Взаимодействие инженера-схемотехника и инженера-конструктора

Евгений Махлин

Сейчас, в условиях экономического спада и все
более острой конкуренции, скорость выполнения новых разработок приобретает еще
большее значение. Любую возможность экономии
ресурсов компании нужно использовать с максимальной отдачей, работая на укрепление финансового положения компании и повышая ее технологический уровень.

Рост производительности труда отдела разработки и существенное сокращение сроков выхода новых проектов может позволить компании не только
сохранить рентабельность в тяжелых условиях,
но и отвоевать существенную часть рынка у конкурентов.

Как сократить сроки
выполнения разработок?

Самый очевидный и наиболее простой из реально действующих в мире способов ускорения разработок — это передача их отдельных этапов на аутсорсинг, внешним компаниям-подрядчикам. Наиболее часто передается сторонним подрядчикам
операция проектирования печатных плат (или, как
принято говорить в России, «трассировка»). Однако
если пять-десять лет назад «трассировку» могли выполнять специалисты невысокой квалификации,
не имеющие знаний в схемотехнике, то сегодня такая работа требует наличия у инженера-конструктора серьезных знаний и опыта в области электроники. Особенно это важно для сложных цифровых
и цифро-аналоговых схем, содержащих микропроцессоры, сигнальные процессоры, ПЛИС, телекоммуникационные чипы, быстродействующую память
и т. д. Сформулировать техническое задание на такую печатную плату довольно непросто, поэтому
разработчики схемы, как правило, предпочитают выполнять трассировку своей платы самостоятельно.

Правильно ли то, что схемотехник
сам «трассирует» печатные платы?

Сегодня в России бытует мнение, что инженерусхемотехнику быстрее и проще самостоятельно выполнить дизайн печатной платы, чем составлять полноценное техническое задание для инженера-конструктора. Однако зарубежный опыт последних
десятилетий показывает, что это мнение неверно
и приводит к катастрофическому падению эффективности отделов разработки. Ведь процесс проектирования печатной платы средней насыщенности
может отнимать от трех до десяти рабочих недель.
А это означает, что заниматься проектированием печатной платы должен профессионал именно в этой
области, узкий специалист — инженер-конструктор
печатных плат.

Более того, в мировой практике, особенно в Европе и США, где вопросу эффективности уделяют огромное внимание, практически не осталось компаний, разрабатывающих электронику и при этом выполняющих проектирование печатных плат своими
силами. Большинство проектов отдается на аутсорсинг в специализированные дизайн-центры. Связано это с тем, что проектирование многослойных плат
сегодня превращается в отдельную, непростую науку, и потому заниматься этим делом должен специалист, посвящающий изучению таких вопросов все
свое рабочее время. А у разработчика-схемотехника
есть множество своих задач, связанных с изучением
и подбором компонентов, с программированием,
моделированием, отладкой приборов и т. д.

Безусловно, в процессе проектирования печатной
платы инженер-конструктор должен практически
ежедневно взаимодействовать с разработчиком схемы, чтобы с максимальной отдачей использовать как
свой опыт и знания, так и информацию, которой владеет разработчик.

Можно ли наладить взаимодействие
между разработчиком
и конструктором?

Как обеспечить необходимый уровень доверия и взаимосвязи между инженерами-схемотехниками и инженерами-конструкторами печатных плат? Особенно если проект представляет собой многослойную печатную плату
высокой плотности и содержит множество скоростных компонентов, для каждого из которых
определены весьма жесткие правила размещения и трассировки? Как можно доверить проектирование платы инженеру-конструктору,
расположенному «удаленно», и может ли разработчик схемы не участвовать лично в проектировании своей платы? Это возможно, если
деятельность КБ основана на принципе ежедневной обратной связи конструктора с разработчиком. Такой принцип предполагает, вопервых, качественное, быстрое, технически безупречное выполнение проектов печатных плат
со стороны КБ и, во-вторых, ясную, четкую постановку задач и требований со стороны заказчика (разработчика схемы).

Как обеспечить взаимопонимание
и исключить ошибки в разработке?

