Einführung
Das Design einer Leiterplatte (PCB) beginnt mit der Erstellung eines Schaltplans. Der Schaltplan enthält alle elektronischen Komponenten und ihre Verbindungen und dient als "Blaupause" für die anschließende Entwicklung der Leiterplatte. Mit einem sorgfältig erstellten Schematic lässt sich die Leiterplatte effizient und fehlerfrei designen.
In diesem Artikel werden die 10 wichtigsten Schritte für die Erstellung eines Schaltplans beschrieben, der als Grundlage für ein erfolgreiches PCB Layout dient. Von der Komponentenauswahl über Verbindungen bis hin zu Designregeln - diese Anleitung fasst die wesentlichen Aspekte des Schaltplan-Designs zusammen.
Schritt 1: Anforderungen definieren
Bevor mit dem Schematic Design begonnen wird, sollten die grundlegenden Anforderungen an die Leiterplatte definiert werden. Dies umfasst:
- Funktion - Was soll die Schaltung tun? Dies legt die benötigten Komponenten fest.
- Größe - Wie groß darf die Platine maximal sein? Platziert Einschränkungen für das Layout.
- Umgebung - Unter welchen Bedingungen wird die Platine betrieben? Z.B. Temperaturbereich, Feuchtigkeit, Stöße.
- Stückzahl - Wie viele Boards werden benötigt? Dies beeinflusst Fertigungskosten und Layout.
- Kosten - Gibt es ein maximales Budget für Fertigung und Komponenten?
Diese Anforderungen sollten schriftlich festgehalten werden, um sicherzustellen, dass das Schematic- und PCB-Design die Zielvorgaben erfüllen.
Schritt 2: Komponenten auswählen
Die Auswahl der richtigen Komponenten ist entscheidend für ein erfolgreiches Schematic-Design. Es sollten nur Komponenten verwendet werden, die:
- die elektrischen und physikalischen Anforderungen der Schaltung erfüllen.
- von den bevorzugten Zulieferern bezogen werden können.
- für die geplante Produktionsmenge geeignet sind.
- im Hinblick auf Kosten und Verfügbarkeit optimal sind.
Idealerweise haben die Komponenten bereits Footprints, die für die Leiterplatten-Fertigung geeignet sind.
Es empfiehlt sich, die Komponentenauswahl frühzeitig abzustimmen und Datenblätter sowie Footprints zu sammeln.
Schritt 3: Komponentenbibliothek erstellen
In einer Komponentenbibliothek werden alle benötigten Bauteile mit ihren Symbolen und Footprints gespeichert. Dies erleichtert es, die Komponenten ausgewählt in das Schematic einzufügen.
Beim Erstellen der Bibliothek sollten einige Aspekte beachtet werden:
- Übersichtliche Struktur - logische Unterteilung nach Komponententypen
- Eindeutige Bezeichnungen - keine doppelten Namen
- Konsistente Beschriftung - einheitliche Benennungsregeln
- Vollständige Daten - alle Pins beschriftet, alle Footprints zugewiesen
Geeignete Bibliotheks-Tools erleichtern die Verwaltung und Wiederverwendung von Komponenten zwischen Projekten.
Schritt 4: Schematic-Editor wählen
Für das Erstellen des Schematics wird ein EDA-Tool (Electronic Design Automation) benötigt. Beliebte Optionen sind:
- Altium Designer
- EAGLE
- OrCAD
- KiCad
- FreeCAD
Wichtig ist, dass das Tool alle benötigten Entwurfsfunktionen bietet und mit den Footprint-Bibliotheken der Fertigung kompatibel ist. Kosten, Benutzerfreundlichkeit und Plattform-Support sollten bei der Auswahl berücksichtigt werden.
Schritt 5: Schematic Sheet erstellen
Bevor Komponenten platziert werden, müssen ein oder mehrere Schematic Sheets erstellt werden. Dabei gilt es Folgendes festzulegen:
- Seitenformat: Größe und Orientierung des Blatts
- Rahmen: sichtbare Grenzen des Schematic-Bereichs
- Gitternetz: unterstützt die Ausrichtung und Positionierung
- Beschriftung: Titel, Author, Revisionsnummer, Firmenlogo etc.
Mit mehreren Schematic Sheets kann bei komplexen Schaltungen Übersicht geschaffen werden.
Schritt 6: Netzliste und Hierarchie erstellen
Eine Netzliste (Netlist) enthält alle elektrischen Verbindungen (Netze) der Schaltung. Sie wird vom EDA-Tool automatisch aus dem Schematic extrahiert.
Für umfangreiche Schematics empfiehlt sich eine hierarchische Struktur mit Hauptseite und Unterseiten. Dies erleichtert die Übersicht und Wiederverwendung von Funktionsblöcken.
