電子電路設計是規劃、測試和構建執行特定任務的電路的過程。它涉及定義需求、選擇可靠的零件、創建原理圖、模擬性能和測試最終設計。透過遵循仔細的步驟，電路變得安全、高效和可靠。本文提供設計過程每個階段的詳細資訊。
電子電路設計概述
電子電路設計是規劃和構建可以執行特定任務的電路的過程。它從麵包板上的小型實驗或通過計算機模擬開始，以檢查這個想法是否有效。之後，將設計繪製在示意圖中，顯示每個零件的連接方式。該設計被轉移到印刷電路板（PCB）上，該電路板可以生產並組裝成工作系統。
這個過程通常結合不同類型的信號。模擬電路處理平滑和連續的信號，而數字電路處理在兩種狀態之間切換的信號。有時，兩者組合在同一個設計中，使系統更加完整。
電子電路設計的目標是創造出不僅功能齊全，而且可靠且可在實際條件下使用的最終產品。精心設計有助於確保電路正常工作、保持穩定並滿足安全要求。
技術規範要求
| 類別 | 範例規格 |
|---|---|
| 電氣 | 輸入電壓：5–12 V，電流消耗：<1 A，頻寬：10 MHz |
| 時序 | 延遲 < 50 ns，時脈抖動 < 2 ps |
| 環境 | 工作溫度為 -40°C 至 +85°C，濕度為 90% |
| 機械 | PCB 尺寸：40 × 40 mm，重量 < 20 g |
| 合規 | 必須符合 CE/FCC、EMC Class B |
| 成本/生產 | BOM 成本 <\$5，組裝良率 >95% |
系統架構與方塊圖設計
此框圖透過將電子系統分解為相互連接的子系統來說明電子系統的核心結構。電源子系統透過電池、DC-DC 轉換器和穩壓器提供穩定的能量，為所有其他區塊奠定基礎。中心是控制子系統，其中包含負責管理數據流和決策的微控制器、FPGA 或處理器。
類比子系統使用感測器、放大器和濾波器處理現實世界的訊號，而數位 I/O 則透過 USB、SPI、UART、CAN 和乙太網路等標準與外部裝置進行通訊。獨立的時脈和時序區塊可確保與振盪器、PLL 和精確佈線同步，以實現低抖動效能。
為了保持可靠性，強調隔離區，使嘈雜的數位訊號遠離敏感的類比電路，減少干擾並提高系統穩定性。
電子電路設計中的基本元件
電阻器
它們用於限制和控制電流的流動。通過增加電阻，他們確保電路的敏感部分不會因過大的電流而損壞。
電容器
它充當小型儲能裝置。它們保持電荷，可以在需要時快速釋放。這使得它們可用於穩定電壓、濾波訊號或提供短時間的電源爆發。
電晶體
它用作開關和放大器。它們可以像受控閘一樣打開或關閉電流，或使微弱信號變強。晶體管是現代電子產品的一部分，因為它們允許電路處理和控制信息。
二極體
引導電流的方向。它們只允許電流朝一個方向流動，而以另一個方向阻塞它。這可以保護電路免受可能造成損壞的反向電流的影響。
電子電路設計中的元件研究與選擇
效能考量
在為電路選擇零件時，首先要檢查的事情之一是性能。這意味著查看組件在設計中的行為方式。所需的詳細信息包括它增加多少噪聲、隨著時間的推移的穩定性、使用多少功率以及處理信號的能力。這些因素決定了電路是否能夠按預期方式工作。
套餐選擇
元件的封裝是其建構和大小的方式。它會影響它在電路板上佔用的空間、可以處理的熱量以及組裝過程中放置的難易程度。較小的包裝可以節省空間，而較大的包裝則更容易使用並更好地處理熱量。選擇正確的包裝有助於平衡空間、熱量和易用性。
可用性和供應鏈
一個零件工作良好是不夠的;它也必須在需要時可用。您應該檢查該零件是否可以從多個供應商處購買，以及將來是否仍會生產。這降低了零件突然變得難以找到時延誤或重新設計的風險。
合規性和標準
電子產品必須遵守安全和環境規則。零件通常需要符合 RoHS、REACH 或 UL 等標準。這些認證確保該組件使用安全、不危害環境，並且可以在不同地區銷售。合規性是選擇組件的主要部分。
可靠性和降額
可靠性是指組件在正常使用情況下可以持續工作的時間和效果。為了使零件的使用壽命更長， 您應該避免將它們推到最大極限。這種做法稱為降額。透過為零件提供安全餘量，故障的可能性會降低，整個系統變得更加可靠。
電子電路設計中的電路模擬類型
| 模擬類型 | 電路設計的目的 |
|---|---|
| 直流偏置 | 確認所有設備都在正確的電壓和電流點下運行。防止電晶體無意中飽和或切斷。 |
| 交流掃描 | 評估頻率響應、增益和相位裕度。放大器、濾波器和穩定性分析的基礎。 |
| 瞬態 | 分析時域行為，例如切換、啟動響應、上升/下降時間和過衝。 |
| 雜訊分析 | 預測電路對電氣雜訊的敏感性，並有助於優化低雜訊應用的濾波策略。 |
| 蒙地卡羅 | 測試元件公差（電阻器、電容器、電晶體）的統計變化，確保整個製造範圍的設計穩健性。 |
| 熱 | 估計散熱並識別潛在的熱點，這是電源電路和緊湊型設計所必需的。 |
