Системный подход к проверке схем и печатных плат

Современная экономическая ситуация создает определенные требования к организации разработки и производства электронных устройств, которые направлены на достижение максимальных результатов и прибыльности проектов. На сегодняшний день процесс создания электрических схем (ЭС) и выполнения трассировки печатных плат значительно упрощен. Производители электронных компонентов добавляют в свои изделия все больше функциональных возможностей, выкладывают подготовленные модели, условно-графические обозначения и даже готовые чертежи. Некоторые веб-ресурсы позволяют автоматически генерировать источники питания, фильтры и многое другое.

Несмотря на это даже при проектировании простых печатных плат возникают ошибки, которые впоследствии могут значительно повлиять на работоспособность и функциональность электронного устройства. Рассмотрим, как избежать сбоев и дефектов печатных плат на примере системного подхода, применяемого специалистами «Третий пин».

Вначале хотелось пояснить, что в данной статье мы не будем говорить о проверке правил проектирования (DRC), контроле подключения питания и заземления (ERC). Вопрос затронет тему анализа правильности разработки ПП при помощи проверки и составлений рекомендаций по отладке другим инженером-проектировщиком, для которого схема не настолько знакома и не «замылила» глаза, что возможно пропустить ошибки.

Без четко выработанной системы проверка печатных плат может не гарантировать точного определения всех неточностей. Такой процесс приводит к затягиванию сроков проведения отладки и дополнительным итерациям разработки, которые не предусмотрены бюджетом проекта. Опираясь на эти ограничения, наши инженеры разработали и ввели перечень проверок, которые помогают нам идентифицировать и отсеять наиболее распространенные ошибки проектирования ПП.

Заметим сразу, что мы старались не включать в список узкоспециализированные пункты для того, чтобы предложенный метод был одинаково актуален проектов разной степени сложности. Для сложных мест в цифровой схемотехнике мы используем чек-листы, поставляемые производителями микросхем.

Как только печатная плата, по мнению инженера, полностью готова, проведена компоновка отдельных узлов ЭС, трассировка и оформление чертежей, выполняется верификация конструкции. Для этого в системе управления проектами (мы используем Redmine) другому разработчику ставится задача по проверке. Рецензент обязательно должен иметь опыт и знания в проектировании ПП. Так же ему необходимо будет изучить требования ТЗ и дополнительные материалы. Время на выполнение этой задачи должно быть заложено еще на стадии планирования проекта. При этом важно рецензенту не обрушиваться с критикой сразу на разработчика. Основная цель — помочь достигнуть результата и выполнения условий проекта.

После ознакомления с заданием рецензент в комментарии к задаче копирует перечень проверок и оставляет пометки, используя следующее обозначение:

• «+» или «-» при прохождении или невыполнении пунктов чек-листа;
• курсив для рекомендаций и вопросов, которые возникают в ходе работ;
• выделение жирным для пометки явных ошибок.

Как показывает практика, после рецензирования обычно происходит прояснение непонятных моментов, устное обсуждение комментариев, которые могут в итоге корректироваться. Для примера приводим текст перечня из нашей базы данных, составленного с ориентации на специфичные моменты для САПР Altium Designer.

Как правило, при проектировании печатных плат мы используем иерархические многостраничные схемы, для которых на каждом листе рецензент проводит повторение пункта «Блок». Для простых ПП все этапы анализа размещаются на одном листе.

При проверке новых компонентов выполняется оценка электрической схемы по списку из задачи в Redmine и по Datasheet, где отслеживаются следующие компоненты:

• назначение;
• номера контактов;
• посадочное место;
• соответствие ссылок на описания.

Кроме этого, рецензент фиксирует в отчете part number, представляющий собой уникальный код завода-изготовителя.

При проверке первого листа многостраничной схемы проводится оценка настроек проекта, включающую настройку компилятора и поле ревизии, которая используется в последующей генерации документации. При обнаружении ошибок выполняется компиляция.

На следующем этапе проверяются тип, распиновка и соответствие номеров разъемов данным на электрической схеме. Блоки должны отвечать охвату функционала, заявленному количеству и иметь синхронизацию выводов символов листов.

Оценка оформления тоже является важным пунктом. Неправильно составленная электрическая схема не допускается для проверки. Рецензент на данной стадии должен определить корректность оформления основной надписи, расположения блоков, подписей и связей на ЭС.

