PCB 設計をマスターする: 戦略、ガイドライン、ベスト プラクティス

PCB は電子回路の骨格や神経系に似ており、電子工学プロジェクトにおいて極めて重要な役割を果たします。しかし、多くの人は PCB 設計に関する理解が不足しているか、十分な知識を持っていません。

大学時代は、基板やハードウェアの回路設計に特に興味を持ち、熱心に勉強していました。当時の私は、卒業後はオフィス環境でコンピュータ支援設計 (CAD) に関わる仕事に就くのが理想的だと考えていました。卒業後、私は広州の電子企業に無事就職し、PCB エンジニアとして働きました。最初は、回路図作成、部品の選択、PCB レイアウト、試作のはんだ付け、デバッグ、部品表 (BOM) の作成、作業指示書の作成など、さまざまな作業に精通している必要がありました。この経験がエレクトロニクス業界における私の旅の始まりとなりました。

PCB設計における回路図の重要な役割

優れた回路図が良好な配線を保証するわけではありませんが、高品質の配線は良好な回路図から始まります。回路図を作成する際には、回路全体の信号の流れに注意を払い、十分な検討が必要です。回路図の左から右への滑らかで安定した信号の流れは、PCB 上でも同様に良好な信号の流れに変換されます。回路図にはできるだけ多くの有用な情報を提供することをお勧めします。

回路設計エンジニアが不在の場合、お客様から回路の問題解決に関するサポートを依頼されることがあります。この作業に携わる設計者、技術者、エンジニアの方々はもちろん、私たちも大変感謝しております。参照指定子、消費電力、許容誤差などの一般的な情報に加えて、回路図には他にどのような情報を含めるべきでしょうか？以下の提案は、普通の回路図を優れた回路図に格上げするのに役立ちます。波形、筐体に関する機械的情報、プリントラインの長さ、空白領域を含める。どの部品をPCB上に配置すべきかを示す。調整情報、部品の値の範囲、放熱情報、制御インピーダンスのプリントライン、注釈、簡潔な回路動作の説明などを提供する。

PCB 設計における効果的なコラボレーションのためのガイドライン

自分で配線を設計したわけではない場合は、配線設計者​​の作業を注意深くレビューするために十分な時間を割り当てることが重要です。現時点では、小さな予防策が 100 の救済策を上回る可能性があります。ルーティング担当者があなたのアイデアを理解できるとは考えないでください。配線設計プロセスの初期段階では、お客様の意見と指導が最も重要です。提供する情報が多ければ多いほど、配線プロセス全体を通じて関与するほど、結果として得られる PCB はより優れたものになります。配線設計者​​が暫定的な完了ポイントを設定し、希望する配線に従って配線の進行状況を迅速に確認すると、配線がコースから外れることを防ぎ、やり直しの可能性を最小限に抑えることができます。

配線エンジニアへの指示には、回路機能の簡単な説明、入力と出力の位置を示す PCB 回路図、PCB スタックアップ情報 (基板の厚さ、層の数、各信号層とグランドに関する詳細情報など) が含まれている必要があります。プレーン - 電源、グランド、アナログ信号、デジタル信号、および RF 信号)。各層が必要とする信号。重要なコンポーネントの配置要件。バイパスコンポーネントの正確な位置。どの印刷行が重要であるか。どのラインに制御されたインピーダンス印刷が必要か。どの行が一致する長さを必要とするか。コンポーネントの寸法。どの印刷行を離す (または近づける) 必要があるか。どの行を離す (または近づける) 必要があるか。どのコンポーネントを離す (または近づける) 必要があるか。どのコンポーネントを PCB の上に配置する必要があり、どのコンポーネントを PCB の下に配置する必要があるか。他人に提供する情報が多すぎることについて決して文句を言わないでください。少なすぎますか?はい;多すぎますか？いいえ。

間違いから学ぶ: 複雑な PCB 設計におけるコンポーネント配置の重要性

約 10 年前、私は基板の両面にコンポーネントを備えた多層表面実装回路基板を設計しました。ボードは、(非常に厳しい耐衝撃性要件のため) 多数のネジで金メッキのアルミニウム製ハウジングに固定されていました。バイアス給電用のピンが基板を貫通して設けられていました。これは非常に複雑な装置でした。ボード上の一部のコンポーネントは設定 (SAT) テストに使用されました。ただし、これらのコンポーネントの場所は明確に指定していました。これらのコンポーネントがすべてどこにインストールされたかわかりますか?そうです、基板の底面に取り付けられていました。製品エンジニアや技術者は、デバイス全体を分解し、設定を完了してから再組み立てする必要があったため、満足していませんでした。それ以来、私はその間違いを二度と犯していません。

