Как правильно проектировать электронику

23.05.2023

Все электронные гаджеты, окружающие нас, были кем-то придуманы, формализованы в электрической схеме. Для них были спроектированы печатные платы, заказаны и установлены комплектующие, и в итоге было собрано готовое изделие. Каждый из этих этапов может быть реализован совершенно по-разному: от “ручной” самодеятельности до полностью автоматизированного цифрового подхода. В этой статье в блоге ЛАНИТ мы расскажем и покажем все уровни и варианты создания электронных устройств и подробно опишем новейшие технологии в проектировании электроники.

Начало

Сразу надо сказать, что каждый из подходов имеет право на существование. Сложность устройств может быть совершенно разной, и нет смысла использовать систему проектирования высшего класса для создания домашней цветомузыки. Так же необходимо относиться к изделиям с повышенными требованиями по надежности, электромагнитной совместимости, сверхвысокочастотными характеристиками и другими параметрами ― такие изделия не следует разрабатывать в САПР начального уровня или в САПР двадцатилетней давности, хотя иногда и такое можно встретить.

Уровень 0: ЛУТ и паяльник

На этом уровне печатная плата может изготавливаться из подручных средств и купленного в магазине фольгированного стеклотекстолита. Топология проектируется в Sprint Layout или Kiсad, печатается на лазерном принтере и переносится на фольгированный стеклотекстолит с последующим химическим травлением рисунка платы. Обычно такие изделия создают радиолюбители для домашнего использования. Нет никакой документации, кроме схемы и PDF Datasheet на микросхемы. Элементы покупают в магазине радиодеталей, сверловку и пайку производят вручную.

Иногда на этом уровне могут разрабатывать довольно качественные устройства небольшими партиями, заказывать их в Китае вместе с комплектующими и собирать готовые. Исходные проекты хранятся исключительно на ПК либо в облаке, очень редко ― в Git.

Уровень 1: Начальный уровень систематизации

то начальный уровень коммерческого предприятия по проектированию электронных изделий. Здесь уже есть некие шаблоны действий при разработке электроники, унификация действий и используемых схемотехнических и конструкторских приемов. Могут использоваться личные библиотеки элементов или даже библиотеки на уровне отдела. В обязательном порядке разрабатывается конструкторская документация, чаще всего вручную в отдельных CAD-системах. Исходные проекты печатных плат могут храниться локально на компьютерах пользователей или в лучшем случае централизованно на общем сервере.

Система проектирования печатных плат в основном P-CAD 2006, поддержка которого была давно прекращена, либо Altium Designer, если на предприятии пришло новое поколение разработчиков.

Связь с механическими CAD либо вообще отсутствует, либо осуществляется через нейтральные форматы STEP/Parasolid, при которых отсутствует двусторонний обмен между ECAD-MCAD, и модели в MCAD будут каждый раз состоять из импортированных новых моделей.

Уровень 2: Средний уровень систематизации

На этом уровне уже применяются системные подходы в проектировании. Есть единая библиотека элементов, которая используется только на уровне инженеров по разработке электроники. Может быть внедрена EDM-система (ECAD Data Management) для управления данными, хранения проектов, как, например, Altium On-Prem Enterprise Server (бывшее название Altium Concord Pro). Но эта система работает локально только на уровне отдела и не связана с другими подразделениями предприятия. Полноценная конструкторская документация выпускается либо вручную, либо с применением сторонних плагинов и дополнительных программ для оформления. Обмен данными с механическими CAD происходит либо через нейтральные форматы, либо с применением дополнительных плагинов для обмена данных, работающих только через EDM. Возможно, что присутствует в некотором виде PLM-система (Product Lifecycle Management), которая используется только как место хранения исходных проектов без настроенных процессов взаимодействия между отделами и полного жизненного цикла разработки изделия.

