Mastering Design PCB: Στρατηγικές, Οδηγίες & Βέλτιστες Πρακτικές

Το PCB είναι ανάλογο με τον σκελετό και το νευρικό σύστημα των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, διαδραματίζοντας κεντρικό ρόλο στα ηλεκτρονικά έργα μηχανικής. Ωστόσο, πολλά άτομα στερούνται κατανόησης ή έχουν ανεπαρκείς γνώσεις σχετικά με το σχεδιασμό PCB.

Κατά τη διάρκεια των πανεπιστημιακών μου χρόνων, ανέπτυξα ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τη σχεδίαση κυκλωμάτων πλακέτας και υλικού, και μελέτησα αυτά τα θέματα επιμελώς. Εκείνη την εποχή, πίστευα ότι η εξασφάλιση μιας θέσης εργασίας που περιλαμβάνει σχεδιασμό με τη βοήθεια υπολογιστή (CAD) σε ένα περιβάλλον γραφείου μετά την αποφοίτηση θα ήταν ιδανική. Μετά την αποφοίτησή μου, κατέκτησα με επιτυχία μια θέση σε μια ηλεκτρονική εταιρεία στο Guangzhou, όπου εργάστηκα ως μηχανικός PCB. Αρχικά, έπρεπε να γνωρίζω καλά διάφορες εργασίες, συμπεριλαμβανομένου του σχηματικού σχεδίου, της επιλογής εξαρτημάτων, της διάταξης PCB, της συγκόλλησης πρωτοτύπων, του εντοπισμού σφαλμάτων, της δημιουργίας λογαριασμού υλικών (BOM) και της προετοιμασίας οδηγιών εργασίας. Αυτή η εμπειρία σηματοδότησε την αρχή του ταξιδιού μου στη βιομηχανία ηλεκτρονικών.

Ο κρίσιμος ρόλος των σχηματικών διαγραμμάτων στη σχεδίαση PCB

Ενώ ένα καλό σχηματικό διάγραμμα δεν μπορεί να εγγυηθεί καλή δρομολόγηση, η ποιοτική δρομολόγηση ξεκινά με ένα καλό σχηματικό. Κατά τη δημιουργία ενός σχηματικού, απαιτείται διεξοδική εξέταση, με ιδιαίτερη προσοχή στη ροή του σήματος ολόκληρου του κυκλώματος. Μια ομαλή και σταθερή ροή σήματος από αριστερά προς τα δεξιά στο σχηματικό θα πρέπει να μεταφράζεται σε παρόμοια καλή ροή σήματος στο PCB. Συνιστάται να παρέχετε όσο το δυνατόν περισσότερες χρήσιμες πληροφορίες στο σχηματικό.

Κατά καιρούς, όταν οι μηχανικοί σχεδιασμού κυκλωμάτων δεν είναι διαθέσιμοι, οι πελάτες μπορούν να ζητήσουν τη βοήθειά μας για την επίλυση προβλημάτων κυκλωμάτων. Οι σχεδιαστές, οι τεχνικοί και οι μηχανικοί που ασχολούνται με αυτήν την εργασία είναι συχνά ευγνώμονες, όπως και εμείς. Εκτός από τις συνήθεις πληροφορίες όπως οι προσδιοριστές αναφοράς, η κατανάλωση ενέργειας και η ανοχή, ποιες άλλες πληροφορίες πρέπει να συμπεριληφθούν στο σχηματικό; Οι ακόλουθες προτάσεις μπορούν να αναβαθμίσουν ένα συνηθισμένο σχηματικό σε κορυφαίο: να συμπεριλάβουν κυματομορφές, μηχανικές πληροφορίες σχετικά με το περίβλημα, μήκη τυπωμένων γραμμών, κενές περιοχές, να υποδείξουν ποια εξαρτήματα πρέπει να τοποθετηθούν στην πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος, να παρέχουν πληροφορίες ρύθμισης, εύρη τιμών εξαρτημάτων, πληροφορίες απαγωγής θερμότητας, τυπωμένες γραμμές ελεγχόμενης σύνθετης αντίστασης , σχολιασμούς, συνοπτικές περιγραφές ενεργειών κυκλώματος και πολλά άλλα.

