اصول طراحی مدارهای الکترونیکی فقط به این معنی نیست که چند مقاومت، خازن و IC را روی شماتیک کنار هم قرار دهیم. طراحی واقعی از مشخص کردن نیازمندی‌ها شروع می‌شود و تا انتخاب قطعه، تحلیل توان، طراحی شماتیک، PCB، مدیریت نویز و حرارت، ساخت نمونه اولیه و تست ادامه پیدا می‌کند.

خیلی از مدارهایی که روی کاغذ «درست» به نظر می‌رسند، در عمل به دلیل انتخاب نامناسب قطعه، نبود Margin، تغذیه ضعیف، Layout اشتباه یا مدیریت حرارتی ناقص عملکرد قابل اعتمادی ندارند.

در این مقاله از RNGO مسیر طراحی یک مدار را قدم‌به‌قدم بررسی می‌کنیم تا بدانید قبل از شروع شماتیک چه چیزهایی باید مشخص شوند، هنگام انتخاب قطعه چه پارامترهایی اهمیت دارند و چگونه یک مدار را قبل از تولید نهایی تست کنیم.

طراحی مدار الکترونیکی از کجا شروع می‌شود؟

اولین مرحله طراحی، انتخاب مقاومت یا IC نیست. قبل از هر چیز باید مشخص شود مدار قرار است چه کاری انجام دهد.

برای یک پروژه ساده هم بهتر است حداقل این مشخصات نوشته شوند:

• ولتاژ ورودی
• حداقل و حداکثر ولتاژ ورودی
• ولتاژهای خروجی مورد نیاز
• جریان مصرفی هر بخش
• نوع بار
• ورودی‌ها و خروجی‌های دیجیتال یا آنالوگ
• فرکانس کاری
• دمای محیط
• ابعاد تقریبی برد
• محدودیت هزینه
• نیازهای حفاظتی

اگر این اطلاعات از ابتدا مشخص نباشند، احتمال تغییرات متعدد در مراحل بعدی بسیار زیاد می‌شود.

یک Block Diagram قبل از شماتیک بسازید

برای مدارهایی که بیش از چند قطعه ساده دارند، بهتر است ابتدا Block Diagram تهیه شود.

برای مثال یک سیستم می‌تواند شامل بلوک‌های زیر باشد:

• ورودی تغذیه
• حفاظت ورودی
• مبدل DC-DC
• میکروکنترلر
• سنسورها
• Driver موتور
• Communication
• خروجی‌ها

این کار باعث می‌شود روابط بین بخش‌ها قبل از ورود به جزئیات مشخص شوند.

بودجه توان یا Power Budget چیست؟

قبل از انتخاب رگولاتور یا منبع تغذیه باید بدانیم کل مدار چه مقدار توان و جریان نیاز دارد.

برای مثال اگر یک برد شامل این مصرف‌کننده‌ها باشد:

انتخاب یک رگولاتور 600mA بدون Margin مناسب می‌تواند طراحی را لب مرز قرار دهد. بنابراین علاوه بر مصرف Nominal، جریان Peak و حاشیه اطمینان نیز باید بررسی شوند.

انتخاب قطعات الکترونیکی فقط به «کیفیت» خلاصه نمی‌شود

عبارت «قطعه باکیفیت انتخاب کنید» برای طراحی کافی نیست. یک قطعه ممکن است کاملاً معتبر باشد اما برای پروژه شما مناسب نباشد.

برای هر قطعه باید پارامترهای مرتبط با کاربرد بررسی شوند.

برای مقاومت چه چیزهایی مهم است؟

• Resistance
• Tolerance
• Power Rating
• Temperature Coefficient
• Maximum Working Voltage
• Package

برای خازن چه چیزهایی مهم است؟

• Capacitance
• Rated Voltage
• Tolerance
• Dielectric
• ESR
• Ripple Current
• Temperature
• DC Bias در خازن‌های سرامیکی

برای دیود چه چیزهایی مهم است؟

• Reverse Voltage
• Forward Current
• Forward Voltage
• Reverse Recovery Time
• Power Dissipation

برای MOSFET چه چیزهایی مهم است؟

• VDS
• ID
• RDS(on)
• Gate Voltage
• Gate Charge
• SOA
• Thermal Resistance
• Package

Datasheet مهم‌تر از نام قطعه است

در طراحی حرفه‌ای، تصمیم نهایی باید بر اساس Datasheet همان قطعه گرفته شود.

