Desain sirkuit elektronik adalah proses perencanaan, pengujian, dan pembangunan sirkuit yang melakukan tugas tertentu. Ini melibatkan penentuan persyaratan, memilih suku cadang yang andal, membuat skema, mensimulasikan kinerja, dan menguji desain akhir. Dengan mengikuti langkah-langkah hati-hati, sirkuit menjadi aman, efisien, dan dapat diandalkan. Artikel ini memberikan informasi terperinci tentang setiap tahap proses desain.
Ikhtisar Desain Sirkuit Elektronik
Desain sirkuit elektronik adalah proses perencanaan dan pembangunan sirkuit yang dapat melakukan tugas tertentu. Ini dimulai dengan eksperimen kecil pada papan tempat memotong roti atau melalui simulasi komputer untuk memeriksa apakah ide itu berhasil. Setelah itu, desain digambar dalam diagram skematik yang menunjukkan bagaimana setiap bagian terhubung. Desainnya ditransfer ke papan sirkuit tercetak (PCB), yang dapat diproduksi dan dirakit menjadi sistem kerja.
Proses ini sering menggabungkan berbagai jenis sinyal. Sirkuit analog bekerja dengan sinyal halus dan kontinu, sedangkan sirkuit digital bekerja dengan sinyal yang beralih di antara dua keadaan. Terkadang, keduanya digabungkan dalam desain yang sama untuk membuat sistem lebih lengkap.
Tujuan dari desain sirkuit elektronik adalah untuk menciptakan produk akhir yang tidak hanya fungsional tetapi juga andal dan siap digunakan dalam kondisi nyata. Desain yang cermat membantu memastikan sirkuit akan berfungsi dengan baik, tetap stabil, dan memenuhi persyaratan keselamatan.
Persyaratan untuk Spesifikasi Teknis
| Kategori | Contoh Spesifikasi |
|---|---|
| Listrik | Tegangan input: 5–12 V, Penarikan arus: <1 A, Bandwidth: 10 MHz |
| Waktu | Latensi < 50 ns, Jitter jam < 2 ps |
| Lingkungan | Beroperasi -40°C hingga +85°C, kelembaban 90% |
| Mekanik | Ukuran PCB: 40 × 40 mm, Berat < 20 g |
| Kepatuhan | Harus memenuhi CE/FCC, EMC Kelas B |
| Biaya/Produksi | Biaya BOM <\$5, Hasil perakitan >95% |
Arsitektur Sistem dan Desain Diagram Blok
Diagram blok ini menggambarkan struktur inti sistem elektronik dengan memecahnya menjadi subsistem yang saling berhubungan. Subsistem Daya memasok energi yang stabil melalui baterai, konverter DC-DC, dan regulator, membentuk fondasi untuk semua blok lainnya. Di pusatnya adalah Subsistem Kontrol, yang menampung mikrokontroler, FPGA, atau prosesor yang bertanggung jawab untuk mengelola aliran data dan pengambilan keputusan.
Subsistem Analog menangani sinyal dunia nyata menggunakan sensor, amplifier, dan filter, sedangkan I/O Digital memungkinkan komunikasi dengan perangkat eksternal melalui standar seperti USB, SPI, UART, CAN, dan Ethernet. Blok Clocking & Timing terpisah memastikan sinkronisasi dengan osilator, PLL, dan perutean yang tepat untuk kinerja jitter rendah.
Untuk menjaga keandalan, Zona Isolasi ditekankan, yang menjauhkan sinyal digital yang berisik dari sirkuit analog yang sensitif, mengurangi interferensi dan meningkatkan stabilitas sistem.
Komponen Dasar dalam Desain Sirkuit Elektronik
Resistor
Ini digunakan untuk membatasi dan mengontrol aliran arus listrik. Dengan menambahkan resistansi, mereka memastikan bahwa bagian sensitif dari sirkuit tidak rusak oleh terlalu banyak arus.
Kapasitor
Ini bertindak sebagai perangkat penyimpanan energi kecil. Mereka memegang muatan listrik dan dapat melepaskannya dengan cepat saat dibutuhkan. Ini membuatnya berguna untuk menstabilkan tegangan, menyaring sinyal, atau memasok semburan daya pendek.