Οδηγίες για την αποτελεσματική συνεργασία στον σχεδιασμό PCB

Εάν δεν σχεδιάσατε μόνοι σας τη δρομολόγηση, είναι απαραίτητο να διαθέσετε αρκετό χρόνο για να εξετάσετε σχολαστικά τη δουλειά του σχεδιαστή δρομολόγησης. Σε αυτή τη συγκυρία, μια μικρή προφύλαξη μπορεί να ξεπεράσει εκατό θεραπείες. Μην υποθέτετε ότι το άτομο που δρομολογεί μπορεί να κατανοήσει τις ιδέες σας. Οι απόψεις και η καθοδήγησή σας είναι πιο κρίσιμες στα αρχικά στάδια της διαδικασίας σχεδιασμού δρομολόγησης. Όσο περισσότερες πληροφορίες παρέχετε και όσο περισσότερο συμμετέχετε στη διαδικασία δρομολόγησης, τόσο καλύτερο θα είναι το PCB που προκύπτει. Η δημιουργία ενός προσωρινού σημείου ολοκλήρωσης για τον σχεδιαστή δρομολόγησης —η ταχεία ανασκόπηση της προόδου της δρομολόγησης σύμφωνα με την επιθυμητή δρομολόγηση— μπορεί να αποτρέψει την εκτροπή της δρομολόγησης από την πορεία της, ελαχιστοποιώντας έτσι την πιθανότητα εκ νέου επεξεργασίας.

Οι οδηγίες για τον μηχανικό δρομολόγησης θα πρέπει να περιλαμβάνουν: μια σύντομη περιγραφή της λειτουργίας κυκλώματος, ένα σχηματικό σχέδιο PCB που υποδεικνύει τις θέσεις των εισόδων και εξόδων, πληροφορίες στοίβαξης PCB (π.χ. πάχος πλακέτας, αριθμός στρώσεων, λεπτομερείς πληροφορίες για κάθε στρώμα σήματος και γείωση επίπεδο—ισχύς, γείωση, αναλογικό σήμα, ψηφιακό σήμα και σήμα RF). ποια σήματα απαιτεί κάθε επίπεδο. απαιτήσεις τοποθέτησης για κρίσιμα εξαρτήματα. ακριβείς θέσεις των εξαρτημάτων παράκαμψης. Ποιες τυπωμένες γραμμές είναι κρίσιμες. Ποιες γραμμές απαιτούν εκτύπωση ελεγχόμενης αντίστασης. Ποιες γραμμές απαιτούν ταιριαστά μήκη. διαστάσεις εξαρτημάτων? ποιες τυπωμένες γραμμές πρέπει να διατηρούνται χωριστά (ή κοντά μεταξύ τους). ποιες γραμμές πρέπει να διατηρούνται χωριστά (ή κοντά μεταξύ τους). ποια εξαρτήματα πρέπει να διατηρούνται χωριστά (ή κοντά μεταξύ τους). ποια εξαρτήματα πρέπει να τοποθετηθούν πάνω από το PCB και ποια πρέπει να τοποθετηθούν από κάτω. Ποτέ μην παραπονιέστε για την παροχή πολλών πληροφοριών σε άλλους—Είναι πολύ λίγες; Ναί; Είναι πάρα πολύ; Οχι.

Μαθαίνοντας από λάθη: Η σημασία της τοποθέτησης εξαρτημάτων σε σύνθετα σχέδια PCB

Πριν από περίπου 10 χρόνια, σχεδίασα μια πλακέτα κυκλώματος επιφανειακής τοποθέτησης πολλαπλών στρώσεων — και οι δύο πλευρές της πλακέτας είχαν εξαρτήματα. Η σανίδα στερεώθηκε σε επίχρυσο περίβλημα αλουμινίου με πολλές βίδες (λόγω πολύ αυστηρών απαιτήσεων αντοχής σε κραδασμούς). Μέσω της σανίδας παρέχονται καρφίτσες για τροφοδοσία μεροληψίας. Αυτή ήταν μια πολύ περίπλοκη συσκευή. Ορισμένα εξαρτήματα στην πλακέτα χρησιμοποιήθηκαν για τη δοκιμή ρύθμισης (SAT). Ωστόσο, είχα προσδιορίσει σαφώς τις θέσεις αυτών των εξαρτημάτων. Μπορείτε να μαντέψετε πού εγκαταστάθηκαν όλα αυτά τα εξαρτήματα; Σωστά, τοποθετήθηκαν στο κάτω μέρος του πίνακα. Όταν ο μηχανικός και ο τεχνικός του προϊόντος έπρεπε να αποσυναρμολογήσουν ολόκληρη τη συσκευή, να ολοκληρώσουν τη ρύθμιση και στη συνέχεια να τη συναρμολογήσουν ξανά, δεν ήταν ευχαριστημένοι. Δεν έχω ξανακάνει αυτό το λάθος από τότε.