Уровень 3: Высокий уровень систематизации

Этот уровень подразумевает полноценное использование всех преимуществ ECAD-, MCAD- и PLM-систем для обеспечения целостного сквозного маршрута проектирования электроники. На предприятии используется общая полноценная библиотека компонентов, с которыми работают все отделы ― от разработчиков до технологов и менеджеров снабжения. Вся разработка фиксируется на каждом этапе в плане-графике. Задания на разработку выдаются через PLM-систему со ссылками на конкретные объекты в системе с описанием необходимых работ. Все результаты при каждом шаге также сохраняются в единую систему, настроена полная прослеживаемость изменений и процессы согласования и утверждения проектов.
Все печатные платы имеют полноценные электронные структуры и модели в MCAD, которые тоже состоят из полноценных библиотечных MCAD-моделей. Проекты плат и их модели являются подлинниками изделий, и при необходимости наличия бумажной документации она формируется в виде производных отчетов из этих подлинников. Есть связь между проектами печатных плат и MCAD с двусторонним обменом данных между системами. Применяются методы анализа разработок на каждом этапе: цифровое и аналоговое моделирование работы схемы SPICE Simulation, предтопологический анализ целостности сигналов платы, SI/PI топологические анализы, технологические DFM/DFA анализы собираемости печатных плат. К трехмерным моделям печатных узлов применяются технологии инженерного анализа: тепловые расчеты, механические, анализ надежности, отказоустойчивости и др.

Уровень 4: Enterprise уровень

На высочайшем уровне проектирования электроники отличие от третьего уровня заключается в применении систем Enterprise на каждом этапе. ECAD используется Siemens Xpedition или Cadence Allegro, PLM Teamcenter или Windchill, MCAD - NX, Creo. Такие системы предназначены для высокотехнологичных устройств, включающих в себя печатные платы на 20 слоев, тысячи компонентов, 300+ листов принципиальной схемы, сложнейшие правила проектирования и сотни дифференциальных пар. ECAD-системы среднего, а тем более начального уровня с такими задачами либо будут очень медленно и некорректно работать, либо совсем не смогут обеспечить стабильную работу.

При разработке таких устройств нередко применяются методы одновременной работы нескольких инженеров с одной принципиальной схемой и печатной платой. Делают это для того, чтобы ускорить процесс проектирования плат, поскольку высокотехнологичный сектор электроники обладает сильной конкуренцией. У каждого типа изделия в отрасли есть устоявшиеся нормативы по времени на разработку. Если компания сильно выбивается из этих сроков, то продукция попадет на рынок с задержкой, что приведет к упущенной прибыли.

Цена ошибки проектирования на каждом этапе слишком высока, поэтому нельзя обойтись без полноценного анализа всей цифровой модели устройства. На этом уровне разрабатывается его полный цифровой двойник и применяются технологии симуляции работы в реальных условиях. Иногда используют методы создания цифрового двойника производственной площадки, где будут производить изделия.

Сводка по всем уровням

Примерная таблица всех уровней выглядит так.

Понятно, что это условная классификация, и где-то может использоваться Enterprise ECAD без всякой PLM-системы, а где-то может быть дорогая и технологичная PLM. Однако печатные платы проектируются в старом P-CAD 2006, потому что “так сложилось”, есть огромный задел проектов в этом САПР, и переход на современные ECAD-системы откладывается.

Перечень комбинаций использования различных ECAD/PLM/MCAD тоже огромный. Есть самые различные системы, включая отечественные. Какие-то взаимодействуют между собой лучше, какие-то хуже. Существуют нейтральные форматы обмена данных между системами, и разработано множество конвертеров форматов между ними. Нужные САПР определяются по степени сложности проектируемых изделий. На сегодняшний момент выбор делают между следующими системами, и красным выделено то ПО, работу которого мы сегодня рассмотрим.

Почему именно такая комбинация?

Будем ориентироваться и описывать уровень высокой третьей степени систематизации. Рекомендовать всем предприятиям Enterprise-уровень нецелесообразно, поскольку далеко не все выпускают высокотехнологичные изделия. Стрелять пушкой по воробьям будет очень дорого и больно, поэтому для широкой аудитории необходимо использовать наиболее распространенные системы.

ECAD

В качестве ECAD выступает Altium Designer как наиболее популярная система в среднем сегменте. У многих предприятий накоплен большой задел проектов и большой опыт работы в ней. К тому же, Altium-комьюнити в России наиболее активное, поэтому описать, как можно работать в этой системе, применяя новейшие подходы и технологии, будет очень полезно.

