【導(dǎo)讀】現(xiàn)在，PCB的設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，所需的工具也越精細(xì)。在電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)方法上，許多人已經(jīng)走在了前頭。通過(guò)采用設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具，能大幅度提高工程師的設(shè)計(jì)效率。那么，PCB的電子設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)究竟是怎樣呢？
一直以來(lái)，我們有一種共識(shí)，即制造業(yè)通常都會(huì)向成本最低的國(guó)家自然遷移，而發(fā)達(dá)國(guó)家在這個(gè)過(guò)程中會(huì)吃虧。然而，另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為，通過(guò)外包可重復(fù)的工作，先前從事低價(jià)值工作那部分資源會(huì)面臨更大的機(jī)遇。設(shè)計(jì)也是如此，通過(guò)采用設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具，工程師能夠提高其設(shè)計(jì)效率。很難想象如今的工程師會(huì)不采用計(jì)算機(jī)的方法來(lái)設(shè)計(jì)PCB，盡管有的時(shí)候完全可以這樣做。
正如經(jīng)濟(jì)必須要適應(yīng)全球條件的變化一樣，我們鼓勵(lì)工程師團(tuán)隊(duì)使用任何高效的設(shè)計(jì)工具。對(duì)于電子設(shè)計(jì)工程師而言，使用EDA工具可以極大地改進(jìn)設(shè)計(jì)過(guò)程，包括從元器件到最終產(chǎn)品。隨著設(shè)計(jì)過(guò)程得到加速，我們現(xiàn)在可以在采購(gòu)任何一個(gè)元器件之前，就實(shí)現(xiàn)對(duì)于電子設(shè)計(jì)每一個(gè)細(xì)節(jié)的模擬或仿真。例如，在集成電路開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，長(zhǎng)期的、高成本的設(shè)計(jì)過(guò)程的最后一個(gè)步驟才是將設(shè)計(jì)提交或‘試產(chǎn)’成為硅片。制造集成電路這個(gè)步驟會(huì)花費(fèi)巨大的成本，而且這個(gè)成本只有在未來(lái)這個(gè)集成電路得到大批量的出售才能夠收回。當(dāng)然，并非所有的電子產(chǎn)品研發(fā)都是如此，大部分電子產(chǎn)品重復(fù)制造的工程成本可能不高，但對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)而言，由于外殼與內(nèi)部PCB板之間的間隙問(wèn)題而導(dǎo)致重新制造，那么將需要高額的成本。
EDA工具所取得的進(jìn)步意味著，在制造產(chǎn)品之前可以對(duì)產(chǎn)品的構(gòu)成和功能進(jìn)行仿真變得更加容易。即便如此，與IC設(shè)計(jì)仍然有所不同是，電子產(chǎn)品領(lǐng)域的設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具的發(fā)展曾經(jīng)特別注重于特定領(lǐng)域應(yīng)用的小眾市場(chǎng)。PCB設(shè)計(jì)工具就是一個(gè)例子。有許多低成本PCB設(shè)計(jì)工具都能夠用于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的、單面或雙面的板子，但是能夠處理高速信號(hào)和混合信號(hào)的多層PCB的工具則比較少，而提供可以完善解決信號(hào)完整性問(wèn)題的PCB工具更是鳳毛麟角。
對(duì)于有這些需要的設(shè)計(jì)而言，設(shè)計(jì)工具是至關(guān)重要的。它們提供了唯一可行的解決方案，幫助我們過(guò)上了今天的數(shù)碼生活。例如，若沒(méi)有精細(xì)的EDA工具，就不可能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信；工具幫助天才工程師們開(kāi)發(fā)出實(shí)現(xiàn)3G網(wǎng)絡(luò)和智能電話所需的復(fù)雜混合信號(hào)設(shè)備與系統(tǒng)。