Руководителю КБ необходимо уделять огромное внимание установлению надежных
и крепких связей с инженерами-схемотехниками. Это осуществляется на уровне проведения обучающих семинаров, мастер-классов,
личных встреч с разработчиками, а также на
уровне выяснения требований на стадии получения технического задания. Только совместные усилия разработчика схемы и инженера-конструктора ведут к успеху проекта.

Автору хотелось бы в рамках этой статьи
затронуть основные факторы, которые показывают важность такого взаимодействия.
В последующих статьях цикла мы рассмотрим другие факторы, влияющие на эффективность разработки.

О библиотеке компонентов

Итак, вначале поговорим об определении
имени компонента в схеме и на печатной плате, или, как говорят конструкторы, «посадочного места» (Footprint).

Мы будем показывать примеры, основываясь на возможностях программы для проектирования схем OrCAD и редактора топологии печатных плат Cadence Allegro. Обе эти
программы являются частью маршрута проектирования ПП фирмы Cadence. Эффективное использование возможностей этих программ позволяет добиться полного взаимодействия между схемой и трассировкой.
Но даже если вы пользуетесь другими программными средствами, приведенные в данной статье правила помогут вам правильно
организовать работу КБ.

Существует несколько способов определения имени посадочного места:

1. Имя согласно part number фирмы-производителя (например, C0603C104K8RACTU).
2. Имя согласно каталогу фирмы-поставщика
   (например, Farnell_1640032).
3. Имя согласно типу корпуса компонента (например, C0603).
4. Имя согласно рекомендациям IPC (например, CAPC1608X80N).
5. «Умное имя», которое сочетает в себе преимущества четырех вышеперечисленных методов и о котором мы поговорим подробнее.

У всех этих способов есть преимущества
и недостатки. В конечном счете, каждая фирма выбирает свой метод. Мы лишь поделимся с вами своим опытом.

Перед инженером изначально стоит трудная задача в выборе компонента. Это и функциональность, и размеры, и, конечно, цена.
А иногда необходимо собрать воедино несколько взаимозаменяемых компонентов, или,
как мы говорим, создать «опциональный футпринт». То есть футпринт, который бы соответствовал нескольким компонентам разных
производителей. Это позволяет в зависимости от цены, условий поставки и ряда других
факторов использовать компонент той или
иной фирмы-производителя.

С другой стороны, в компании обычно трудится не один инженер-конструктор, а целая
группа, или даже несколько групп. Желательно, чтобы все они пользовались ЕДИНОЙ «библиотекой посадочных мест» (базой данных
«футпринтов»). Это существенно повышает
эффективность работы каждого инженера.

Есть и еще одна особенность. Желательно, чтобы название футпринта было бы «понятным»
для конструктора печатных плат. Зная и понимая, что означает имя посадочного места, опытный разработчик заранее проиграет сценарии
компоновки и разводки элемента на плате.

Рассмотрим несколько примеров.

BGA-компоненты

Рис. 1. Примеры BGA-компонентов

Рекомендации по формированию имени посадочного места в библиотеке (рис. 1):

• Указывайте количество выводов в BGA:
  BGA_256, BGA_625 и т. д.
• Если корпус керамический, то желательно
  указать это: СBGA_256, где С означает керамический корпус.
• Если у вас в базе данных есть несколько
  таких компонентов, то надо вводить дополнительные индексы. Например, индексы, указывающие на расстояние между выводами в BGA: 1mm, 0.8mm и т. д. Тогда
  футпринт может иметь следующее имя:
  CBGA_256_1mm, BGA_625_0_8mm.
• Разделять части имени компонента желательно знаком «_» (подчеркивание), и ни
  в коем случае не пробелом, +, *, &, ^, ! и другими подобными знаками.
• Количество выводов компонента в схеме
  должно совпадать с количеством выводов
  в футпринте. Если выводы никуда не подключаются, их все равно необходимо указать в схеме, а номера их указывать как
  NC1, NC2 и т. д. (Речь идет об OrCAD,
  но аналогичную систему можно использовать и в других САПР.)
• Аналогично предыдущему пункту выполняем выводы, подключенные к «земле»
  (GND1, GND2, GND3…) или к питанию
  (VCC1, VCC2, VCC3…).