Βελτίωση της απόδοσης PCB μέσω της στρατηγικής διάταξης κυκλώματος

Όπως και στα PCB, η θέση καθορίζει τα πάντα. Το πού τοποθετείται ένα κύκλωμα σε ένα PCB, το πού είναι εγκατεστημένα τα συγκεκριμένα στοιχεία του κυκλώματος του και ποια άλλα κυκλώματα βρίσκονται δίπλα του είναι όλα καθοριστικής σημασίας.

Συνήθως, οι θέσεις των εισόδων, των εξόδων και των τροφοδοτικών είναι προκαθορισμένες, αλλά τα κυκλώματα μεταξύ τους απαιτούν κάποια «δημιουργικότητα». Γι' αυτό η προσοχή στις λεπτομέρειες δρομολόγησης θα αποφέρει σημαντικές αποδόσεις. Ξεκινώντας από τη θέση των βασικών εξαρτημάτων, εξετάστε το συγκεκριμένο κύκλωμα και ολόκληρο το PCB. Ο καθορισμός των θέσεων των βασικών στοιχείων και των διαδρομών σήματος από την αρχή βοηθά στη διασφάλιση ότι ο σχεδιασμός επιτυγχάνει τους αναμενόμενους επιχειρησιακούς στόχους. Η σωστή σχεδίαση την πρώτη φορά μπορεί να μειώσει το κόστος και το άγχος και να συντομεύσει τον κύκλο ανάπτυξης.

Επιπλέον, ας συζητήσουμε αυτά τα «ειδικά τακάκια» στο PCB:

Πρώτον, μαξιλαράκι δάκρυ Το δάκρυ είναι μια σύνδεση σταγόνας μεταξύ ενός μαξιλαριού και ενός αγωγού ή μεταξύ ενός αγωγού και μιας διόδου. Ο σκοπός της ρύθμισης της σταγόνας είναι να αποτρέψει την αποσύνδεση του σημείου επαφής μεταξύ του αγωγού και του μαξιλαριού ή του αγωγού και της διόδου όταν η πλακέτα κυκλώματος υπόκειται σε τεράστια εξωτερική δύναμη, καθώς και για να κάνει την πλακέτα κυκλώματος PCB να φαίνεται πιο όμορφη. Η λειτουργία του δάκρυ είναι να αποτρέπει το ξαφνικό στένωση του πλάτους της γραμμής σήματος, γεγονός που μπορεί να κάνει τη σύνδεση μεταξύ της δρομολόγησης και του εξαρτήματος pad πιο ομαλή και να λύσει το πρόβλημα της εύκολης θραύσης της σύνδεσης μεταξύ του μαξιλαριού και της δρομολόγησης.

1. Κατά τη συγκόλληση, μπορεί να προστατεύσει το υπόθεμα και να αποτρέψει την πτώση του μαξιλαριού κατά τη διάρκεια πολλαπλών συγκολλήσεων.
2. Βελτιώστε την αξιοπιστία της σύνδεσης (για να αποφύγετε ρωγμές που προκαλούνται από ανομοιόμορφη χάραξη και μετατόπιση των vias στην παραγωγή)
3. Ομαλή αντίσταση, μειώστε την απότομη αλλαγή της σύνθετης αντίστασης Στο σχεδιασμό PCB, προκειμένου να γίνει το μαξιλαράκι πιο στιβαρό και να αποτραπεί η αποσύνδεση του μαξιλαριού από τον αγωγό κατά την κατασκευή μηχανικής πλακέτας, μια ζώνη μετάβασης συχνά διατάσσεται μεταξύ του μαξιλαριού και του αγωγού, σε σχήμα όπως ένα δάκρυ, εξ ου και συχνά ονομάζεται δάκρυ (Teardrops).

Δεύτερον, δόντι εκκένωσης. Αυτό το πράγμα ονομάζεται δόντι εκκένωσης, διάκενο εκκένωσης ή διάκενο σπινθήρα. Το διάκενο σπινθήρα είναι ένα ζεύγος τριγώνων με αιχμηρές γωνίες που δείχνουν η μία προς την άλλη, με τις άκρες των τριγώνων να απέχουν από μέγιστο 10 mils έως ελάχιστο 6 mils. Το ένα τρίγωνο είναι γειωμένο και το άλλο είναι συνδεδεμένο στη γραμμή σήματος. Αυτό το τρίγωνο δεν είναι εξάρτημα, αλλά είναι κατασκευασμένο από στρώματα φύλλου χαλκού που χρησιμοποιούνται στη διαδικασία δρομολόγησης PCB. Αυτά τα τρίγωνα πρέπει να τοποθετηθούν στο επάνω στρώμα (πλευρά εξαρτήματος) της PCB και δεν μπορούν να καλυφθούν από αντίσταση συγκόλλησης.