戦略的な回路レイアウトによる PCB 効率の向上

PCB と同様に、位置がすべてを決定します。回路が PCB 上のどこに配置されるか、その特定の回路要素がどこに取り付けられるか、および他の回路がその回路に隣接するかはすべて重要です。

通常、入力、出力、電源の位置は決まっていますが、その間の回路には「工夫」が必要です。そのため、ルーティングの詳細に注意を払うことで大きな利益が得られます。主要なコンポーネントの位置から始めて、特定の回路と PCB 全体を検討します。主要なコンポーネントの位置と信号パスを最初から指定することは、設計が期待される動作目標を確実に達成するのに役立ちます。最初から適切な設計を行うことで、コストとストレスが軽減され、開発サイクルが短縮されます。

さらに、PCB 上の「特別なパッド」についても説明します。

まず、ティアドロップパッド ティアドロップとは、パッドと導体間、または導体とビア間のドロップ接続です。ティアドロップを設ける目的は、基板に大きな外力が加わった際に、導体とパッド、あるいは導体とビアの接点が断線することを防止することと、PCB基板の外観をより美しくすることです。ティアドロップの役割は、信号線幅が急激に狭くなるのを防ぐことで、配線とコンポーネントパッド間の接続をよりスムーズにし、パッドと配線間の接続が断線しやすい問題を解決します。

1. 溶接時にパッドを保護し、複数の溶接時にパッドが脱落するのを防ぎます。
2. 接続の信頼性の向上（エッチングの不均一によるクラックや製造時のビアのオフセットを回避）
3. 滑らかなインピーダンス、インピーダンスの急激な変化を軽減 PCB 設計では、パッドをより堅牢にし、機械的な基板製造中にパッドが導体から外れないようにするために、パッドと導体の間に次のような形状の移行ゾーンが配置されることがよくあります。涙のしずく、したがってしばしば涙滴 (Teardrops) と呼ばれます。

2つ目は放電歯です。これは放電歯、放電ギャップ、またはスパークギャップと呼ばれます。スパークギャップは、互いに向き合う鋭角の三角形のペアで、三角形の先端間の間隔は最大10ミルから最小6ミルです。一方の三角形は接地され、もう一方は信号線に接続されます。この三角形は部品ではなく、PCB配線プロセスで使用される銅箔層でできています。これらの三角形はPCBの最上層（部品面）に配置する必要があり、ソルダーレジストで覆うことはできません。

1. スイッチング電源のサージ試験やESD試験では、コモンモードインダクタの両端に高電圧が発生し、アーク放電の原因となります。周囲の部品との距離が近い場合、周囲の部品を損傷する可能性があります。したがって、放電管またはバリスタをその両端で並列​​に接続して電圧を制限し、アークを消す役割を果たすことができます。サージプロテクターを設置することは効果的ですが、比較的高価です。
2. もう1つの方法は、PCB設計のコモンモードインダクタの両端に放電歯を追加することです。これにより、インダクタは放電歯の2つの尖った端を通って放電し、他の経路を通る放電を回避して、周囲およびその後の影響を最小限に抑えます。 -ステージコンポーネント。

放電ギャップには追加コストは必要ありません。基板を描画するときに PCB 上に放電ギャップを描画するだけです。ただし、この形式の放電ギャップは空気形式の放電ギャップであり、ESD が時折発生する環境でのみ使用できることに注意することが重要です。 ESDが頻繁に発生する環境で使用すると、頻繁な放電により三角形の2点にカーボンが堆積し、最終的には放電ギャップの短絡を引き起こし、信号線が永久的にグランドに短絡し、故障の原因となります。システム障害。

実際、PCB 設計には多くの楽しみがありますが、実践することによってのみ深い理解が得られます。この記事を読んだ友人が PCB 設計について何か感じた場合は、交換のために私たちに連絡してください。

生産計画においては、製造または組立パッケージを最終決定する前に、このテーマをPCB材料の選定や表面仕上げの比較と比較することも有効です。

結論

PCB 設計はエレクトロニクスにおいて重要であり、回路の中核を形成します。しかし、理解には限界があることがよくあります。波形、機構、配置を詳細に記した徹底的な回路図が、高品質の配線を支えます。厳格なレビュー、明確なコミュニケーション、早期のパス/コンポーネント仕様により、問題を防止し、満足度を確保し、効率を最適化します。特殊なパッド（ティアドロップ、放電歯）により、剥離を防止し、高電圧を緩和することで信頼性を高めます。 PCB 設計をマスターするには、経験と知識の共有が鍵となります。