相關(guān)的例子有很多，但基本的趨勢(shì)可以歸納為，設(shè)計(jì)越復(fù)雜，工具就需要越精細(xì)。但是，設(shè)計(jì)工具總歸是要用于開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的，而無(wú)論產(chǎn)品的功能復(fù)雜性或最終市場(chǎng)價(jià)值。
交叉設(shè)計(jì)領(lǐng)域
電子與機(jī)械設(shè)計(jì)的一體化是必然的。絕大多數(shù)的PCB設(shè)計(jì)不僅要受到安裝在上面的元器件的影響，而且也會(huì)受到它可以占據(jù)的空間的影響。如今的許多產(chǎn)品中只有一塊PCB板，在這些情況下，PCB的尺寸和形狀很少由其功能性決定，而是主要由包裝它的外殼影響。事實(shí)在某些情況下，尤其是消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品中，最終產(chǎn)品的形狀和尺寸也就確定了PCB及其上面所有元器件的可用空間。在這種情況下，機(jī)械設(shè)計(jì)將主導(dǎo)這兩個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)，然而目前機(jī)械CAD工具和電子CAD工具之間的交互是非常有限的。
電子設(shè)計(jì)工具的供應(yīng)商更加專(zhuān)注于電子設(shè)計(jì)復(fù)雜性，而他們的同行——機(jī)械工具供應(yīng)商也在努力改進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)工具，他們充分利用最新PC及臺(tái)式計(jì)算機(jī)的處理和圖形功能。如今，對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，利用三維來(lái)展示他們的設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)渲染是司空見(jiàn)慣的事情。作為一種提高設(shè)計(jì)效率的手段，我們無(wú)法否認(rèn)在工程師設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在3D環(huán)境下顯示所呈現(xiàn)出來(lái)的價(jià)值，而且這樣的顯示還支持實(shí)時(shí)的觀察角度的切換。
另外，在IC持續(xù)縮減尺寸時(shí)，其它支持的元器件很難或無(wú)法縮減尺寸。具體來(lái)說(shuō)，基本原理限定了變壓器、電阻器、電容器和電感器等被動(dòng)元器件的物理尺寸。現(xiàn)在電子設(shè)備中已經(jīng)不再大量使用的接插件，它們同樣受到了很多物理限制，比如尺寸可以縮減到何種程度，必須置于電路板的哪個(gè)位置等。我們可以獲益的是，現(xiàn)今存在許多被動(dòng)元器件和連接器等標(biāo)準(zhǔn)元器件的3D模型，這些模型可以在數(shù)量日益增長(zhǎng)的CAD軟件包中使用。
這些3D模型的廣泛創(chuàng)建表明供應(yīng)商對(duì)電子設(shè)計(jì)與機(jī)械設(shè)計(jì)集成所作出的新努力。業(yè)內(nèi)也有許多人認(rèn)為這樣的集成會(huì)持續(xù)下去，將會(huì)使兩個(gè)領(lǐng)域的工程師顯著提高設(shè)計(jì)效率。
也許實(shí)現(xiàn)完全集成的過(guò)程中最顯著的進(jìn)步是引入了電子設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)工具供應(yīng)商均可自信采用的設(shè)計(jì)交互協(xié)議。雖然，過(guò)去這兩大領(lǐng)域進(jìn)行了多次整合嘗試，但都由于供應(yīng)商之間缺少合作而受到阻礙，導(dǎo)致復(fù)雜程度有增無(wú)減。但是，隨著STEP（產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)）的引入，尤其是在版本AP214中定義了3D模型，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的交換已變得簡(jiǎn)單。MCAD領(lǐng)域已迅速將STEP AP214模型植入到他們的工具中，但E-CAD領(lǐng)域尚未如此。但是，來(lái)自Altium的統(tǒng)一設(shè)計(jì)環(huán)境Altium Designer可以真正地支持STEP文件的導(dǎo)入/導(dǎo)出及生成。并結(jié)合它的全面的PCB設(shè)計(jì)功能，Altium Designer可以將所有電子工程師的設(shè)計(jì)效率提高到一個(gè)新的水平。
