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Leiterplattenentwicklung

Strategischer Ausblick auf das PCB Design

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Die steigende Leistungsfähigkeit von Produkten führt dazu, dass die Versorgungsspannungen immer kleiner werden. Aus den 5 V der ersten TTL-Logik sind heute Spannungswerte von 1 V die Regel. So können bei gleicher Anstiegszeit mehr Daten übertragen werden, ohne die Signalintegrität zu gefährden. Dies führt aber als Nebeneffekt dazu, dass die Toleranzen der Spannungsversorgung ebenfalls sinken und mehr Vorsicht bei der Auslegung der Stromversorgungssysteme sowie der Abblockkondensatoren getroffen werden muss.

Die Optimierung des Power Delivery Networks (PDN) soll ausreichend stabil sein, jedoch mit möglichst wenigen Kondensatoren auskommen, damit die Verlustleistung der Schaltung gering bleibt. Nur so lassen sich Energie-Standards für mobile Anwendungen einhalten und gleichzeitig die Eigenerwärmung reduzieren. Die PI-Simulation (Power Integrity) in diesem Bereich gewinnt daher verstärkt an Bedeutung.

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Je höher die Stückzahl oder der Herstellungspreis der produzierten Produkte ist, desto mehr wird auch die Frage der Zuverlässigkeitsberechnung (MTBF und FMEA) auf die Bauteilauswahl und Schaltungstechnik zukommen. Und natürlich müssen dabei diverse Umweltstandards (Compliance) wie RoHS eingehalten werden. Die unterschiedlichen Entwicklungswerkzeuge müssen miteinander mehr Daten austauschen und die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Experten in anderen Abteilungen oder anderen Firmen ermöglichen.

Es wird mehr standardisierte Schnittstellen in den Tools für den Import und Export von speziellen Daten geben, die dabei die Datenmenge möglichst klein halten und wenig eigenes Knowhow verraten. Aber es wird auch Schnittstellen zu übergeordneten PLM- und ERP-Schnittstellen geben, um die Daten zentral zu speichern und zu verteilen. Bisher existieren dazu viele proprietäre Lösungen. Der Marktdruck aber verlangt geeignete Standards; Formate wie IPC2581 werden dann von allen Software-Anbietern unterstützt.

Bei den zu entwickelnden Produkten gibt es auch Trends, die sich auf die Elektronik abbilden lassen. Geräte werden immer häufiger vernetzt: Autos untereinander, Smartphones mit Kühlschränken, Waschmaschinen und Supermarktkassen. Die drahtlosen Schnittstellen (beispielsweise Bluetooth, NFC, WiFi) sind aber hinsichtlich Datendurchsatz und Sicherheit dazu nicht ausreichend. Deshalb entstehen hierzu in nächster Zeit immer wieder neue Standards, die dann schnell in Designs zu übernehmen sind.

In der IC-Entwicklung gibt es bereits IP-Anbieter, die gewisse Schaltungsteile entworfen haben und an andere Unternehmen ihr Knowhow (Interlectual Property) lizensieren. Für Leiterplatten dürfte es ebenso in diese Richtung gehen, sodass man komplexe Schaltungsteile oder Kupferstrukturen für Antennen in ein Design importiert. Ob dieses Wissen über bewährte Schaltungsteile dann lizensiert oder von den Chip-Herstellern als Musterschaltung oder Referenz-Design kostenlos bereitgestellt wird, um die eigenen Bauteile in Stückzahlen zu verkaufen, bleibt abzuwarten.

Die Anzahl der Referenz-Designs für komplexere Aufgaben, beispielsweise spezialisierte Chips für IoT, Schnittstellen, Sensoren oder Grafikkarten, steigt bereits. Das heißt, die Schaltpläne werden in Zukunft modularer und bestehen aus eigenen Schaltungsteilen und integrierten, fremden Schaltungsblöcken. Schaltpläne zeigen sich künftig auch komplexer, da sie nicht nur eine Baugruppe beschreiben, sondern das gesamte elektrische System dokumentieren und auf verschiedene Leiterplatten partitionieren.

Früher unterschied man zwischen Analog- und Digitaltechnik in der Elektronik. Die neusten Entwicklungen heute sind bereits so schnelle digitale Schaltungen, dass die Kenntnisse aus der Nachrichtentechnik erforderlich sind, um die Effekte unter Kontrolle zu bringen. In Zukunft wird es selbst bei den analogen Sensoren so viele digitale Daten geben, dass man sowohl im analogen als auch im digitalen Bereich von Mixed-Signal-Schaltungen sprechen kann.

Nicht allein durch das im Artikel Beschriebene ist die Leiterplatten-Entflechtung zu einer hochkomplexe Disziplin im Elektronikentwurf geworden; neue Gerätefunktionen und besondere Wünsche der Konsumenten lassen die Anforderungen an einen Leiterplatten-Designer nachhaltig steigen – die Zukunft bleibt damit spannend.

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