Zvládnutí návrhu PCB: Strategie, pokyny a osvědčené postupy

PCB je obdobou kostry a nervového systému elektronických obvodů a hraje klíčovou roli v projektech elektronického inženýrství. Mnoho jedinců však postrádá porozumění nebo nemají dostatečné znalosti o návrhu PCB.

Během svých univerzitních let jsem se obzvláště zajímal o obvodové desky a hardwarové obvody a tyto předměty jsem pilně studoval. V té době jsem věřil, že po ukončení studia by bylo ideální zajistit si práci zahrnující počítačově podporovaný design (CAD) v kancelářském prostředí. Po ukončení studia jsem úspěšně zakotvil v elektronické firmě v Guangzhou, kde jsem pracoval jako PCB inženýr. Zpočátku jsem se musel dobře orientovat v různých úkolech, včetně schematického kreslení, výběru součástek, rozložení DPS, pájení prototypů, ladění, vytváření kusovníků a přípravy pracovních pokynů. Tato zkušenost znamenala začátek mé cesty v elektronickém průmyslu.

Zásadní role schémat v návrhu DPS

Zatímco dobrý schematický diagram nemůže zaručit dobré směrování, kvalitní směrování začíná dobrým schématem. Při vytváření schématu je nutné důkladné zvážení s pečlivou pozorností k toku signálu celého obvodu. Hladký a stabilní tok signálu zleva doprava ve schématu by se měl převést na podobně dobrý tok signálu na desce plošných spojů. Je vhodné uvést do schématu co nejvíce užitečných informací.

Někdy, když nejsou inženýři obvodů k dispozici, mohou zákazníci požádat o naši pomoc s řešením problémů s obvody. Konstruktéři, technici a inženýři zapojení do této práce jsou často vděční, stejně jako my. Jaké další informace by měly být zahrnuty kromě běžných informací, jako jsou referenční značky, spotřeba energie a tolerance, ve schématu? Následující návrhy mohou povýšit běžné schéma na špičkové: uveďte průběhy, mechanické informace týkající se pouzdra, délky vytištěných čar, prázdné oblasti; uveďte, které součástky by měly být umístěny na desce plošných spojů; poskytněte informace o nastavení, rozsahy hodnot součástek, informace o odvodu tepla, vytištěné čáry s řízenou impedancí , anotace, stručné popisy funkcí obvodu a další.

Pokyny pro efektivní spolupráci při návrhu DPS

Pokud jste nenavrhovali směrování sami, je nezbytné věnovat dostatek času pečlivému přezkoumání práce návrháře směrování. V tomto okamžiku může malé preventivní opatření převážit sto prostředků. Nepředpokládejte, že směrující osoba může pochopit vaše nápady. Vaše názory a pokyny jsou nejdůležitější v počátečních fázích procesu návrhu směrování. Čím více informací poskytnete a čím více se zapojíte do procesu směrování, tím lepší bude výsledná PCB. Stanovení dočasného bodu dokončení pro návrháře směrování – rychlé přezkoumání postupu směrování podle požadovaného směrování – může zabránit tomu, aby se směrování vychýlilo z kurzu, a tím minimalizovat pravděpodobnost přepracování.

Pokyny pro směrovacího inženýra by měly obsahovat: stručný popis funkce obvodu, schéma desky plošných spojů s vyznačením umístění vstupů a výstupů, informace o uspořádání desek plošných spojů (např. tloušťka desky, počet vrstev, podrobné informace o každé signálové vrstvě a zemi). rovina – napájení, zem, analogový signál, digitální signál a RF signál); které signály vyžaduje každá vrstva; požadavky na umístění kritických součástí; přesné umístění součástí bypassu; které tištěné řádky jsou kritické; které řádky vyžadují tisk s řízenou impedancí; které čáry vyžadují odpovídající délky; rozměry součástí; které tištěné řádky je třeba udržovat od sebe (nebo blízko sebe); které čáry je třeba držet od sebe (nebo blízko sebe); které součásti je třeba držet odděleně (nebo blízko sebe); které součástky je třeba umístit na desku plošných spojů a které pod ni. Nikdy si nestěžujte na poskytování příliš mnoha informací ostatním – je to příliš málo? Ano; Je to moc? Ne.

Poučení z chyb: Důležitost umístění součástí ve složitých návrzích desek plošných spojů

Asi před 10 lety jsem navrhl vícevrstvou desku plošných spojů – obě strany desky měly součástky. Deska byla zajištěna v pozlaceném hliníkovém pouzdře mnoha šrouby (kvůli velmi přísným požadavkům na odolnost proti otřesům). Přes desku byly poskytnuty kolíky pro bias feed. Bylo to velmi složité zařízení. Některé součástky na desce byly použity pro testování nastavení (SAT). Měl jsem však jasně specifikované umístění těchto součástí. Dokážete odhadnout, kde byly všechny tyto komponenty nainstalovány? Je to tak, byly instalovány na spodní straně desky. Když produktový inženýr a technik museli celé zařízení rozebrat, dokončit nastavení a poté znovu složit, nebyli spokojeni. Od té doby už jsem tu chybu neudělal.