電路設計中的電力傳輸和訊號完整性
供電網路 （PDN） 實踐
• 星形接地：使用星形連接最大限度地減少接地迴路。這樣可以降低噪聲並確保全面一致的參考電位。
• 短返回路徑：始終為電流提供直接和低阻抗的返回路徑。長迴路會增加電感並將雜訊注入敏感電路。
• 去耦電容器：將小值去耦電容器放置在盡可能靠近 IC 電源引腳的位置。它們充當局部能量庫並抑制高頻瞬變。
• 大容量電容器：在電源入口點附近添加大容量電容器。這些在負載突然變化時穩定供應。
訊號完整性 （SI） 注意事項
• 受控阻抗佈線：高速走線應以定義的阻抗（通常為單端阻抗 50 Ω或差分 100 Ω）佈線。這可以防止反射和資料錯誤。
• 接地管理：將類比和數位接地分開以避免幹擾。將它們連接在一個點上，以保持乾淨的參考平面。
• 減少串擾：保持平行高速線之間的間距或使用地面防護走線。這最大限度地減少了耦合並保持了信號質量。
• 層疊加：在多層 PCB 中，專用於電源和接地的連續平面。這降低了阻抗並有助於控制 EMI。
電路設計中的PCB佈局
元件放置
根據功能和訊號流放置元件。將相關部件組合在一起並最大限度地減少走線長度，特別是對於高速或敏感的模擬電路。振盪器或穩壓器等基本組件應靠近它們支援的 IC。
訊號路由
避免 90° 走線彎曲，以減少阻抗不連續性和潛在的 EMI。對於差動對，例如 USB 或乙太網路，請保持走線長度匹配以保持時序完整性。將類比和數位訊號分開以防止干擾。
層疊加
平衡和對稱的層疊提高了可製造性，減少了翹曲，並提供一致的阻抗。專用接地層和電源層可降低雜訊並穩定電壓傳輸。
高速考慮因素
使用受控阻抗佈線高速訊號，保持連續的參考平面，並避免短截線或不必要的過孔。保持返回路徑較短，以最大限度地減少電感並保持訊號完整性。
熱管理
在功率元件下方放置熱通孔，將熱量傳播到內部銅平面或 PCB 的另一側。對高功率電路使用銅澆注和散熱技術。
電路開發中的原理圖設計和ERC
原理圖設計步驟
• 分層工作表：將設計分解為邏輯部分，例如電源、類比和數位子系統。這樣可以使複雜的電路井井有條，並使未來的調試或更新更加容易。
• 有意義的網路命名：使用描述性網路名稱而不是通用標籤。清晰的命名可避免混淆並加快故障排除速度。
• 設計屬性：直接在原理圖中包含額定電壓、電流要求和公差資訊。這有助於審查並確保選擇具有正確規格的組件。
• 封裝同步：在流程早期將組件連結到正確的 PCB 封裝。現在，捕捉不匹配可以防止 PCB 佈局過程中的延遲和代價高昂的返工。
• 初步材料清單 （BOM）：從線路圖產生草稿 BOM。這有助於估算成本、檢查零件可用性並在最終確定設計之前指導採購計劃。
電氣規則檢查 （ERC） 衛生
• 偵測可能導致未定義行為的浮動接腳。
• 標記可能導致功能故障的縮短網路。
• 確保整個設計的電源和接地連接一致。
電路測試和驗證
• 在重要訊號和電源軌上新增測試點，以便在調試和生產測試期間輕鬆進行測量。
• 提供編程和調試標頭，如JTAG、SWD或UART，用於在開發過程中加載固件、檢查信號並與系統通信。
• 首次為PCB供電時使用限流電源。如果出現短路或設計錯誤，這可以保護組件免受損壞。
• 在一起運行整個系統之前，分別啟動並驗證每個子系統。這使得隔離和解決問題變得更加容易。
• 將所有測量結果與原始設計規格進行比較。檢查熱限制、時序性能和電源效率，以確保電路按預期工作。
• 保留詳細的啟動筆記和測試結果。此文件有助於未來的修訂、疑難排解，以及移交給生產團隊。
結論
電子電路設計結合了規劃、模擬和測試來創建可靠的系統。從設定規格到 PCB 佈局和驗證，每個步驟都確保電路在實際條件下按預期工作。透過應用良好的設計和標準，您可以開發安全、高效且持久的電子解決方案。
常見問題
第 1 季度。電子電路設計使用什麼軟體？
Altium Designer、KiCad、Eagle 和 OrCAD 在原理圖和 PCB 佈局中很常見。LTspice、Multisim 和 PSpice 通常用於模擬。
第二季度。接地如何影響電路？
正確的接地可以減少噪音和乾擾。接地層、星形接地以及分離模擬和數字接地提高了穩定性。
第三季度。為什麼電路中需要熱管理？
過多的熱量會縮短組件壽命並降低性能。散熱器、熱通孔、銅澆注和氣流有助於控制溫度。
第四季度。製作PCB需要哪些文件？
精確的 PCB 製造和組裝需要 Gerber 文件、鑽孔文件、物料清單 （BOM） 和裝配圖。
第 5 季度。如何測試信號完整性？
示波器、時域反射計 （TDR） 和網路分析儀可檢查阻抗、串擾和失真。
第 6 問。什麼是可製造性設計 （DFM）？
DFM 意味著通過使用標準封裝、遵循 PCB 限制和簡化組裝來創建易於生產的電路。