Architettura intelligente per librerie di componenti PCB di successo
Sommario
"L’organizzazione è ciò che si fa prima di fare qualcosa affinché quando la si fa non sia tutto disordinato."
A. A. Milne
L’architettura è la struttura specifica che regola i nostri dati acquisiti, e determina il modo in cui archiviamo, disponiamo e utilizziamo i dati nel sistema.
Per un certo verso, l’architettura della vostra libreria PCB è simile all’architettura di un edificio. Prima di poter costruire la vostra libreria dovete completare l’architettura per non trovarvi con un Hotel Del Coronado virtuale nelle vostre mani...
L’Hotel Del Coronado sorge a Coronado, in California, proprio sulla spiaggia davanti alla baia di San Diego. Questa imponente struttura completamente in legno è la seconda più grande del Paese. La sua fama gli deriva anche dall’essere stato il primo albergo negli Stati Uniti ad avere avuto l’illuminazione elettrica e il primo albero di Natale all’aperto illuminato elettricamente. Inoltre, è stato l’hotel in cui nel 1959 è stato girato il classico del cinema A qualcuno piace caldo, con Marilyn Monroe, Jack Lemmon e Tony Curtis.
La costruzione dell’hotel è iniziata a marzo del 1887 e l’albergo ha aperto le sue porte nel febbraio del 1888. Ciò che colpisce e sorprende di questo meraviglioso albergo è che per costruirlo non è stato usato nessun progetto architettonico ufficiale. Tutto è stato “unito” insieme e programmato nel corso dei lavori. Ciò è evidente quando si osserva la parte anteriore della facciata dell’edificio e si nota la caratteristica struttura frammentata. Nonostante ciò, questo bellissimo hotel è diventato il gioiello di Coronado.
Vi ho parlato di questo perché anche se può accadere di creare qualcosa senza che esista un progetto precedente, non è una scelta consigliabile. Si tratta senza dubbio di un’opera architettonica straordinaria, ma anche di una cosa che è opportuno non tentare oggi.
Adoro osservare lo sviluppo della struttura di un edificio. Gli operai livellano il terreno, poggiano le fondamenta, innalzano le pareti e creano il tetto. Prima che tu te ne renda conto, hai un edificio. Tutto questo succede grazie a una pianificazione appropriata, e nello specifico una pianificazione architettonica.
Vediamo come struttureremo la nostra libreria.
Questo pilastro è più importante di tutti gli altri. L’architettura e, in ultima analisi, la struttura che si sviluppa da esso determinano e hanno effetti su ogni altro pilastro. Essendo così importante, l’architettura è anche il pilastro che può provocare i danni maggiori alle nostre librerie se non è configurata correttamente.
Ovviamente i dettagli della libreria variano a seconda delle esigenze specifiche di un’azienda che a loro volta determineranno il successo della vostra architettura.
Gettare le basi per le fondamenta
Basta aprire il catalogo di un fornitore di componenti elettronici qualsiasi per essere immediatamente sopraffatti dai milioni di componenti disponibili. Il numero più recente di componenti disponibili sul sito di un famoso fornitore di componenti elettronici è pari a 8.621.770.
Le informazioni sui componenti sono molto dinamiche, cosa che contribuisce ad accrescere la confusione. Si tratta di un flusso costante durante il quale alcuni componenti vengono aggiunti, mentre altri vengono rimossi. Anche i campi dei dati e dei parametri cambiano. Ecco perché è praticamente impossibile definire con precisione le informazioni sulla disponibilità e sulla fornitura. Sarebbe molto più facile trovare un ago in un pagliaio.
Primi passi
Le librerie PCB sono troppo spesso impostate in modo da ospitare il punto in cui un’azienda si trova in questo momento piuttosto che il punto in cui potrebbe trovarsi tra 5 o 10 anni. Non conosco aziende che desiderano restare semplicemente ferme per tanti anni. Pertanto, dovrete prima preparare e valutare il modo in cui la vostra azienda crescerà.