В определение правильности составления простых схем (чаще всего одной микросхемы с обвязкой) входит оценка прихода линий интерфейсов и подачи сигналов. При этом должно соблюдаться правило: питание нужного номинала, аналоговые контакты подаются к аналоговым, земля — к земле. Для любых микросхем требуется проверить по Datasheet назначение, толерантнось к 5B и другим напряжениям у выхода контроллера. На каждом листе рецензент оценивает перечень используемых питаний и максимальное потребление по ним. Помимо всего прочего, в проверку блоков входит обозначение классов цепей для выделения специфических мест, например, развязки.

В этом перечне проверяется используемые питания и их потребления. У каждого источника оцениваются:

• выходное напряжение;
• ток;
• рассеиваемая мощность;
• КПД.

Кроме этого, проверяется обозначение классов цепей (Power, HV). Для каждого источника рецензенту необходимо сверить схему включения по Datasheet.

Завершающий этап — подготовка документации. Инженеру потребуется создать задачу программистам, которые имеют собственный чек-лист по обнаружению ошибок в разработке и проектировании.

Первым делом рецензент проверяют конструкцию ПП. При наличии трехмерной модели оценка производится по ней. Чаще всего устройство собрано в 3D САПР, где существует инструменты для проверки выполнения сечения, интерференции и других параметров.

В чек-лист по обнаружению ошибок проектирования конструкции печатной платы входит оценка:

• формы на соответствие модели, ТЗ, чертежу;
• толщины;
• крепежа по достаточности, зазорам для головок винтов и шайб, попаданию в места на ПП;
• разъемов по ориентации первых ножек, положению, распиновке с сочленяемыми платами;
• высоты компонентов;
• положения специфических элементов.

На следующем этапе рецензент проверяет связность проекта для оценки отсутствия разницы в электрической схеме и печатной плате. В перечень входит оценка ошибок в Design-Update Sch in PrjPcb, Design-Import Changes from PrjPcb, Project-Component Links. В Altium Designer между компонентами возможны потери связи из-за вставки элементов на плату, перенумерации и т. д.

В перечень данной части чек-листа входит следующие показатели:

• Оценка наличия новых или обновленных посадочных мест. При повторной проверке список должен быть актуализированным. Принцип сохраняется и для условно-графического обозначения.
• Сверка посадочного места с описанием в Datasheet порядка расположения выводов, расстояния, количества, формы площадок, шелкографии, наличия 3D-модели, совпадения ножек.

Трехмерные модели в Altium Designer позволяют дополнительно оценить правильность посадочного места. Они участвуют в проверке и проработке конструкции, помогают получить красивые и наглядные рендеры печатных плат.

В данный пункт входит оценка:

• соответствия правил проектирования технологическим нормам для выбранных толщин платы и металла;
• наличия специфических норм для классов цепей, выделенных на схеме;
• толщины слоя металлизации;
• отступов от неметаллизированных отверстий на внутренних слоях;
• всех правил и DRC-настроек.

В Altium Designer рецензент запускает DRC. В случае непрохождения этапа проверка прекращается.

Оценка включает определение общей логики расположения источников и нагрузок, а также проверку:

• питания микросхем, сложных потребителей сквозь друг друга;
• непрерывности;
• сечения проводников;
• земли;
• наводок, соседства источников.

Для оценки источников питания необходимо открыть Datasheet и свериться с рекомендуемой топологией.

Блок оценки корректности размещения маркировки на печатной плате включает определение соответствия следующих параметров:

• размещения надписей не на отверстиях и не под корпусами, не затрагивая друг друга;
• шрифт Default высотой 1 мм и толщиной 0,2 мм;
• ориентация любых подписей на одном листе только 0-90 или 0-270 градусов;
• обозначение назначения разъемов и тестовых точек;
• указание первого пина у разъемов и микросхем;
• обозначение 5–10-кратных пинов и рядов у BGA для крупных схем;
• четкая последовательность в группах компонентов и связей;
• название платы, логотип, дата, ревизия SVN.

Кроме этого, рецензенты проводят проверку отверстий на наличие аномалий.

Внедрение системного подхода в проверке электронных схем и печатных плат по чек-листу помогает сократить количество ошибок проектирования. Стоит заметить, что список проверок постоянно эволюционирует в зависимости от сложности поставленных задач. Одни пункты добавляют, ненужные — убирают. Оценка качества составления ПП другим инженером-рецензентом позволит не только сократить количество брака, но и повысить профессионализм разработчиков печатных плат.