دو قطعه که هر دو «MOSFET 30A» هستند ممکن است از نظر RDS(on)، ولتاژ Gate، Package، SOA و حرارت تفاوت زیادی داشته باشند.

همچنین Typical Value با Guaranteed Limit یکسان نیست. بنابراین باید مشخص شود عدد مورد استفاده در طراحی در چه شرایطی اندازه‌گیری شده است.

Derating چیست و چرا اهمیت دارد؟

یکی از اصول طراحی مدارهای الکترونیکی این است که قطعات را دقیقاً روی حداکثر Rating خود کار ندهیم.

به این کار استفاده از حاشیه اطمینان یا Derating گفته می‌شود.

برای مثال اگر یک خازن تا 16V Rating دارد، استفاده از آن در Rail که ممکن است دقیقاً تا نزدیکی 16V برسد معمولاً انتخاب مطمئنی نیست.

همچنین مقاومت 0.25W نباید صرفاً به این دلیل که محاسبه 0.24W نشان می‌دهد مناسب فرض شود؛ دمای محیط، تهویه و حاشیه طراحی نیز اهمیت دارند.

منبع تغذیه را از ابتدا جدی بگیرید

بخش بزرگی از مشکلات یک مدار از Power Design شروع می‌شود.

قبل از انتخاب رگولاتور باید بررسی شود:

• حداقل و حداکثر Vin
• Vout
• Current
• Efficiency
• Dropout Voltage
• Ripple
• Thermal Dissipation
• Transient Response

رگولاتور خطی یا Switching؟

برای اختلاف ولتاژ کم و جریان پایین، LDO می‌تواند ساده و کم‌نویز باشد. اما اگر اختلاف ولتاژ زیاد یا جریان بالا باشد، تلفات حرارتی آن ممکن است زیاد شود.

در این شرایط Buck Converter می‌تواند بازده بهتری داشته باشد، ولی Layout و EMI آن حساس‌تر است.

Decoupling Capacitor چیست؟

یکی از مواردی که در طراحی‌های مبتدی زیاد فراموش می‌شود، خازن Decoupling است.

ICهای دیجیتال و بسیاری از قطعات در لحظه سوئیچ جریان‌های سریع از منبع تغذیه می‌کشند. اگر مسیر بین منبع و IC اندوکتانس داشته باشد، ولتاژ محلی می‌تواند دچار افت یا نویز شود.

خازن Decoupling نزدیک پایه تغذیه IC قرار می‌گیرد تا مسیر محلی کم‌امپدانس‌تری برای این جریان‌های سریع ایجاد کند.

Bulk Capacitor با Decoupling چه تفاوتی دارد؟

Bulk Capacitor معمولاً ظرفیت بیشتری دارد و تغییرات کندتر جریان یا بار را پشتیبانی می‌کند.

Decoupling Capacitor معمولاً نزدیک IC قرار می‌گیرد و برای مؤلفه‌های فرکانسی بالاتر اهمیت دارد.

بنابراین صرف اینکه یک خازن بزرگ در ورودی برد وجود دارد، دلیل نمی‌شود خازن‌های محلی ICها حذف شوند.

حفاظت ورودی را قبل از ساخت فراموش نکنید

بسته به کاربرد، ورودی مدار ممکن است به حفاظت‌های مختلفی نیاز داشته باشد.

شماتیک خوب چه ویژگی‌هایی دارد؟

شماتیک فقط یک تصویر از Netها نیست. باید برای طراحی، بررسی و عیب‌یابی قابل خواندن باشد.

• نام‌گذاری صحیح Netها
• استفاده مناسب از Power Port
• تقسیم مدار به بلوک‌های منطقی
• قرار دادن مقادیر و Part Number
• نشان دادن Connectorها
• اضافه کردن Test Pointهای مهم
• نوشتن Noteهای ضروری
• مشخص بودن ورودی و خروجی هر بلوک

از چه نرم‌افزاری برای طراحی شماتیک و PCB استفاده کنیم؟

نرم‌افزارهایی مانند Altium Designer و KiCad برای طراحی شماتیک و PCB استفاده می‌شوند.

انتخاب نرم‌افزار به پیچیدگی پروژه، بودجه، محیط کاری و نیازهای تیم بستگی دارد.