Non molto tempo fa ho parlato con un’azienda della loro libreria (strano perché avevano già posato il loro primo pilastro). Mi hanno detto che avevano problemi a gestire circa 1.500 componenti. Quando ho chiesto loro come avrebbero gestito 10.000 componenti, hanno strabuzzato gli occhi ed è calato un silenzio di tomba. Ciò nonostante, hanno colto il punto: dobbiamo creare una libreria che sia in grado di gestire 10.000 componenti anche se non siamo ancora arrivati a quel numero. La struttura della libreria è, pertanto, realizzata in modo da consentirne l’espansione naturale auspicando la crescita dell’azienda. Ciò che serve è la pianificazione.
Categoria/famiglie di componenti
Un modo comune per organizzare i componenti è suddividerli in categorie e famiglie e quindi applicare un numero di categoria specifico di 100-series. Il livello successivo deve quindi essere suddiviso in Famiglie con un sistema di numerazione di 1-Series.
Con questo genere di struttura, possiamo trovare e organizzare con facilità qualsiasi componente. Tuttavia, poiché all’interno di ogni categoria di un componente possono essere presenti 100 famiglie diverse con un numero infinito di componenti in ognuna, questa struttura può espandersi adattandosi alla crescita del database.
Fortunatamente, la parte difficile è già fatta. La maggior parte dei fornitori di componenti organizza i componenti nello stesso modo. Il migliore che ho trovato personalmente è Octopart®, che ha una struttura molto dettagliata di componenti basati non solo per categoria ma anche per sottocategorie e famiglie. A seconda della complessità necessaria nella vostra libreria, possiamo aggiungere agevolmente ulteriori livelli (che esamineremo quando ci occuperemo del discreto). Non ho mai visto una libreria soffrire per un’eccessiva organizzazione. Più è organizzata, meglio è.
Prerequisito della libreria
Prima di iniziare dovete avere un’idea chiara dell’aspetto che la libreria avrà perché è molto difficile cambiare in corso d’opera, cosa che ho provato personalmente. L’unico modo per risolvere il problema è stato eliminare l’intera libreria e ricominciare da capo. Un po’ di pianificazione e organizzazione sono fondamentali. A differenza dell’Hotel Del Coronado, non è buona prassi cercare di costruirla al volo sperando che tutto “si unisca” alla fine.
Lasciate che siano i componenti che si trovano nei vostri design attuali a definire ciò di cui avete bisogno. Non tutte le categorie e le famiglie di componenti sono necessarie, dunque non ha senso configurare ogni categoria e famiglia.
Iniziate con la vostra struttura iniziale e cominciate a costruire. Una volta che una parte è online (come diciamo), potete aggiungere le categorie e le famiglie di componenti con rapidità mentre la libreria cresce. In questo modo molte attività saranno anticipate, ma si ridurranno anche piuttosto rapidamente.
Il componente; il Blocco di costruzione della libreria
Sbucciamo un altro strato della proverbiale cipolla. Il componente elettronico è il blocco di costruzione di qualsiasi libreria. Come detto prima, il tipo principale di libreria usata oggi è la Libreria di componenti, che suddivide i vari modelli che compongono il componente in entità separate. Quando sono altamente controllati, i blocchi gestiti di informazioni consentono una configurazione reale della libreria. Se sappiamo in cosa consiste ogni componente, allora possiamo inserirlo nella struttura della libreria.
In cosa consiste un componente?
I vari pezzi di un componente sono divisi in 2 categorie principali: le informazioni e i Modelli.
Informazioni
Le informazioni dei componenti hanno spesso una natura statica. Pertanto, è preferibile integrarle nel componente stesso. Inoltre, così facendo, le informazioni vitali restano collegate a quel componente. Le informazioni parametriche del componente includono dettagli specifici relativi alla parte. Come si vede nella figura qui sotto. Un gran numero dei milioni di componenti menzionati prima sono separati da differenze impercettibili, ma che possono creare o distruggere un design PCB.