Это разделение всех мировых ECAD-систем по уровням сложности.
Altium Designer исторически занимает в России лидирующее место по использованию на предприятиях. Компания Altium проводила регулярные вебинары, обучение и другие различные активности в стране, что способствовало её популяризации. Для Altium Designer создано множество различных дополнений, интеграций и скриптов, которые помогают инженерам в их привычной работе, расширяя и дополняя имеющийся функционал программы.

PLM

В качестве PLM- и MCAD-систем мы будем использовать продукты компании Siemens. Siemens Teamcenter PLM ― одна из систем для обеспечения полного сквозного проектирования изделий. По полноте функционала и интеграциям с различными ECAD и MCAD эта система находится на лидирующих позициях.

PLM-системы долгое время применялись для крупного машиностроения, и поддержка разработки электроники для них не являлась приоритетной задачей, поэтому она возникла относительно недавно. Появились специальные объекты внутри системы для управления проектами печатных плат, разработан специальный модуль Teamcenter Electronic Design Automation (EDA), который обеспечивает связь между Teamcenter и множеством ECAD-систем, включая Altium Designer.

MCAD

В качестве MCAD рассмотрим Siemens NX. Это CAD/CAM/CAE-система высочайшего класса, которая нативно поддерживается Teamcenter PLM. В ней работают множество компаний, например, Boeing, Bosch и команда F1 Red Bull Racing.

Для электроники в NX имеется специальный модуль PCB Exchange, который позволяет работать с 3D-моделями печатных плат и их компонентами.

Почему не используем EDM?

Для управления проектами электроники существуют специальные EDM-системы (ECAD Data Management). Они разрабатываются вендорами самих ECAD-систем, поэтому идеально взаимодействуют с нативными проектами печатных плат и управляют компонентами. EDM будет лучшим решением для работы с ECAD-данными при отсутствии внедренной PLM-системы на предприятии. Например, при настройке Altium On-Prem Enterprise Server можно получить управление и версионность компонентов, серверное хранение проектов, онлайн-просмотр схем и плат, комментарии соисполнителей прямо в файлах Altium Designer и даже workflow-процессы для согласования.

Но если на предприятии подразумевается использование полноценной PLM, то все эти плюсы превращаются в проблемы.

1. Синхронизация элементов в EDM и PLM. Это не всегда доступно и далеко не со всеми PLM возможно.
2. Исходные проекты плат находятся в EDM, и необходимо их выгружать каким-то образом в PLM, получая дубли данных.
3. Workflow-процессы в EDM отдельные и никак не связаны с процессами внутри PLM, поэтому теряется прослеживаемость и связанность заданий.
4. Для EDM нужны отдельные серверные мощности, администратор, средства на лицензирование и настройку.
5. Сложность полноценной интеграции с MCAD в связи с использованием элементов из разных баз в ECAD и MCAD.

На данный момент функционала ECAD Data Management-систем полностью хватает, чтобы проектировать электронику в закрытом контуре (от полностью сквозного проектирования (идеи и планирования) до производства (сборки и поставки готовых изделий)). Мы же ориентируемся на систему, которая позволяет встроить процесс разработки плат в единый маршрут создания устройств.

Так как же правильно разрабатывать электронику?

Точкой старта является PLM-система, в которой планируется разработка изделия с конкретными характеристиками и требованиями. Все сотрудники предприятия имеют свои учетные записи в системе Teamcenter, и за каждым закреплены определенные роли в соответствии с их должностными обязанностями. При проектировании электронной составляющей изделия сначала определяют конкретные требования к системе, разрабатывают структурную и функциональную схемы изделия, затем принципиальную схему всего устройства и доходят до уровня разработки печатных плат, где уже и будет вступать в работу ECAD.
В этом процессе могут участвовать различные отделы ― схемотехнический, конструкторский, отдел инженерных расчетов, технологический, производственный и т.д. Задания на разработку создаются и отслеживаются в Teamcenter. Все промежуточные этапы разработки также фиксируются и сохраняются в PLM. Окончательно разработанные устройства согласовываются, подписываются и утверждаются тоже в единой системе.

Кратко процесс разработки печатной платы можно описать так:

• создание нового проекта Altium Designer (из Teamcenter),
• разработка принципиальной схемы (+симуляция, моделирование),
• согласование габаритов печатной платы, крепежных отверстий,
• компоновка элементов на плате,
• разработка топологии (+посттопологический анализ),
• сохранение проекта в Teamcenter с получением электронной структуры,
• создание 3D-модели платы в NX, загрузка IDX,
• размещение дополнительных механических элементов на сборке,
• проведение необходимых инженерных расчетов,
• сохранение готовой 3D-модели платы с элементами в Teamcenter.