1. Κατά τη διάρκεια της δοκιμής υπέρτασης των τροφοδοτικών μεταγωγής ή της δοκιμής ESD, θα δημιουργηθεί υψηλή τάση και στα δύο άκρα του επαγωγέα κοινής λειτουργίας, προκαλώντας δημιουργία τόξου. Εάν η απόσταση από τα γύρω εξαρτήματα είναι κοντά, μπορεί να προκληθεί ζημιά στα γύρω εξαρτήματα. Επομένως, ένας σωλήνας εκκένωσης ή ένα βαρίστορ μπορεί να συνδεθεί παράλληλα στα δύο άκρα του για να περιορίσει την τάση του και έτσι να παίξει ρόλο στην κατάσβεση του τόξου. Αν και η τοποθέτηση ενός προστατευτικού υπέρτασης είναι αποτελεσματική, είναι σχετικά ακριβή.
2. Ένας άλλος τρόπος είναι να προσθέσετε ένα δόντι εκκένωσης και στα δύο άκρα του επαγωγέα κοινής λειτουργίας στη σχεδίαση PCB, έτσι ώστε ο επαγωγέας να εκκενώνεται μέσω των δύο αιχμηρών άκρων του δοντιού εκκένωσης, αποφεύγοντας την εκκένωση μέσω άλλων διαδρομών, ελαχιστοποιώντας έτσι την επίδραση στο περιβάλλον και τις επόμενες - εξαρτήματα σκηνής.

Τα κενά εκφόρτισης δεν απαιτούν πρόσθετο κόστος, απλώς τραβήξτε τα στο PCB όταν σχεδιάζετε την πλακέτα, αλλά είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι αυτή η μορφή κενού εκφόρτισης είναι ένα διάκενο εκφόρτισης μορφής αέρα και μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο σε περιβάλλοντα όπου εμφανίζεται περιστασιακά ESD. Εάν χρησιμοποιείται σε περιβάλλοντα όπου εμφανίζεται συχνά ESD, οι εναποθέσεις άνθρακα θα συσσωρευτούν στα δύο σημεία του τριγώνου λόγω συχνής εκφόρτισης, προκαλώντας τελικά βραχυκύκλωμα στο διάκενο εκφόρτισης και προκαλώντας μόνιμο βραχυκύκλωμα της γραμμής σήματος προς το έδαφος, με αποτέλεσμα αποτυχία συστήματος.

Στην πραγματικότητα, υπάρχουν πολλές χαρές στον σχεδιασμό PCB, αλλά μόνο με την εξάσκηση θα έχετε μια βαθιά κατανόηση. Εάν οι φίλοι έχουν οποιαδήποτε συναισθήματα σχετικά με το σχεδιασμό PCB μετά την ανάγνωση αυτού του άρθρου, μπορούν να επικοινωνήσουν μαζί μας για ανταλλαγή.

Για τον προγραμματισμό παραγωγής, βοηθά επίσης η σύγκριση αυτού του θέματος με την επιλογή υλικού PCB και τη σύγκριση φινιρίσματος επιφάνειας πριν από την οριστικοποίηση του πακέτου κατασκευής ή συναρμολόγησης.

Συμπέρασμα

Ο σχεδιασμός των PCB είναι ζωτικής σημασίας στα ηλεκτρονικά, αποτελώντας τον πυρήνα του κυκλώματος. Ωστόσο, η κατανόηση είναι συχνά περιορισμένη. Τα ενδελεχή σχηματικά σχήματα, η λεπτομέρεια των κυματομορφών, της μηχανικής και των τοποθετήσεων, υποστηρίζουν την ποιοτική δρομολόγηση. Η αυστηρή αναθεώρηση, η σαφής επικοινωνία και η έγκαιρη προδιαγραφή διαδρομής/εξαρτήματος αποτρέπουν προβλήματα, διασφαλίζουν την ικανοποίηση και βελτιστοποιούν την αποτελεσματικότητα. Τα εξειδικευμένα επιθέματα (δάκρυα, δόντια εκκένωσης) ενισχύουν την αξιοπιστία αποτρέποντας την αποκόλληση και μετριάζοντας την υψηλή τάση. Η εμπειρία και η ανταλλαγή γνώσεων είναι το κλειδί για τον έλεγχο του σχεδιασμού PCB.