Die hierarchische Netzliste ist die Basis für das weitere PCB-Layout und sollte möglichst frühzeitig überprüft werden.
Schritt 7: Komponenten platzieren und verdrahten
Nachdem das Sheet vorbereitet ist, können die zuvor ausgewählten Komponenten aus der Bibliothek platziert und verdrahtet werden.
Folgende Aspekte sollten beachtet werden:
- Logische Anordnung der Komponenten (z.B. von links nach rechts)
- Wichtige Signale zuerst verdrahten
- Saubere Rechtwinklige Verdrahtung oder 45° Winkel
- Lesbare Beschriftung aller Anschlüsse
- Verwendung von Bussen für zusammengehörige Signale
Eine übersichtliche und konsistente Platzierung erleichtert das Layout und die Fehlersuche.
Schritt 8: Design Rules anwenden
Design Rules legen gewisse Einschränkungen für das Schematic fest, um fertigungsfähige Layouts zu ermöglichen. Typische Design Rules sind:
- Minimaler Abstand zwischen Leiterbahnen und Bauteilen
- Maximale Stromstärken für Leiterbahnbreiten
- Minimaler Via-Durchmesser
- Lötstop-Bereiche definieren
Die Design Rules sollten mit der Fertigung abgestimmt werden. Das EDA-Tool kann das Schematic automatisch auf Regelverletzungen prüfen.
Schritt 9: Schematic prüfen und dokumentieren
Bevor das Schematic für das PCB-Layout freigegeben wird, sollte es sorgfältig geprüft werden. Folgendes sollte überprüft werden:
- Vollständigkeit der Verdrahtung
- Einhaltung der Design Rules
- Richtigkeit der Netzliste
- Lesbarkeit und einheitliche Formatierung
- Vollständige Dokumentation (z.B. in Readme-Datei)
Eine gründliche Prüfung und Dokumentation minimiert Fehler und Missverständnisse beim Layout. Simulationen können bereits frühzeitig Aufschluss über das Verhalten der Schaltung geben.
Schritt 10: Daten exportieren
Nach der Prüfung werden die Schematic-Daten für das PCB-Layout exportiert. Übliche Exportformate sind:
- Gerber-Dateien
- STEP-Modell
- BOM (Bill of Materials)
- Netzliste
- PDF-Dokumentation
Diese Daten bilden die Ausgangsbasis für die Leiterplatten-Entwicklung. Ein sorgfältig erstelltes und geprüftes Schematic ist der Schlüssel für einen reibungslosen Layout-Prozess.
Zusammenfassung
Die 10 Schritte in diesem Leitfaden fassen die besten Praktiken zusammen, um ein Schematic zu erstellen, das als solide Grundlage für die Leiterplatten-Fertigung dient:
- Anforderungen definieren
- Komponenten auswählen
- Bibliothek erstellen
- Schematic-Editor wählen
- Sheet erstellen
- Netzliste und Hierarchie
- Komponenten platzieren und verdrahten
- Design Rules anwenden
- Schematic prüfen und dokumentieren
- Daten exportieren
Mit sorgfältiger Planung, Auswahl geeigneter Tools und Einhaltung bewährter Entwurfspraktiken lässt sich ein Schematic entwickeln, das effiziente und fehlerfreie Leiterplatten ermöglicht.
FAQ
Was ist der Unterschied zwischen Schematic und PCB Layout?
Das Schematic stellt die logischen Verbindungen zwischen den Komponenten dar. Es definiert die Funktion der Schaltung. Das PCB Layout ordnet die Komponenten physikalisch auf der Leiterplatte an und realisiert die Verbindungen durch Leiterbahnen.
Welche Fehler treten häufig beim Schematic Design auf?
Typische Fehler sind unvollständige Verdrahtung, fehlende oder falsche Beschriftung, Verletzung von Design Rules, unsaubere oder unleserliche Grafik, fehlende Dokumentation. Eine sorgfältige Prüfung minimiert solche Fehler.
Warum werden Footprints bereits im Schematic zugewiesen?
Die Zuweisung der Footprints ermöglicht es, das Layout zu prüfen und sicherzustellen, dass die Footprints auf der Platine platz finden. Außerdem erleichtert es die Erstellung der Netzliste und des BOM.
Wie detailliert muss das Schematic für die Fertigung sein?
Alle Pins müssen beschriftet und mit dem Footprint verknüpft sein. Die Verdrahtung muss lückenlos sein und alle Design Rules eingehalten werden. Eine gute Dokumentation hilft dem Fertigungsdienstleister.
Wie lässt sich die Komplexität umfangreicher Schematics beherrschen?
Durch eine hierarchische Struktur mit logischer Funktionsunterteilung. Wiederverwendbare Funktionsblöcke in Libraries vereinfachen das Design. Geeignete EDA-Tools unterstützen hierbei.