Такой процесс не является линейным. Некоторые этапы могут идти параллельно: часто необходимо внести изменения в схему во время проектирования платы либо в топологию при вставке модели платы в сборку изделия. Взаимные переходы от одного процесса к другому являются важными для скорости и эффективности разработки. Все изменения схемы должны автоматически появляться у конструктора платы, все изменения конструкции платы должны появляться у конструктора прибора, и руководители должны видеть весь прогресс проектирования изделия в реальном времени на любом этапе. Этим и отличается сквозной прослеживаемый маршрут проектирования без разрывов в данных, ручных бумажных документов, очных заданий и поручений.

База элементов

У Altium Designer есть множество способов работы с библиотеками элементов. Обычные файловые библиотеки и интегрированные не подходят для системного подхода ― для внесения новых атрибутов или элементов необходимо будет добавлять новые или вносить изменения в имеющиеся библиотеки. Эту проблему решает база элементов с подключением к СУБД.

Altium Designer можно подключить и Excel/Access-базе, но в разрезе взаимодействия с PLM-системой это приведёт к необходимости постоянной синхронизации баз. Тем более, что есть проблемы с таблицами от Microsoft с одновременными внесениями изменений, с разграничением доступа и подключением к базе из различных версий 32/64 битных Altium Designer и XLSX/ACCDB.

Поэтому лучшим вариантом для ECAD-системы будет подключение напрямую к базе элементов в PLM-системе. В Teamcenter для этого есть модуль «Классификатор», тем самым мы имеем непосредственное отображение элементов PLM-системы в Altium Designer, включая все атрибуты и библиотеки:

Любое изменение в Teamcenter, внесение нового элемента или изменение и добавление параметров автоматически будут отображены в Altium Designer без необходимости какой-либо синхронизации баз данных.

Применение единой базы элементов на всём предприятии является основой для сквозного маршрута проектирования, в том числе и для электроники. Радиоэлектронный элемент в единой базе — это целая система объектов, параметров, библиотек и 3D-моделей. В классическом понимании ― это не только строчка в базе данных, но еще и множество объектов, подключенных к этому элементу в PLM-системе:

В PLM-системе ECAD-компонент — это целая система объектов и отношений:

• символ (файл библиотеки с условным отображением элемента на схеме),
• посадочное место (файл библиотеки с посадочным местом на плате для корпуса компонента),

Работа с проектами плат

Для интеграции ECAD Altium Designer с Teamcenter PLM компанией XPLM разработан специальный модуль EDA Connector, который встраивается в интерфейс Altium и позволяет открывать проекты, сохранять и даже отправлять их на согласование.

При сохранении проекта в PLM происходит его компиляция и проверка по определенным правилам, например, на использование только библиотечных PLM-компонентов. При этом в Teamcenter создается полный набор данных проекта, объект схемы и печатной платы со всеми необходимыми отношениями. Файл проекта и все листы схемы попадают в набор данных к схеме, файл печатной платы pcbdoc ― в набор данных к объекту печатной платы. При этом имеется полная поддержка как иерархических проектов, так и проектов с вариантами, которые в PLM будут сохранены как полноценные отдельные исполнения платы.

Одновременно с сохранением всего проекта создается и полная электронная структура, состоящая из всех элементов принципиальной схемы. В ней компоненты являются библиотечными PLM-объектами со всеми их отношениями, библиотеками, 3D-моделями и параметрами. Из такой структуры можно создать и технологический состав с распределением по цехозаходам, и перечень комплектации для заказа комплектующих, а также сформировать конструкторскую документацию, например, перечень элементов.

Интеграция ECAD-MCAD

Модель платы из Altium Designer можно выгрузить в нейтральных форматах STEP/Parasolid и потерять при этом связь с проектом, получить полностью нейтральные элементы в MCAD без всякого соотношения с PLM-системой, без свойств элементов и материалов. К тому же, при этом не будет никакой информации о стеке печатной платы, зонах запрета размещения, гибких частях печатной платы и т. д.
Для обмена данными между ECAD и MCAD-системами компанией Mentor Graphics был разработан специальный формат IDF, который впоследствии был модернизирован в формат IDX, который уже поддерживает двусторонний обмен данными. Формат IDX имеет три типа файлов:

• baseline (полный файл, содержащий все элементы платы),
• changes (инкремент изменений относительно baseline),
• response (файл ответа на изменения относительно baseline).