Il tipo secondario di informazioni sono quelle relative alla fornitura. Le informazioni relative alla fornitura si trovano su un nuovo livello di dati dinamici. Con le forniture di componenti che cambiano non giornalmente o settimanalmente, ma istantaneamente, questo è un problema che è stato sempre più preso in considerazione dai designer PCB.
Modelli
La seconda categoria di ogni componente sono i suoi modelli. I modelli minimi richiesti per ogni componente sono il Simbolo schematico, l’Impronta/Decal e il Modello 3D. Trovare un buon modello di simulazione sarebbe vantaggioso. Tuttavia, questa non può essere una regola ferrea perché per alcuni componenti, in particolare i Produttori IC, i dettagli sul funzionamento di determinati chip sono proprietari.
I modelli dei componenti sono più statici con modifiche che vengono apportate a un ritmo inferiore. Detto questo, è fondamentale che questi componenti siano tenuti il più generali possibile. La regola è che se il modello può essere usato con facilità in più luoghi non è desiderabile “legarlo” a una particolare parte con informazioni parametriche o di fornitura. L’area delle informazioni e quella dei modelli per i componenti non devono intersecarsi ove possibile e quando si tratta delle convenzioni di denominazione.
Simbolo schematico
Il simbolo schematico è un pittogramma usato per rappresentare vari dispositivi elettrici ed elettronici o funzioni.
L’unica eccezione a questa regola è la denominazione di alcuni simboli schematici che sono collegati. Molto spesso, un simbolo schematico si riferisce esclusivamente a un pacchetto impronta specifico. La cosa migliore è usare il numero di parte MFG come nome del simbolo.
Impronta/Decal
L’Impronta PCB è la disposizione dei cuscinetti (nella tecnologia a montaggio superficiale) o dei fori (nella tecnologia through-hole) usati per fissare fisicamente e collegare elettricamente un componente a un circuito stampato. L’impronta su un circuito stampato corrisponde alla disposizione dei cavi in un componente. La regola principale è che il simbolo schematico e l’impronta devono corrispondere.
Convenzione denominazione dell’impronta
Per effettuare ricerche all’interno di una libreria e trovare i componenti al suo interno, è necessaria una convenzione di denominazione standardizzata, specialmente se le impronte richieste sono create da più di una persona. Fortunatamente, IPC si è occupata di tutto questo. È richiesta la lettura di 2 standard:
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Standard IPC-7251C Requisiti generici per design e impronta through-hole
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Standard IPC-7351C Requisiti generici per design e impronta a montaggio superficiale
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La convenzione di denominazione dell’Impronta/Decal PCB usando IPC-7351C
In sintesi, le impronte sono identificate dal tipo e dalla dimensione del pacchetto.
Modelli 3D
La rappresentazione 3D del componente sul PCB ha assunto una maggiore importanza con la riduzione delle dimensioni delle unità finite. I vincoli meccanici saranno con molta probabilità ciò che definirà la maggior parte dei design dei PCB. Fortunatamente, sono emerse molte fonti per i modelli 3D, tra cui 3D Content Central e Grab CAD. Tuttavia, la fonte a cui fare riferimento per il modello 3D è il produttore stesso. Un numero sempre più ampio di loro sta ascoltando i designer di PCB e includendo i modelli insieme alle informazioni parametriche.
La necessità di avere rappresentazioni 3D accurate non è passata inosservata alle aziende di software ECAD PCB. Altium ha inserito nel suo protocollo standard il concetto che quando un nuovo componente viene creato ed esiste un modello 3D, questo deve essere incluso automaticamente.
