PCB板的电子与机械设计

一直以来，我们有一种共识，即制造业通常都会向成本最低的国家自然迁移，而发达国家在这个过程中会吃亏。然而，另一种观点则认为，通过外包可重复的工作，先前从事低价值工作那部分资源会面临更大的机遇。设计也是如此，通过采用设计自动化工具，工程师能够提高其设计效率。很难想象如今的工程师会不采用计算机的方法来设计PCB，尽管有的时候完全可以这样做。 正如经济必须要适应全球条件的变化一样，我们鼓励工程师团队使用任何高效的设计工具。对于设计工程师而言，使用EDA工具可以极大地改进设计过程，包括从元器件到最终产品。随着设计过程得到加速，我们现在可以在采购任何一个元器件之前，就实现对于设计每一个细节的模拟或仿真。例如，在集成电路开发领域，长期的、高成本的设计过程的最后一个步骤才是将设计提交或‘试产’成为硅片。制造集成电路这个步骤会花费巨大的成本，而且这个成本只有在未来这个集成电路得到大批量的出售才能够收回。当然，并非所有的产品研发都是如此，大部分产品重复制造的工程成本可能不高，但对于机械设计而言，由于外壳与内部PCB板之间的间隙问题而导致重新制造，那么将需要高额的成本。 EDA工具所取得的进步意味着，在制造产品之前可以对产品的构成和功能进行仿真变得更加容易。即便如此，与IC设计仍然有所不同是，产品领域的设计自动化工具的发展曾经特别注重于特定领域应用的小众市场。PCB设计工具就是一个例子。有许多低成本PCB设计工具都能够用于设计简单的、单面或双面的板子，但是能够处理高速信号和混合信号的多层PCB的工具则比较少，而提供可以完善解决信号完整性问题的PCB工具更是凤毛麟角。 对于有这些需要的设计而言，设计工具是至关重要的。它们提供了唯一可行的解决方案，帮助我们过上了今天的数码生活。例如，若没有精细的EDA工具，就不可能实现移动通信；工具帮助天才工程师们开发出实现3G网络和智能电话所需的复杂混合信号设备与系统。 相关的例子有很多，但基本的趋势可以归纳为，设计越复杂，工具就需要越精细。但是，设计工具总归是要用于开发产品的，而无论产品的功能复杂性或最终市场价值。 交叉设计领域 与机械设计的一体化是必然的。绝大多数的PCB设计不仅要受到安装在上面的元器件的影响，而且也会受到它可以占据的空间的影响。如今的许多产品中只有一块PCB板，在这些情况下，PCB的尺寸和形状很少由其功能性决定，而是主要由包装它的外壳影响。事实在某些情况下，尤其是消费类产品中，最终产品的形状和尺寸也就确定了PCB及其上面所有元器件的可用空间。在这种情况下，机械设计将主导这两个领域的设计，然而目前机械CAD工具和CAD工具之间的交互是非常有限的。 设计工具的供应商更加专注于设计复杂性，而他们的同行——机械工具供应商也在努力改进机械设计工具，他们充分利用最新PC及台式计算机的处理和图形功能。如今，对于机械设计工程师来说，利用三维来展示他们的设计、实时渲染是司空见惯的事情。作为一种提高设计效率的手段，我们无法否认在工程师设计的产品在3D环境下显示所呈现出来的价值，而且这样的显示还支持实时的观察角度的切换。 另外，在IC持续缩减尺寸时，其它支持的元器件很难或无法缩减尺寸。具体来说，基本原理限定了变压器、电阻器、电容器和电感器等被动元器件的物理尺寸。现在设备中已经不再大量使用的接插件，它们同样受到了很多物理限制，比如尺寸可以缩减到何种程度，必须置于的哪个位置等。我们可以获益的是，现今存在许多被动元器件和连接器等标准元器件的3D模型，这些模型可以在数量日益增长的CAD软件包中使用。 这些3D模型的广泛创建表明供应商对设计与机械设计集成所作出的新努力。业内也有许多人认为这样的集成会持续下去，将会使两个领域的工程师显著提高设计效率。 也许实现完全集成的过程中最显著的进步是引入了设计和机械设计工具供应商均可自信采用的设计交互协议。虽然，过去这两大领域进行了多次整合尝试，但都由于供应商之间缺少合作而受到阻碍，导致复杂程度有增无减。但是，随着STEP（产品模型数据交互标准）的引入，尤其是在版本AP214中定义了3D模型，设计数据的交换已变得简单。MCAD领域已迅速将STEP AP214模型植入到他们的工具中，但E-CAD领域尚未如此。但是，来自Altium的统一设计环境Altium Designer可以真正地支持STEP文件的导入/导出及生成。并结合它的全面的PCB设计功能，Altium Designer可以将所有工程师的设计效率提高到一个新的水平。 PCB空间中的3D功能 现在许多机械设计工具已经能够支持由第三方工具创建的PCB中的3D模型，但是除了提供PCB板与外壳装配结果的可视化外，并不能为PCB设计人员提供临界尺寸、间隙或其他空间合规性问题的反馈。此外，机械设计工程师往往无法满足特定元器件的定位需求，尤其是在高速、混合信号或高压信号出现的情况下。 Altium Designer采用STEP格式，克服了这些限制。它不仅可使工程师利用外壳的3D模型呈现产品的最终状况，而且也为工程师们提供了三维方法设计方法。AP214文件格式中内嵌入了足够的数据，工程师能够真正地利用导入的外壳模型来确定PCB的尺寸。彻底解决了以往采用手动方式将关键数据从一个领域传送至另一个领域带来的问题。通过将机械设计与设计过程紧密联系起来，设计工程师在为制造而进行设计方面向前迈进了一大步。 另外，在3D格式内定义间隙的功能意味着，机械和这两大领域的工程师可以立即看到设计更改的影响。通过在Altium Designer中将外壳与PCB模型相结合，工程师可以生成产品的3D展示以及测量它们之间的间隙。这项前所未有的功能意味着，工程师可以充满自信地把他们的设计交给制造厂商。 为了使这个过程的效率更高，可以使用链接模型方式。这样在其中一个领域所做出的更改，能够可靠地反映在另一个领域中。这就意味着，工程师能够看见外壳的任何更改，同样地，对PCB或者元器件所做的任何改变也将被机械工程师看到。 这个功能的关键在于，不仅要能够生成单一的3D模型，而且要能够以参考点为基准在3D空间内建立各个模型的坐标。通过精确地定位外壳及PCB部件的模型，设计工程师可以验证它们之间间隙，以确保PCB是否能够装进外壳或者是否增加强筋以及固定装置，同时又保持了产品的整体市场目标。 在虚拟世界工作的另一好处在于，工程师可以在不耗费成本的情况下进行各种尝试。例如，使用三个参考点对齐某一元器件时，很可能会出现一个元器件穿过另一个元器件的情况。请试想一下，PCB调整时穿过外壳的情况。这看似不符合常规，但是它为可以解决设计中存在的瓶颈问题提供了线索。用真实模型达到这种效果将会耗时、耗钱，但在虚拟领域却如更改单一的参考点那样简单。只有使用STEP格式，领域与机械领域之间的密切交互才成为可能。在PCB设计环境中包含STEP格式标志着，我们向创建统一的产品开发方法方面已取得了巨大成效。