Transistor
Ini berfungsi sebagai sakelar dan amplifier. Mereka dapat menghidupkan atau mematikan arus seperti gerbang yang dikendalikan atau membuat sinyal lemah lebih kuat. Transistor adalah bagian dari elektronik modern karena memungkinkan sirkuit untuk memproses dan mengontrol informasi.
Dioda
Memandu arah arus. Mereka memungkinkan listrik mengalir hanya ke satu arah, menghalanginya ke arah lain. Ini melindungi sirkuit dari arus balik yang dapat menyebabkan kerusakan.
Penelitian dan Seleksi Komponen dalam Desain Sirkuit Elektronik
Pertimbangan Kinerja
Saat memilih suku cadang untuk sirkuit, salah satu hal pertama yang harus diperiksa adalah kinerja. Ini berarti melihat bagaimana komponen akan berperilaku dalam desain. Detail yang diperlukan termasuk berapa banyak kebisingan yang ditambahkannya, seberapa stabil dari waktu ke waktu, berapa banyak daya yang digunakannya, dan seberapa baik ia menangani sinyal. Faktor-faktor ini menentukan apakah sirkuit akan bekerja sebagaimana mestinya.
Pemilihan Paket
Paket komponen adalah cara pembuatan dan ukurannya. Ini mempengaruhi berapa banyak ruang yang dibutuhkan di papan, berapa banyak panas yang dapat ditangani, dan seberapa mudah ditempatkan selama perakitan. Paket yang lebih kecil menghemat ruang, sedangkan yang lebih besar bisa lebih mudah digunakan dan menangani panas dengan lebih baik. Memilih paket yang tepat membantu menyeimbangkan ruang, panas, dan kemudahan penggunaan.
Ketersediaan dan Rantai Pasokan
Tidak cukup bagi bagian untuk bekerja dengan baik; itu juga harus tersedia saat dibutuhkan. Anda harus memeriksa apakah suku cadang tersebut dapat dibeli dari lebih dari satu pemasok dan apakah masih akan diproduksi di masa mendatang. Ini mengurangi risiko penundaan atau desain ulang jika bagian tiba-tiba menjadi sulit ditemukan.
Kepatuhan dan Standar
Elektronik harus mengikuti aturan untuk keselamatan dan lingkungan. Suku cadang sering kali diperlukan untuk memenuhi standar seperti RoHS, REACH, atau UL. Persetujuan ini memastikan komponen tersebut aman digunakan, tidak merusak lingkungan, dan dapat dijual di berbagai daerah. Kepatuhan adalah bagian utama dalam memilih komponen.
Keandalan dan Derating
Keandalan berarti berapa lama dan seberapa baik komponen dapat tetap bekerja dalam penggunaan normal. Untuk membuat suku cadang bertahan lebih lama, Anda harus menghindari mendorongnya ke batas maksimumnya. Praktik ini disebut derating. Dengan memberikan margin yang aman pada suku cadang, kemungkinan kegagalan menurun, dan seluruh sistem menjadi lebih dapat diandalkan.
Jenis Simulasi Sirkuit dalam Desain Sirkuit Elektronik
| Jenis Simulasi | Tujuan dalam Desain Sirkuit |
|---|---|
| Bias DC | Mengonfirmasi bahwa semua perangkat beroperasi pada volume yang benartage dan titik arus. Mencegah transistor jenuh atau terputus secara tidak sengaja. |
| Sapuan AC | Mengevaluasi respons frekuensi, penguatan, dan margin fase. Dasar untuk amplifier, filter, dan analisis stabilitas. |
| Sementara | Menganalisis perilaku domain waktu seperti peralihan, respons startup, waktu naik/turun, dan overshoot. |
| Analisis Kebisingan | Memprediksi sensitivitas sirkuit terhadap kebisingan listrik dan membantu mengoptimalkan strategi penyaringan untuk aplikasi kebisingan rendah. |
| Monte Carlo | Menguji variasi statistik dalam toleransi komponen (resistor, kapasitor, transistor), memastikan ketahanan desain di seluruh penyebaran manufaktur. |
| Termal | Memperkirakan pembuangan panas dan mengidentifikasi titik panas potensial, yang diperlukan untuk sirkuit daya dan desain kompak. |
Pengiriman Daya dan Integritas Sinyal dalam Desain Sirkuit
Praktik Jaringan Pengiriman Daya (PDN)
• Pembumian Bintang: Gunakan koneksi bintang untuk meminimalkan loop arde. Ini mengurangi kebisingan dan memastikan potensi referensi yang konsisten di seluruh papan.
