Beheersing van PCB-ontwerp: strategieën, richtlijnen en best practices

PCB is analoog aan het skelet en het zenuwstelsel van elektronische circuits en speelt een centrale rol in elektronische engineeringprojecten. Veel mensen hebben echter geen inzicht of beschikken over onvoldoende kennis met betrekking tot PCB-ontwerp.

Tijdens mijn universiteitsjaren ontwikkelde ik een bijzondere interesse in het ontwerpen van printplaten en hardwarecircuits, en ik bestudeerde deze onderwerpen ijverig. Destijds geloofde ik dat het ideaal zou zijn om na mijn afstuderen een baan met computerondersteund ontwerp (CAD) in een kantooromgeving te krijgen. Na mijn afstuderen kreeg ik met succes een baan bij een elektronisch bedrijf in Guangzhou, waar ik werkte als PCB-ingenieur. Aanvankelijk moest ik goed thuis zijn in verschillende taken, waaronder het tekenen van schema's, het selecteren van componenten, de lay-out van de PCB, het solderen van prototypes, het debuggen, het maken van stuklijsten en het voorbereiden van werkinstructies. Deze ervaring markeerde het begin van mijn reis in de elektronica-industrie.

De cruciale rol van schematische diagrammen bij PCB-ontwerp

Hoewel een goed schema geen goede routering kan garanderen, begint kwaliteitsroutering met een goed schema. Bij het maken van een schema is een grondige afweging vereist, met zorgvuldige aandacht voor de signaalstroom van het hele circuit. Een soepele en gestage signaalstroom van links naar rechts in het schema zou zich moeten vertalen in een eveneens goede signaalstroom op de PCB. Het is raadzaam om zoveel mogelijk nuttige informatie in het schema te vermelden.

Soms, wanneer circuitontwerpers niet beschikbaar zijn, vragen klanten ons om hulp bij het oplossen van circuitproblemen. Ontwerpers, technici en ingenieurs die zich met dit werk bezighouden, stellen dit vaak zeer op prijs, net als wij. Naast algemene informatie zoals referentieaanduidingen, stroomverbruik en toleranties, welke andere informatie moet er in het schema worden opgenomen? De volgende suggesties kunnen een gewoon schema naar een topniveau tillen: voeg golfvormen, mechanische informatie over de behuizing, lengtes van de printplaten en lege gebieden toe; geef aan welke componenten op de printplaat moeten worden geplaatst; geef informatie over afstellingen, componentwaardebereiken, informatie over warmteafvoer, gecontroleerde impedantie- printplaten, annotaties, beknopte beschrijvingen van de circuitwerking en meer.

Richtlijnen voor effectieve samenwerking bij PCB-ontwerp

Als u de routering niet zelf heeft ontworpen, is het van essentieel belang dat u ruim de tijd neemt om het werk van de routeringsontwerper nauwgezet te beoordelen. Op dit moment kan een kleine voorzorgsmaatregel zwaarder wegen dan honderd remedies. Ga er niet van uit dat de routerende persoon uw ideeën kan begrijpen. Uw mening en begeleiding zijn van cruciaal belang in de beginfase van het routeontwerpproces. Hoe meer informatie u verstrekt en hoe meer u betrokken bent bij het routeringsproces, hoe beter de resulterende PCB zal zijn. Het vaststellen van een voorlopig voltooiingspunt voor de routeringsontwerper (het snel beoordelen van de voortgang van de route op basis van de door u gewenste route) kan voorkomen dat de route uit koers raakt, waardoor de kans op herbewerking wordt geminimaliseerd.

Instructies voor de routeringsingenieur moeten het volgende omvatten: een korte beschrijving van de circuitfunctie, een PCB-schema dat de locaties van in- en uitgangen aangeeft, informatie over de PCB-stapeling (bijv. borddikte, aantal lagen, gedetailleerde informatie over elke signaallaag en aarde vlak – voeding, aarde, analoog signaal, digitaal signaal en RF-signaal); welke signalen elke laag nodig heeft; plaatsingseisen voor kritische componenten; exacte locaties van bypass-componenten; welke gedrukte lijnen cruciaal zijn; welke lijnen printen met gecontroleerde impedantie vereisen; welke lijnen vereisen aangepaste lengtes; afmetingen van componenten; welke gedrukte lijnen uit elkaar (of dicht bij elkaar) moeten worden gehouden; welke lijnen uit elkaar (of dicht bij elkaar) moeten worden gehouden; welke componenten moeten uit elkaar (of dicht bij elkaar) gehouden worden; welke componenten moeten bovenop de printplaat worden geplaatst en welke eronder. Klaag nooit over het verstrekken van te veel informatie aan anderen. Is het te weinig? Ja; Is het teveel? Nee.

