对设计进行高分(fēn)析。通过在原型设计的最早阶段可(kě)视化電(diàn)路的行為(wèi)，可(kě)以减少错误并提高性能(néng)。工程师通常会构建其设计原理(lǐ)图，然后模拟并可(kě)视化其特征。

除了SPICE，还有(yǒu)其他(tā)语言和参数可(kě)以模拟電(diàn)路，包括PSpice和HSpice。

要了解有(yǒu)关仿真的更多(duō)信息，请查看SPICE仿真基础知识。 

 PCB设计流程-步骤3-電(diàn)路板布局

完成后的原理(lǐ)图将转移到電(diàn)路板布局。原理(lǐ)图中的每个符号都与焊盘图形关联。焊盘图形直观地表示了IC或半导體(tǐ)封装的物(wù)理(lǐ)尺寸。焊盘图案将组件（例如运算放大器）的符号转换為(wèi)8引脚矩形封装。在電(diàn)路板布局阶段，定义了设计，因為(wèi)最终将在原型化时看起来。这意味着定义電(diàn)路板轮廓，放置零件，在铜零件之间建立连接，然后最终导出以进行制造。

 PCB设计流程-步骤4-验证与确认

電(diàn)路板制造完成后，工程师需要验证原型的行為(wèi)。一旦通过验证，就可(kě)以将其移交给产品开发并為(wèi)制造做好准备。验证需要从電(diàn)路板上进行测量，并确保真实性能(néng)满足模拟性能(néng)（或规格）。