Разъемы

Рис. 2. Примеры разъемов

В имени разъема нужно указывать (рис. 2):

• Тип корпуса (например, RJ).
• Количество выводов.
• Прямой тип или угловой под 90°.
• Наличие выводов под запрессовку (индекс PF).
• Розетка или штыри (Female или Male).

Если в разъеме есть крепежные отверстия,
то их не описывают в схематике, а в определении футпринта в печатной плате они существуют как механические отверстия.

Микросхемы

Рис. 3. Примеры посадочных места микросхем

В имени микросхем нужно указывать (рис. 3):

• Тип корпуса (TSSOP, SSOP, SOP, TQFP…).
• Количество выводов (TSSOP_20, TQFP_48…).
• Шаг выводов (TSSOP_20_0_5mm).
• Иногда надо указать высоту или габариты
  компонента (SO_8_5mm).
• Если под корпусом есть открытая термоплощадка, не забывайте указывать ее как дополнительный вывод в схеме и отражать это
  в имени футпринта.

Механические отверстия

Механические отверстия (рис. 4), подключенные к GND или другой цепи, а также просто крепежные отверстия нужно описывать
как отдельный футпринт.

Рис. 4. Примеры библиотечных элементов — механических отверстий

В его имени желательно указывать диаметр
отверстия и диаметр площадки. Например:

• Hole_2PL_6mm— механическое отверстие
  диметром 2 мм, металлизированное, с диаметром площадки 6 мм.
• Hole_3_2mm_NPL — механическое отверстие,
  неметаллизированное, диаметром 3,2 мм.

Реперные точки

Опытным разработчикам известно назначение реперных точек (FIDUCIAL): они обеспечивают точное позиционирование автоматов для установки компонентов на плату. Чтобы конструктор не забыл их поставить на ПП,
их также желательно добавить в схематику
как «символ с одним выводом», который никуда не подключен (например, NC в системе
OrCAD).

Имя такого футпринта: FIDUCIAL, или FID.

Реперных знаков (рис. 5) должно быть минимум по 3 шт. на каждую сторону печатной
платы.

Рис. 5. Пример реперного знака

Диоды и конденсаторы

В диодах (рис. 6) указывайте не номера выводов (1 и 2), а Anode и Cathode. Или «A» и «C».

Рис. 6. Пример диода

В полярных конденсаторах всегда нумеруйте положительный вывод как номер 1 и указывайте это как «правило нумерации полярных выводов» в техническом задании.

Дополнительная маркировка
на печатной плате

Если у вас есть какие-то дополнительные
символы на плате, такие как логотип компании, надписи, наклейки, знак Lead Free и т. д.,
определите их как символы на схеме. Тогда
после внесения списка цепей в проект ПП
разработчик не забудет установить их на плату, а вы всегда сможете проверить наличие
этих символов в спецификации (или списке
BOM).

Некоторые правила
для разработчика

Необходимо помнить еще несколько правил и неукоснительно их выполнять. Такие
требования мы предъявляем к заказчикам, которые размещают заказы на проектирование
печатных плат в нашем КБ. Но они же будут
полезны и во внутрифирменном взаимодействии между разработчиками и инженерамиконструкторами.

Если вы хотите изменить футпринт (заменить его на другой, изменить его тип, форму,
количество ножек, шаг выводов и т. д.), необходимо дать ему новое имя. Никогда не пользуйтесь старым именем футпринта для нового компонента или для изменений свойств существующего.

Об изменениях в имени или добавлении нового вида обязательно сообщайте разработчику печатной платы.

Высылайте дизайнеру печатной платы
datasheet, названный именем футпринта, который вы завели в схеме. Желательно не высылать весь файл, а только необходимый фрагмент, или указывать, какой номер страницы
и параграф в datasheet надо использовать инженеру-конструктору. Это сэкономит время
для поиска необходимой информации и упростит задачу определения компонента в библиотеке, а значит, снизит вероятность возникновения ошибок.

Заключение

Соблюдение этих нехитрых правил позволяет правильно строить компоненты, указанные на схеме, преодолевая один из самых важных этапов конструирования печатных
плат — построение библиотеки — быстро
и без ошибок. Что, в свою очередь, повышает
скорость выполнения проектов, а значит, и эффективность работы отдела разработки, и способствует более быстрому выходу компании
на рынок с новыми изделиями.