• Jalur Pengembalian Pendek: Selalu sediakan jalur pengembalian impedansi langsung dan rendah untuk arus. Loop panjang meningkatkan induktansi dan menyuntikkan kebisingan ke sirkuit sensitif.
• Kapasitor Decoupling: Tempatkan kapasitor decoupling bernilai kecil sedekat mungkin dengan pin daya IC. Mereka bertindak sebagai reservoir energi lokal dan menekan transien frekuensi tinggi.
• Kapasitor Massal: Tambahkan kapasitor curah di dekat titik masuk daya. Ini menstabilkan pasokan selama perubahan beban yang tiba-tiba.
Pertimbangan Integritas Sinyal (SI)
• Perutean Impedansi Terkontrol: Jejak kecepatan tinggi harus dirutekan dengan impedansi yang ditentukan (biasanya 50 Ω diferensial berujung tunggal atau 100 Ω). Ini mencegah pantulan dan kesalahan data.
• Manajemen Tanah: Pisahkan ground analog dan digital untuk menghindari gangguan. Hubungkan pada satu titik untuk mempertahankan bidang referensi yang bersih.
• Pengurangan Crosstalk: Pertahankan jarak antara garis berkecepatan tinggi paralel atau gunakan jejak pelindung tanah. Ini meminimalkan kopling dan menjaga kualitas sinyal.
• Layer Stackup: Dalam PCB multilayer, dedikasikan bidang kontinu untuk daya dan ground. Ini mengurangi impedansi dan membantu mengontrol EMI.
Tata Letak PCB dalam Desain Sirkuit
Penempatan Komponen
Tempatkan komponen berdasarkan fungsi dan aliran sinyal. Kelompokkan bagian-bagian terkait bersama-sama dan minimalkan panjang jejak, terutama untuk sirkuit analog berkecepatan tinggi atau sensitif. Komponen dasar seperti osilator atau regulator harus diposisikan dekat dengan IC yang didukungnya.
Perutean Sinyal
Hindari tikungan jejak 90° untuk mengurangi diskontinuitas impedansi dan potensi EMI. Untuk pasangan diferensial, seperti USB atau Ethernet, pertahankan panjang jejak yang cocok untuk menjaga integritas waktu. Pisahkan sinyal analog dan digital untuk mencegah gangguan.
Tumpukan Lapisan
Penumpukan lapisan yang seimbang dan simetris meningkatkan kemampuan manufaktur, mengurangi lengkungan, dan memberikan impedansi yang konsisten. Bidang ground dan power khusus menurunkan kebisingan dan menstabilkan pengiriman tegangan.
Pertimbangan Kecepatan Tinggi
Rutekan sinyal berkecepatan tinggi dengan impedansi terkontrol, pertahankan bidang referensi berkelanjutan, dan hindari rintisan atau via yang tidak perlu. Jaga agar jalur pengembalian tetap pendek untuk meminimalkan induktansi dan menjaga integritas sinyal.
Manajemen Termal
Tempatkan vias termal di bawah perangkat daya untuk menyebarkan panas ke bidang tembaga bagian dalam atau sisi berlawanan dari PCB. Gunakan tuangan tembaga dan teknik penyebaran panas untuk sirkuit berdaya tinggi.
Desain Skematik dan ERC dalam Pengembangan Sirkuit
Langkah-langkah Desain Skematik
• Lembar Hierarkis: Pecahkan desain menjadi bagian-bagian logis seperti subsistem daya, analog, dan digital. Ini membuat sirkuit kompleks tetap teratur dan membuat debugging atau pembaruan di masa mendatang lebih mudah.
• Penamaan Net yang Bermakna: Gunakan nama net deskriptif alih-alih label generik. Penamaan yang jelas menghindari kebingungan dan mempercepat pemecahan masalah.