Simulazione
Le simulazioni sono diventate piuttosto problematiche poiché trovarle è un vero terno al lotto. Il problema non riguarda i componenti discreti convenzionali. Ma, per gli IC avanzati, come detto prima, l’unica fonte solitamente disponibile è il Produttore. Ciò forza gli ingegneri a sviluppare metodi speciali per simulare circuiti che non hanno un IC rappresentato.
Sede per i modelli
Varie strategie sono emerse per quanto riguarda la gestione dei modelli. Un punto di vista è tenere tutti i modelli per l’intera libreria in una sola cartella. Il problema che ho riscontrato è che con questo metodo è difficile gestire i contenuti. Anche solo trovare il modello necessario diventa un’impresa.
Credo che sia più opportuno avere una cartella di modelli per ogni categoria del componente. In questo modo, i modelli sono almeno suddivisi e organizzati in maniera chiara per quella categoria.
Il problema si verifica quando un modello ha più categorie in cui potrebbe risiedere. Per esempio, un pacchetto con dimensioni SOT potrebbe risiedere in varie categorie di componenti all’interno della libreria. Come possiamo gestirlo? Seguiamo la regola di cui abbiamo parlato sopra, ma con l’unica eccezione che ogni volta che una modifica viene apportata su qualsiasi impronta, è necessario effettuare una ricerca per determinare se anche le altre impronte corrispondenti devono essere modificate.
Una parola sui componenti discreti
Per usare una metafora, se una libreria fosse un corpo umano, lo stomaco rappresenterebbe i componenti discreti. Se la libreria cresce, è garantito che le categorie di componenti discreti sono quelle che contengono il numero maggiore di componenti. Occorre, pertanto, prestare una particolare attenzione a quell’area della libreria fornendo un’ulteriore struttura architettonica. Un metodo può essere quello di aggiungere altri livelli che includerebbero la dimensione del componente, affinché siano ulteriormente organizzati per dimensioni.
Inoltre poiché la creazione dei componenti discreti richiede molto tempo, se sono stati categorizzati per dimensione, sarebbe utile creare un modello di componenti discreti. Cos’è il modello? Un componente generico composto dal simbolo schematico e dalle impronte usate. Questi componenti sono salvati con un nome univoco che consente di trovarli con facilità durante una ricerca. Per esempio, una dimensione standard di componente discreto per un resistore è 0402. Nel modello, avremo il simbolo del resistore e nell’esempio 3 le impronte per le condizioni minima, nominale e massima. Viene salvato come <RES0402> con quella sintassi. Per i resistori 0402 successivi bisognerà cercare il modello <RES0402>, creare una copia, inserire le informazioni parametriche e, infine, agganciare la fornitura. Ciò offre un paio di vantaggi: accelera il tempo necessario per creare componenti e standardizza il processo e i modelli usati.
Lavorare con componenti discreti
Considerato l’ampio numero di produttori di componenti discreti, è chiaro che non tutti i componenti sono della stessa dimensione. Le piccole differenze presenti tra loro, non fanno che accrescere l’importanza di usare uno standard come IPC per il designer PCB. Per dimostrare questo punto, una semplice ricerca in Digikey per un Resistore su chip 0402 offre come risultato 12 diverse impronte che utilizzano un totale di 10 altezze diverse che vanno da 0,35 mm a 0,85 mm. Ciò risulterebbe in circa 15-20 impronte diverse per questo solo componente.
Come risolviamo questo problema? Per prima cosa iniziate con le 3 impronte di base (massima, nominale e minima). Successivamente, l’altezza del componente per ognuna sarà il componente più alto. L’aspetto critico è verificare la presenza di interferenze con qualsiasi oggetto meccanico, e il modello 3D più alto sarà la condizione massima.
Passaggi pratici
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Condurre una verifica completa dei componenti usati nell’ambiente e determinare la Categoria e la famiglia specifica per ognuno.
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Configurare la cartella dei modelli per ogni categoria
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Configurare i modelli dei componenti discreti per semplificare la creazione delle parti.
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