PCB空間中的3D功能
現(xiàn)在許多機(jī)械設(shè)計(jì)工具已經(jīng)能夠支持由第三方工具創(chuàng)建的PCB中的3D模型，但是除了提供PCB板與外殼裝配結(jié)果的可視化外，并不能為PCB設(shè)計(jì)人員提供臨界尺寸、間隙或其他空間合規(guī)性問(wèn)題的反饋。此外，機(jī)械設(shè)計(jì)工程師往往無(wú)法滿(mǎn)足特定元器件的定位需求，尤其是在高速、混合信號(hào)或高壓信號(hào)出現(xiàn)的情況下。
Altium Designer采用STEP格式，克服了這些限制。它不僅可使工程師利用外殼的3D模型呈現(xiàn)產(chǎn)品的最終狀況，而且也為工程師們提供了三維方法設(shè)計(jì)方法。
AP214文件格式中內(nèi)嵌入了足夠的數(shù)據(jù)，工程師能夠真正地利用導(dǎo)入的外殼模型來(lái)確定PCB的尺寸。徹底解決了以往采用手動(dòng)方式將關(guān)鍵數(shù)據(jù)從一個(gè)領(lǐng)域傳送至另一個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)的問(wèn)題。通過(guò)將機(jī)械設(shè)計(jì)與電子設(shè)計(jì)過(guò)程緊密聯(lián)系起來(lái)，電子設(shè)計(jì)工程師在為制造而進(jìn)行設(shè)計(jì)方面向前邁進(jìn)了一大步。
另外，在3D格式內(nèi)定義間隙的功能意味著，機(jī)械和電子這兩大領(lǐng)域的工程師可以立即看到設(shè)計(jì)更改的影響。通過(guò)在Altium Designer中將外殼與PCB模型相結(jié)合，工程師可以生成產(chǎn)品的3D展示以及測(cè)量它們之間的間隙。這項(xiàng)前所未有的功能意味著，電子工程師可以充滿(mǎn)自信地把他們的設(shè)計(jì)交給制造廠商。
為了使這個(gè)過(guò)程的效率更高，可以使用鏈接模型方式。這樣在其中一個(gè)領(lǐng)域所做出的更改，能夠可靠地反映在另一個(gè)領(lǐng)域中。這就意味著，電子工程師能夠看見(jiàn)外殼的任何更改，同樣地，對(duì)PCB或者元器件所做的任何改變也將被機(jī)械工程師看到。
這個(gè)功能的關(guān)鍵在于，不僅要能夠生成單一的3D模型，而且要能夠以參考點(diǎn)為基準(zhǔn)在3D空間內(nèi)建立各個(gè)模型的坐標(biāo)。通過(guò)精確地定位外殼及PCB部件的模型，設(shè)計(jì)工程師可以驗(yàn)證它們之間間隙，以確保PCB是否能夠裝進(jìn)外殼或者是否增加強(qiáng)筋以及固定裝置，同時(shí)又保持了產(chǎn)品的整體市場(chǎng)目標(biāo)。
在虛擬世界工作的另一好處在于，工程師可以在不耗費(fèi)成本的情況下進(jìn)行各種嘗試。例如，使用三個(gè)參考點(diǎn)對(duì)齊某一元器件時(shí)，很可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)元器件穿過(guò)另一個(gè)元器件的情況。請(qǐng)?jiān)囅胍幌拢琍CB調(diào)整時(shí)穿過(guò)外殼的情況。這看似不符合常規(guī)，但是它為可以解決設(shè)計(jì)中存在的瓶頸問(wèn)題提供了線索。用真實(shí)模型達(dá)到這種效果將會(huì)耗時(shí)、耗錢(qián)，但在虛擬領(lǐng)域卻如更改單一的參考點(diǎn)那樣簡(jiǎn)單。只有使用STEP格式，電子領(lǐng)域與機(jī)械領(lǐng)域之間的密切交互才成為可能。在PCB設(shè)計(jì)環(huán)境中包含STEP格式標(biāo)志著，我們向創(chuàng)建統(tǒng)一的電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方法方面已取得了巨大成效。
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