اگر قصد دارید با محیط Altium بیشتر آشنا شوید، مقاله زیر می‌تواند نقطه شروع مناسبی باشد:

قبل از PCB، ERC را بررسی کنید

Electrical Rules Check یا ERC می‌تواند برخی خطاهای اتصال، Pin Type و مشکلات شماتیک را قبل از Layout مشخص کند.

ERC جای بررسی مهندسی را نمی‌گیرد، اما می‌تواند بخشی از اشتباهات ساده را قبل از ساخت حذف کند.

طراحی PCB فقط Routing نیست

بعد از تکمیل شماتیک، Placement مهم‌ترین بخش Layout است. اگر قطعات در جای نامناسب قرار گرفته باشند، Routing خوب هم نمی‌تواند تمام مشکلات را حل کند.

قطعات مرتبط را نزدیک هم قرار دهید

اجزای یک بلوک باید تا حد امکان منطقی Placement شوند. برای مثال خازن Decoupling باید نزدیک پایه تغذیه همان IC قرار گیرد.

مسیرهای جریان بالا را مشخص کنید

Trace مربوط به موتور یا مسیر Power نباید با همان عرض یک سیگنال کم‌جریان طراحی شود.

عرض مسیر باید بر اساس جریان، ضخامت مس، افزایش دمای قابل قبول و شرایط برد انتخاب شود.

Ground Plane و Return Path چیست؟

جریان فقط از Trace سیگنال عبور نمی‌کند؛ برای تکمیل حلقه باید مسیر برگشت نیز داشته باشد.

در PCBهای چندلایه، Ground Plane پیوسته می‌تواند مسیر برگشت کم‌امپدانس مناسبی ایجاد کند.

قطع کردن یا شکاف دادن Plane زیر سیگنال‌های سریع می‌تواند مسیر برگشت را مجبور کند مسیر طولانی‌تری طی کند و Loop Area افزایش پیدا کند.

مسیر آنالوگ و دیجیتال را چگونه مدیریت کنیم؟

در مدارهای Mixed-Signal، هدف این نیست که Groundها را بدون تحلیل از هم جدا کنیم.

مهم‌تر این است که مسیر جریان‌های پرنویز و جریان‌های حساس مشخص باشد و جریان بخش قدرت از مسیرهای حساس آنالوگ عبور نکند.

Placement صحیح ADC، Reference، Power Stage و مسیر برگشت معمولاً تأثیر زیادی روی نویز دارد.

چطور نویز مدار را کاهش دهیم؟

نویز فقط با اضافه کردن یک خازن تصادفی حل نمی‌شود.

راهکارها به منبع نویز و مسیر کوپل شدن آن بستگی دارند.

• Decoupling مناسب
• Ground Plane صحیح
• کاهش Loop Area
• جدا نگه داشتن Nodeهای سوئیچینگ از ورودی‌های حساس
• فیلتر مناسب
• کنترل Edge Rate در صورت نیاز
• استفاده صحیح از Differential Signaling
• Routing مناسب Clock

مدیریت حرارت از کجا شروع می‌شود؟

اولین قدم محاسبه تلفات است، نه اضافه کردن Heat Sink.

برای مثال، اگر یک رگولاتور خطی از 12V به 5V تبدیل کند و جریان بار 500mA باشد:

3.5 وات تلفات برای بسیاری از پکیج‌ها مقدار بزرگی است و ممکن است بدون طراحی حرارتی مناسب باعث افزایش شدید Junction Temperature شود.

Junction Temperature چیست؟

دمای Junction دمای داخلی بخش فعال نیمه‌هادی است و الزاماً با دمای سطح Package یا دمای محیط برابر نیست.

برای بررسی حرارتی باید مواردی مانند توان تلفاتی، Thermal Resistance، PCB Copper Area، Airflow و دمای محیط در نظر گرفته شوند.

آیا شبیه‌سازی قبل از ساخت ضروری است؟

برای همه مدارها الزاماً نه، اما در بسیاری از موارد بسیار مفید است.

با ابزارهایی مانند SPICE می‌توان مواردی مثل:

• DC Operating Point
• Transient Response
• Frequency Response
• Stability
• Startup

را قبل از ساخت بررسی کرد.

با این حال، Simulation فقط به اندازه مدل‌های مورد استفاده معتبر است و جای تست واقعی را نمی‌گیرد.