Zvýšení účinnosti PCB prostřednictvím strategického rozvržení obvodů

Stejně jako u PCB, poloha určuje vše. Rozhodující je, kde je obvod umístěn na desce plošných spojů, kde jsou instalovány jeho specifické obvodové prvky a jaké další obvody k němu přiléhají.

Obvykle jsou polohy vstupů, výstupů a napájecích zdrojů předem určeny, ale obvody mezi nimi vyžadují určitou „kreativitu“. To je důvod, proč věnování pozornosti detailům směrování přinese značné výnosy. Začněte od pozice klíčových komponentů a zvažte konkrétní obvod a celou desku plošných spojů. Specifikace pozic klíčových komponent a signálových cest od začátku pomáhá zajistit, že návrh dosáhne očekávaných provozních cílů. Správné provedení návrhu napoprvé může snížit náklady a stres – a zkrátit vývojový cyklus.

Kromě toho pojďme diskutovat o těchto „speciálních podložkách“ na PCB:

Za prvé, slzná podložka Slza je kapkové spojení mezi podložkou a vodičem nebo mezi vodičem a prokovem. Účelem nastavení slzy je zabránit odpojení kontaktního bodu mezi vodičem a podložkou nebo vodičem a prokovem, když je deska s obvody vystavena velké vnější síle, a také aby deska plošných spojů vypadala krásněji. Funkcí slzy je zabránit náhlému zúžení šířky signálového vedení, což může zjemnit spojení mezi routingem a komponentním padem a vyřešit problém snadného přerušení spojení mezi padem a routingem.

1. Při svařování může chránit podložku a zabránit pádu podložky během více svarů.
2. Zvýšit spolehlivost spojení (aby se zabránilo prasklinám způsobeným nerovnoměrným leptáním a přesazením prokovů ve výrobě)
3. Hladká impedance, snížení prudké změny impedance V designu PCB, aby byla podložka robustnější a zabránilo se odpojení podložky od vodiče během mechanické výroby desky, je mezi podložkou a vodičem často uspořádána přechodová zóna ve tvaru slza, proto často nazývaná slza (Teardrops).

Za druhé, vybíjecí zub. Tato věc se nazývá vybíjecí zub, vybíjecí mezera nebo jiskřiště. Jiskřiště je dvojice trojúhelníků s ostrými úhly směřujícími k sobě, přičemž špičky trojúhelníků jsou od sebe vzdáleny maximálně 10 mil do minimálně 6 mil. Jeden trojúhelník je uzemněn a druhý je připojen k signálovému vedení. Tento trojúhelník není součástkou, ale je vyroben z vrstev měděné fólie používané v procesu směrování desky plošných spojů. Tyto trojúhelníky musí být umístěny na horní vrstvě (na straně součástky) desky plošných spojů a nelze je zakrýt pájecím odporem.

1. Během přepěťové zkoušky spínaných napájecích zdrojů nebo ESD zkoušky se na obou koncích induktoru společného režimu vytvoří vysoké napětí, které způsobí jiskření. Pokud je vzdálenost k okolním komponentům malá, může dojít k poškození okolních komponent. Proto může být výbojka nebo varistor zapojen paralelně na svých dvou koncích, aby se omezilo její napětí a hrály tak roli při zhášení oblouku. Umístění přepěťové ochrany je sice efektivní, ale poměrně drahé.
2. Dalším způsobem je přidání výbojového zubu na oba konce induktoru společného režimu v provedení PCB, takže induktor se vybíjí přes dva špičaté konce vybíjecího zubu, čímž se zabrání výboji jinými cestami, čímž se minimalizuje dopad na okolní a následné - jevištní komponenty.

Výbojové mezery nevyžadují dodatečné náklady, stačí je nakreslit na DPS při kreslení desky, ale je důležité si uvědomit, že tato forma výbojové mezery je vzduchová výbojová mezera a lze ji použít pouze v prostředí, kde se ESD vyskytuje příležitostně. Při použití v prostředí, kde se ESD vyskytuje často, se ve dvou bodech trojúhelníku budou hromadit uhlíkové usazeniny v důsledku častého vybíjení, což případně způsobí zkrat ve výbojové mezeře a způsobí trvalý zkrat signálního vedení k zemi, což má za následek selhání systému.

Ve skutečnosti je v návrhu PCB mnoho radostí, ale pouze cvičením získáte hluboké porozumění. Pokud mají přátelé po přečtení tohoto článku nějaké pocity ohledně návrhu PCB, mohou nás kontaktovat pro výměnu.

Pro plánování výroby je také užitečné porovnat toto téma s výběrem materiálu desek plošných spojů a srovnáním povrchové úpravy před dokončením výrobního nebo montážního balíčku.

Závěr

Návrh desky plošných spojů je v elektronice zásadní, tvoří jádro obvodu. Pochopení je však často omezené. Důkladná schémata, podrobně popisující průběhy, mechaniku a umístění podporují kvalitní směrování. Přísná kontrola, jasná komunikace a včasná specifikace cesty/komponenty předcházejí problémům, zajišťují spokojenost a optimalizují efektivitu. Specializované podložky (slzy, výbojové zuby) zvyšují spolehlivost tím, že zabraňují oddělení a zmírňují vysoké napětí. Zkušenosti a sdílení znalostí jsou klíčem ke zvládnutí návrhu PCB.