• Atribut Desain: Sertakan peringkat tegangan, persyaratan arus, dan informasi toleransi langsung dalam skema. Ini membantu selama peninjauan dan memastikan komponen dipilih dengan spesifikasi yang tepat.
• Sinkronisasi Footprint: Tautkan komponen ke footprint PCB yang benar di awal proses. Menangkap ketidakcocokan sekarang mencegah penundaan dan pengerjaan ulang yang mahal selama tata letak PCB.
• Preliminary Bill of Materials (BOM): Buat draf BOM dari skematik. Ini membantu memperkirakan biaya, memeriksa ketersediaan suku cadang, dan memandu perencanaan pengadaan sebelum menyelesaikan desain.
Kebersihan Pemeriksaan Aturan Kelistrikan (ERC)
• Mendeteksi pin mengambang yang dapat menyebabkan perilaku yang tidak ditentukan.
• Menandai jaring yang diperpendek yang dapat mengakibatkan kegagalan fungsional.
• Memastikan koneksi daya dan arde konsisten di seluruh desain.
Uji dan Validasi Sirkuit
• Tambahkan titik uji pada sinyal penting dan rel daya sehingga pengukuran dapat dilakukan dengan mudah selama debugging dan pengujian produksi.
• Menyediakan header pemrograman dan debug seperti JTAG, SWD, atau UART untuk memuat firmware, memeriksa sinyal, dan berkomunikasi dengan sistem selama pengembangan.
• Gunakan catu daya terbatas saat menyalakan PCB untuk pertama kalinya. Ini melindungi komponen dari kerusakan jika ada celana pendek atau kesalahan desain.
• Nyalakan dan validasi setiap subsistem secara terpisah sebelum menjalankan seluruh sistem secara bersamaan. Ini membuatnya lebih mudah untuk mengisolasi dan memperbaiki masalah.
• Bandingkan semua hasil yang diukur dengan spesifikasi desain asli. Periksa batas termal, kinerja waktu, dan efisiensi daya untuk memastikan sirkuit berfungsi sebagaimana mestinya.
• Simpan catatan bawa terperinci dan hasil pengujian. Dokumentasi ini membantu revisi di masa mendatang, pemecahan masalah, dan serah terima ke tim produksi.
Kesimpulan
Desain sirkuit elektronik menggabungkan perencanaan, simulasi, dan pengujian untuk menciptakan sistem yang andal. Dari pengaturan spesifikasi hingga tata letak dan validasi PCB, setiap langkah memastikan sirkuit bekerja sebagaimana mestinya dalam kondisi nyata. Dengan menerapkan desain dan standar yang baik, Anda dapat mengembangkan solusi elektronik yang aman, efisien, dan tahan lama.
Pertanyaan yang Sering Diajukan
Pertanyaan 1. Perangkat lunak apa yang digunakan untuk desain sirkuit elektronik?
Altium Designer, KiCad, Eagle, dan OrCAD umum untuk skema dan tata letak PCB. LTspice, Multisim, dan PSpice sering digunakan untuk simulasi.
Pertanyaan 2. Bagaimana pentanahan memengaruhi sirkuit?
Pembumian yang tepat mengurangi kebisingan dan gangguan. Bidang tanah, pembumian bintang, dan pemisahan ground analog dan digital meningkatkan stabilitas.
Pertanyaan 3. Mengapa manajemen termal diperlukan dalam sirkuit?
Panas berlebih mempersingkat masa pakai komponen dan mengurangi kinerja. Heat sink, thermal vias, tuangan tembaga, dan aliran udara membantu mengontrol suhu.
Pertanyaan 4. File apa yang diperlukan untuk membuat PCB?
File Gerber, file bor, Bill of Materials (BOM), dan gambar perakitan diperlukan untuk fabrikasi dan perakitan PCB yang akurat.
Pertanyaan 5. Bagaimana integritas sinyal diuji?
Osiloskop, reflektorometri domain waktu (TDR), dan penganalisis jaringan memeriksa impedansi, crosstalk, dan distorsi.
Pertanyaan 6. Apa itu desain untuk kemampuan manufaktur (DFM)?
DFM berarti membuat sirkuit yang mudah diproduksi dengan menggunakan footprint standar, mengikuti batas PCB, dan menyederhanakan perakitan.