Altium Designer поддерживает формат IDX2.0, который создаётся через плагин MCAD IDX Exchange. Его можно установить через меню Extensions & Updates. Если сильно упрощать, он не содержит в себе самих моделей из Altium Designer, а только имя посадочного места, ID компонента и координаты элемента на плате:

• ECAD Baseline.idx, пример описания одного конденсатора C19,

<pdm:ItemInstance><pdm:InstanceName>
<foundation:SystemScope>ECAD_SYSTEM</foundation:SystemScope>
<foundation:ObjectName>C19</foundation:ObjectName></pdm:InstanceName>
<pdm:Transformation>
<pdm:TransformationType>d2</pdm:TransformationType>
<pdm:xx>1</pdm:xx>
<pdm:xy>-0</pdm:xy>
<pdm:yx>0</pdm:yx>
<pdm:yy>1</pdm:yy>
<pdm:tx>
<property:Value>111.9</property:Value>
</pdm:tx>
<pdm:ty>
<property:Value>30.6</property:Value>
</pdm:ty>
</pdm:Transformation>
<pdm:Item>Bar_Cap_4x5.4_EC_C_00000032</pdm:Item></pdm:ItemInstance>

• Bar_Cap 4x5.4 — это имя посадочного места, к которому в PLM подключена 3D модель,
• EC_C_00000032 — это уникальный ID конкретного библиотечного компонента,
• C19 — это позиционное обозначение элемента на схеме и плате.

При загрузке файла IDX в систему NX с помощью модуля PCB Exchange создаётся полная сборка платы. Все элементы являются нативными моделями NX и PLM объектами со всеми связями, атрибутами, применимостью и материалами.

При использовании формата IDX между Altium Designer и NX доступен двусторонний обмен изменениями. После их внесения в печатной плате формируют файл changes.idx, который можно загрузить в NX и без переформирования сборки произвести все изменения, сохранив связи и применяемости 3D-сборки. Также работает и в обратную сторону: NX может сформировать инкремент изменений, после загрузки которого в Altium Designer можно получить все предложенные изменения со стороны MCAD.

Резюме

Использование PLM-системы при разработке электроники позволяет встроить отделы, занимающиеся проектированием принципиальных схем и печатных плат, в единый сквозной маршрут с полноценным обменом данных между сотрудниками. Сохранение проектов печатных плат в PLM-системе и получение электронных составов является основой для последующих работ конструкторов изделий, технологов, отдела инженерных расчетов, службы снабжения и других.

Имея полноценные модели платы в MCAD и PLM-системах, можно проектировать электрические кабельные системы, объединяя несколько плат между собой и подключая их к другим элементам устройства. Выполнять сложные инженерные, тепловые и механические расчеты, расчеты надежности. Данные сохраненных проектов можно применять для автоматизированных рабочих мест на производстве и непосредственного отображения информации о плате на экране мониторов. В перспективе проект и модель платы должны являться электронным подлинником, из которого в любой момент времени можно сформировать нужные текстовые документы.

Благодарю, что дочитали статью до конца. Мы, специалисты департамента цифровой трансформации машиностроения ЛАНИТ, будем рады услышать ваше мнение в комментариях.

Полезные ссылки
Комьюнити:

1. Чат в телеграм по Altium Designer
2. Чат в телеграм по Siemens EDA
3. Форум по Altium
4. Форум по Siemens EDA

Библиотеки элементов для Altium Designer:

1. CERN ALTIUM LIB, август 2022
2. Celestial Library
3. Ultra Librarian
4. CDEblog library

Скрипты и плагины для Altium Designer:

1. altium-scripts-libraries
2. https://web.archive.org/web/20210615220228/https://altium-u.ru/articles/10-skriptov-dlya-altium-designer/
3. Boastools плагин для Altium Designer
4. http://cad-design.ru/instruments.html

Быстрый старт с Altium Designer
Бесплатный Altium Viewer

Источник:  habr.com