全自動化原理圖驗證

Craig Armenti

Mentor 線路板系統部PCB市場工程師。在EDA行業擁有超過25年的從業經驗。他曾在多家電信和軟體公司擔任過市場工程類和應用工程類的職位。

挑戰：消除原理圖設計錯誤

原理圖是每個PCB設計的控制文件。它控制著設計目的，驅動著下游工藝流程，包括模擬、分析、布局、製造和組裝。因此，原理圖非常關鍵，它要準確反映出產品的電了要求和技術規格。

在過去，驗證原理圖是否正確地傳達了設計意圖的所有關鍵任務是由一名或多名硬體工程師手動完成的。這種驗證方式通常是每次檢驗一張表或一個區塊，過程中會採用一些自動化技術輔助完成驗證，例如將物料清單和/或網表導出到文本文件或電子表格。

原理圖驗證是硬體工程師的一項常規職責，這就如同PCB布局驗證是PCB設計師的一項工作職責。但隨著如今的電路設計變得越來越複雜，對原理圖進行手動驗證，這種耗時的方法已經不再可行。手動驗證複雜的電路會帶來很大的風險，因為人工無法檢測出的原理圖設計錯誤，隨後可能會進入下游工藝流程，最終會影響到成品線路板。其後果就是重新設計，導致成本增加、上市時間延長。

最近，一項由Aberdeen集團完成的調查表明，65%的受訪公司認為不斷增加的產品複雜程度已經成為PCB設計的主要挑戰（圖1）。

圖1：PCB設計面臨的主要挑戰

（來源：Aberdeen集團）

Aberdeen Group的調查結果強調了確保原理圖設計在整個產品開發過程中零錯誤的重要性。本文將探討一個高效的全自動原理圖審查流程如何幫助設計團隊消除原理圖設計錯誤，從而減少費用高昂的重新設計，並縮短上市時間。

手動審查原理圖：已經被淘汰

原理圖輸入一定不是產品開發過程中最令人激動或最令人嚮往的任務。實際上，很多硬體工程師會把這個任務委託給團隊中的技術人員去做，他們給技術人員提供電路的手繪圖或PPT演示說明，方便技術人員解譯並輸入。通過這種委託方式，硬體工程師可以把精力集中在其他任務上，例如電路優化或實驗室測試，但適當驗證原理圖是否正確輸入也隨之變得越來越重要。

正如在不牢固的地基上建造不出高大的建築一樣，基於一個有缺陷的原理圖也設計不出傑出的產品。隨著設計的複雜程度不斷增加、產品開發時長不斷縮短，對全自動化原理圖驗證的需求變得越來越重要。如果沒有對原理圖進行適當地驗證，那麼硬體重新設計、上市時間延長、現場退貨增加、產品質量下降的可能性就會大大增加（圖2）。

圖2：隨著設計複雜程度的增加，原理圖驗證不當所帶來的影響

對原理圖手動審查的過程中，團隊通常只關注最常見的設計問題，其中包括：

- 元件沒有與電源和/或地適當連接

- 電源缺失

- 二極體方向錯誤

- 網沒有接收端

- 引腳電壓不匹配（不同電壓閾值）

- 板對板連接器有誤

- 因一些細小問題導致不必要的延遲、成本和風險

雖然這些都不是複雜的問題，但在一個複雜設計中用肉眼找到所有的這些問題也很難（如果不是不可能）。而這些僅僅是最常見的原理圖問題，還有更多潛在的問題是人工所無法審查到的。

全自動化原理圖驗證

ECAD驗證工具一直以來都只針對設計的布局和製造方面，而不針對原理圖。假設有78%的項目會經歷2次或2次以上的重新設計，而在多數情況下導致重新設計的根本原因都會追溯到原理圖設計錯誤，現在輪到全自動化原理圖驗證登場了。消除原理圖錯誤不僅可以節省大量的時間和成本，還可以縮短上市時間，提升產品質量，降低風險（圖3）。