نمونه اولیه را قبل از PCB نهایی تست کنید

در مدارهای مناسب برای Breadboard، می‌توان ابتدا عملکرد اولیه را روی بردبورد بررسی کرد.

اما Breadboard برای هر مدار مناسب نیست. فرکانس بالا، جریان زیاد، Switching Power و سیگنال‌های حساس ممکن است روی Breadboard رفتار متفاوتی داشته باشند.

در چنین شرایطی Prototype PCB می‌تواند انتخاب بهتری باشد.

اولین روشن کردن مدار چگونه انجام شود؟

یکی از مراحل مهم اصول طراحی مدارهای الکترونیکی، First Power-Up است.

چه ابزارهایی برای تست مدار لازم است؟

مدار را فقط در شرایط Nominal تست نکنید

اگر مدار فقط روی میز و در یک شرایط خاص کار کند، هنوز طراحی کامل نیست.

در صورت مرتبط بودن با محصول، شرایط زیر نیز باید بررسی شوند:

• حداقل Vin
• حداکثر Vin
• حداقل و حداکثر Load
• Startup
• Shutdown
• دمای پایین و بالا
• Load Step
• خطای ورودی
• اتصال کوتاه خروجی در صورت طراحی برای تحمل آن

Design Review قبل از تولید چه کمکی می‌کند؟

قبل از ارسال PCB برای تولید بهتر است یک Design Review انجام شود.

در این مرحله موارد زیر مرور می‌شوند:

• شماتیک
• Footprint
• Pinout
• Polarity
• BOM
• Power Rating
• PCB Rules
• Connector Orientation
• Test Point
• Mechanical Dimensions

بسیاری از اشتباهات پرهزینه می‌توانند همین‌جا پیدا شوند.

اشتباهات رایج در طراحی مدارهای الکترونیکی

چک‌لیست نهایی طراحی مدار

قطعات و ابزارهای مناسب طراحی مدار را از کجا تهیه کنیم؟

پس از مشخص شدن طراحی، BOM و ابزار مورد نیاز، بهتر است قطعات را بر اساس مشخصات فنی انتخاب کنید؛ نه صرفاً نام عمومی آن‌ها.

جمع‌بندی؛ طراحی مدار قبل از شماتیک شروع می‌شود

اصول طراحی مدارهای الکترونیکی از لحظه‌ای شروع می‌شوند که نیازمندی‌های پروژه را مشخص می‌کنیم. انتخاب قطعات، شماتیک و PCB مراحل بعدی این فرایند هستند.

یک طراحی قابل اعتماد باید Power Budget، Datasheet، Margin، Decoupling، حفاظت، نویز، حرارت و محدودیت‌های واقعی قطعات را در نظر بگیرد.

در PCB نیز Placement، مسیر برگشت جریان، Ground Plane، عرض مسیرهای قدرت و محل قطعات حساس اهمیت زیادی دارند.

در نهایت، هیچ طراحی فقط با شماتیک یا Simulation کامل نمی‌شود. نمونه واقعی باید با ابزار مناسب و در شرایط مختلف تست شود و در صورت نیاز چند مرحله اصلاح را پشت سر بگذارد.

اگر این روند را مرحله‌به‌مرحله انجام دهید، احتمال اینکه مدار شما فقط «روی کاغذ کار کند» بسیار کمتر خواهد شد.

سوالات متداول درباره اصول طراحی مدارهای الکترونیکی

برای شروع طراحی مدار از کجا باید شروع کنیم؟

ابتدا Requirements پروژه شامل ورودی، خروجی، ولتاژ، جریان، نوع بار و شرایط کاری را مشخص کنید. سپس Block Diagram و Power Budget را تهیه کرده و بعد وارد انتخاب قطعه و شماتیک شوید.

آیا قبل از طراحی PCB باید مدار را شبیه‌سازی کنیم؟

برای همه مدارها الزام نیست، اما شبیه‌سازی می‌تواند در بررسی رفتار DC، Transient، Frequency Response و پایداری بسیار مفید باشد. با این حال، جای تست واقعی را نمی‌گیرد.

مهم‌ترین اشتباه در طراحی PCB چیست؟

یکی از اشتباهات مهم، تمرکز صرف روی اتصال Netها بدون توجه به Placement، مسیر برگشت جریان، Power Integrity، حرارت و رفتار سیگنال‌ها است.