Моделирование сложных печатных плат на основе SADT-технологии

Впервые печатные платы появились более полувека назад и с тех пор, несмотря на многочисленные попытки применить альтернативные решения, остаются на лидирующих позициях.

Существует много программ для трассировки печатных плат, но большинство из них не выполняет 100-процентной разводки цепей. Добавим, что некоторые программы содержат ограничения на использование определенного количества цепей. Также бывают технологические ограничения в форме выхода за границы трассировки печатной платы или трассировка в зоне крепежа. Некоторые трассировщики «запрограммированы» для 100% разводки и поэтому на платах могут быть очень длинные цепи, проложенные по всем возможным ее слоям с использованием множества переходных отверстий для ветвления цепей по всем слоям.

Вышесказанное позволяет утверждать, что для более приемлемой разводки печатной платы с выдерживанием всех технологических и схемотехнических требований, следует разводку доводить вручную.

В современных печатных платах применяют быстродействующие полупроводниковые приборы и используют большое количество компонентов, приводящих к электромагнитным помехам и их перегреву. При размещении компонентов на печатной плате следует руководствоваться обеспечением наилучших условий для электромагнитной совместимости. Также необходимо обеспечить тепловые требования к ней. Эти два требования, как известно, являются противоречивыми. Конструктор должен определить приоритеты в зависимости от вида, назначения, условий эксплуатации печатных плат.

Потребность в них постоянно возрастает и поэтому, для более сложных быстродействующих печатных плат специального назначения крайне необходим универсальный алгоритм для разработки и конструирования. Для более эффективного проектирования печатных плат, учитывающего все факторы влияния и требования к печатной плате, следует воспользоваться методом проектирования на основе SADT-технологии деятельности.

Отметим, что SADT (Structured Analysis and Design Technique) является известной методологией анализа и проектирования систем, введенной в 1973 г. Россом (Ross). SADT успешно использовалась в военных, промышленных и коммерческих организациях для решения широкого спектра задач.

Применение SADT методологии для проектирования печатных плат позволит избежать не только ошибок и недочетов в работе инженера-конструктора, но и уменьшения времени разработки. В его деятельности следует выделить несколько этапов.

1 этап направлен на определение объекта конструкторской деятельности (печатная плата). Конструктор начинает свою деятельность по созданию печатной платы с изучения документации, которую ему передал разработчик-схемотехник.

2 этап служит определению цели. На данном этапе зададим вопросы, необходимые для разработки печатной платы, например, к ним относятся следующие.

1.Каково количество слоев в печатной плате?

2.Каков порядок расположения слоев в печатной плате и чем он определяется?

3.Какова необходимая толщина фольги в печатной плате в зависимости от назначения слоя: сигнальный или «земляной»?

4.Какова необходимая емкость между слоями печатной платы?

5.Каково волновое сопротивление печатной платы?

6.Каково необходимое покрытие (маска) для печатной платы?

7.Какое применить финишное влагозащитное покрытие?

8.Каковы значения емкости и индуктивности элементов на печатной плате?

9.Какова частота дифференциальных сигналов?

10.Существуют ли теплоотводы на печатной плате?

11.Необходимо ли экранирование печатной платы?

12.В чем заключается желательная компоновка элементов на печатной плате?

В процессе создания печатной платы могут возникать и другие вопросы необходимые для проработки. В целом, по вышеперечисленным требованиям можно сформировать «каркас» печатной платы, учитывающий первоочередные цели к конструкции печатной платы.

3 этап заключается в составлении формулировки цели модели. Цель инженера-конструктора заключается в создании печатной платы с учетом предъявленных требований, включающих физические требования по теплу, ЭМС, вибрации, ремонтопригодности.

4 этап направлен на выявление ограничений, которые появляются при создании печатной платы. Т.к. печатная плата не является законченным изделием, а служит одной из его сборочных единиц, то ограничения накладываются также на габаритные размеры печатной платы в соответствии с размерами изделия, а также на высоту монтажа элементов. Иногда ограничением может служить даже толщина печатной платы. Возможны ограничения элементов на самой печатной плате.

5 этап состоит в построении SADT-диаграммы верхнего уровня (рис.1).

Рис.1 Диаграмма верхнего уровня создания печатной платы

6 этап направлен на составление подробных списков объектов, входящих в систему, и функций, которые система должна выполнять.

На рис.2 (первый столбик) и на рис.3 (первый столбик) представлен подробный список объектов и функций, необходимых для конструирования печатной платы

Иногда подробный список объектов и функций может быть очень большой, но он способствует тщательному и целенаправленному их обобщению. Список обобщенных объектов и функций служит дальнейшему построению диаграмм, т.е. необходимой последовательности действий.

Рис.2 Обобщение списка объектов Рис.3 Обобщение списка функций

7 этап устанавливает соответствие между обобщенными объектами и функциями. Возьмем выявленные обобщенные объекты и сопоставим их по функциональному смыслу с обобщенными функциями (рис.4).

Рис.4 Установление соответствия между обобщенными объектами и функциям

8 этап заключается в объединении обобщенных функций в блоки, что позволит построить диаграмму более низкого уровня.

Рис.5 Последовательность блоков, содержащих выявленные обобщенные функции системы

На рис. 5 показано, что самым первым и важным блоком является получение полной информации для создания печатной платы, без которого невозможно проектировать последующие блоки. Далее выстраиваем последовательность блоков по их функциональному уменьшению значимости.

9 этап служит установлению связей между блоками. Сначала определяют управление, механизм и необходимые ресурсы для каждого блока диаграммы. Разработчиком плат является инженер-конструктор, ограничением являются ОСТы, ГОСТы, ТУ. Входом в каждый блок будет объект, который соответствовал данной функции. На рис.6 можно видеть диаграмму второго уровня создания печатной платы.

Рис.6 Диаграмма нижнего уровня создания печатной платы

Таким образом, SADT-технология создания печатной платы разлагает всю деятельность проектировщика на этапы и целенаправленно указывает на проработку соответствующего блока. Рассматривают структуру печатной платы (габариты и количество слоев), технические требования на компоненты и их физические и частотные характеристики. Проводят необходимые расчеты по тепловому режиму и ЭМС, после чего создают компоновку и топологию печатной платы. После такой проверки создают конструкторские документы и получают необходимую последовательность действий по изготовлению печатной платы. Выстроенная диаграмма, выражающая последовательность проектирования по SADT-технологии, позволяет целенаправленно достичь предъявляемых технических и технологических требований к печатной плате.

Литература:

1.Князев А.Д. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости. М.: Радио и связь, 1989.-224с.

2.Кечиев Л.Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. М.: ООО «Группа ИДТ», 2007.-616с.

3.Лобова Г.Н. SADT-технология индивидуальной исследовательской деятельности: Монография, 2009.