圖3：很少的原理圖錯誤所帶來的益處

在原理圖輸入過程中（而不是之後）進行全自動化原理圖驗證，開發過程會左移，從而產生經證實的益處，如生產周期縮短、成本降低、消除了重新設計（圖4）。

圖4：原理圖技術的左移

利用Xpedition的原理圖完整性分析，工程師可以使用預先定義的檢查和廣泛的智能模型元件庫對原理圖中所有的網進行全面審查。設計團隊不再需要進行目視檢查和實驗室調試，這種自動化原理圖分析幫他們節省了大量時間。檢查與原理圖輸入同步快速進行，如此一來就可以最大程度地確保布局首次通過率。超過125項專有的原理圖完整性分析檢查不僅詳細而且快速，而且具備功率和技術意識。它們的設計可鑒別參數錯誤和不良設計操作，並且可與所有主要的PCB設計工具匹配。

Xpedition的原理圖完整性分析對每個設計會平均進行400,000次檢查。圖5展示的對原理圖進行Xpedition原理圖完整性分析後所得出的結果。

圖5： Xpedition原理圖完整性分析找到了58個關鍵問題、96處缺陷，並給出了70次警告。其審查結果遠遠超過手動審查結果。

應用

Xpedition的原理圖分析技術適用於一個工程團隊內設計操作的多種需求。儘管本文用了大量篇幅強調新產品設計過程中原理圖驗證的重要性，但其他的應用還包括：

現有產品設計:維持現有的電子設計會給產品設計團隊帶來很大壓力，尤其是當現場性能與業務目標及預期不相符的時候。可以在產品上市之後對其進行原理圖完整性分析，從而改善電子設計質量、增加良率並減少產品退貨。原理圖分析可以快速對問題產品進行評估，這些產品具有不理想的特徵，會對生產良率、保修期內失效率（平均無故障時間）、無故障發現率以及安裝/調試成功率造成負面影響。潛在設計缺陷的出現以及現場發布產品的邊緣性會使產品運行性能退化，導致設計團隊無法找到隱藏在問題背後的根本原因。這種診斷調查通常會花費數周時間，而通過對設計完整性的篩查可節省很多時間。通過給問題產品建模，原理圖分析可以系統性地鑒別出隱藏缺陷和邊緣問題，為設計團隊提供了一個全面的概況，指導他們在正確的位置診斷出限制性能表現的問題，可謂事半功倍。

原始設計與製造布局：原理圖完整性模擬作為新設計驗收的過濾器，為那些重視上市時間的OEM提供了一種速度快、性價比高的方式以確保來自ODM和設計服務合作夥伴的設計是前後一致並且可靠的。系統性地揭示缺陷和邊緣性問題為新設計能否達到性能目標提供了一個客觀且全面的衡量指標。與CAD無關的功能可直接與客戶的ODM合作，從而建立在線分析支持，與他們獨特的設計流程完全兼容，確保設計的首次通過率得到優化。

總結

任何產品開發團隊的主要目標之一就是在產品上市之前減少重新設計的次數。鑒於導致重新設計的根本原因通常是由於原理圖設計錯誤而導致的，所以需要一個包含了全自動化原理圖驗證功能的流程來解決這個問題，它可以大幅減少出現這種高昂代價問題的機率。Xpedition的原理圖完整性分析可以讓工程師通過使用預先定義的檢查和廣泛的智能模型元件庫對原理圖中所有的網進行全面審查。

可以為新設計建模並不斷進行分析，以確保最新的設計變化已經得到充分評估。來自多個不同線路板設計的數據也可以集成起來進行系統級的驗證。此外，可以在電子設計上市之後對其進行原理圖完整性分析，從而改善電子設計的質量、增加良率並減少產品退貨。

原理圖的人工審查和驗證已經不再適用於當今日益複雜的設計。

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