Leren van fouten: het belang van de plaatsing van componenten in complexe PCB-ontwerpen

Ongeveer tien jaar geleden ontwierp ik een meerlaagse printplaat voor opbouwmontage, waarbij beide zijden van de plaat componenten bevatten. Het bord werd met veel schroeven vastgezet in een vergulde aluminium behuizing (vanwege zeer strenge eisen op het gebied van schokbestendigheid). Pinnen voor bias-voeding werden via het bord aangebracht. Dit was een zeer complex apparaat. Sommige componenten op het bord werden gebruikt voor instellingstests (SAT). Ik had echter duidelijk de locaties van deze componenten gespecificeerd. Kun jij raden waar deze componenten allemaal zijn geïnstalleerd? Dat klopt, ze zijn aan de onderkant van het bord geïnstalleerd. Toen de productingenieur en technicus het hele apparaat moesten demonteren, de instellingen moesten voltooien en het vervolgens weer in elkaar moesten zetten, waren ze niet tevreden. Sindsdien heb ik die fout niet meer gemaakt.

Verbetering van de PCB-efficiëntie door strategische circuitindeling

Net als bij printplaten bepaalt de positie alles. Waar een circuit op een printplaat wordt geplaatst, waar de specifieke circuitelementen worden geïnstalleerd en welke andere circuits ernaast staan, zijn allemaal cruciaal.

Meestal zijn de posities van ingangen, uitgangen en voedingen vooraf bepaald, maar de circuits daartussen vereisen enige “creativiteit”. Daarom zal het besteden van aandacht aan routeringsdetails een aanzienlijk rendement opleveren. Kijk vanuit de positie van de belangrijkste componenten naar het specifieke circuit en de hele printplaat. Door vanaf het begin de posities van de belangrijkste componenten en de signaalpaden te specificeren, kunt u ervoor zorgen dat het ontwerp de verwachte operationele doelen bereikt. Als u het ontwerp de eerste keer goed heeft, kunt u de kosten en stress verlagen en de ontwikkelingscyclus verkorten.

Laten we bovendien die “speciale pads” op de printplaat bespreken:

Ten eerste, druppelvormig kussentje. Het druppelvormige kussentje is een druppelverbinding tussen een kussentje en een geleider of tussen een geleider en een via. Het doel van het instellen van de traan is om te voorkomen dat het contactpunt tussen de geleider en de pad of de geleider en de via losraakt wanneer de printplaat wordt blootgesteld aan een enorme externe kracht, en ook om de PCB-printplaat er mooier uit te laten zien. De functie van de traan is om te voorkomen dat de breedte van de signaallijn plotseling kleiner wordt, waardoor de verbinding tussen de routering en het componentpad soepeler kan worden en het probleem van het gemakkelijk verbreken van de verbinding tussen het pad en de routering kan worden opgelost.

1. Bij het lassen kan het de pad beschermen en voorkomen dat de pad eraf valt tijdens meerdere lassen.
2. Verbeter de betrouwbaarheid van de verbinding (om scheuren te voorkomen die worden veroorzaakt door ongelijkmatig etsen en offset van via's tijdens de productie)
3. Gladde impedantie, verminder de scherpe verandering van impedantie. Om de pad robuuster te maken en te voorkomen dat de pad losraakt van de geleider tijdens het maken van mechanische platen, wordt bij PCB-ontwerp vaak een overgangszone aangebracht tussen de pad en de geleider, in de vorm van een traan, daarom vaak een traan genoemd (Teardrops).

Ten tweede, de ontladingstand. Dit wordt een ontladingstand, ontladingsopening of vonkopening genoemd. De vonkopening bestaat uit een paar driehoeken met scherpe hoeken die naar elkaar wijzen, waarbij de punten van de driehoeken op een afstand van maximaal 10 mils en minimaal 6 mils van elkaar liggen. De ene driehoek is geaard en de andere is verbonden met de signaallijn. Deze driehoek is geen component, maar is gemaakt van koperfolielagen die gebruikt worden bij het routeren van de printplaat. Deze driehoeken moeten op de bovenste laag (componentzijde) van de printplaat worden geplaatst en mogen niet bedekt worden met soldeerresist.

1. Tijdens piektests van schakelende voedingen of ESD-tests wordt aan beide uiteinden van de common-mode-inductor een hoge spanning gegenereerd, waardoor vonken ontstaan. Als de afstand tot omliggende componenten klein is, kunnen de omliggende componenten beschadigd raken. Daarom kan een ontladingsbuis of varistor aan de twee uiteinden parallel worden aangesloten om de spanning te beperken en zo een rol te spelen bij het doven van de boog. Hoewel het plaatsen van een overspanningsbeveiliging effectief is, is het relatief duur.
2. Een andere manier is om een ​​ontladingstand toe te voegen aan beide uiteinden van de common-mode-inductor in het PCB-ontwerp, zodat de inductor ontlaadt via de twee puntige uiteinden van de ontladingtand, waardoor ontlading via andere paden wordt vermeden, waardoor de impact op de omgeving en de daaropvolgende paden wordt geminimaliseerd. -fasecomponenten.

Voor ontladingsspleten zijn geen extra kosten nodig; teken ze gewoon op de printplaat bij het tekenen van het bord. Het is echter belangrijk op te merken dat deze vorm van ontladingsspleet een luchtvormige ontladingsspleet is en alleen kan worden gebruikt in omgevingen waar ESD af en toe voorkomt. Bij gebruik in omgevingen waar ESD vaak voorkomt, zullen koolstofafzettingen zich ophopen op de twee punten van de driehoek als gevolg van frequente ontladingen, wat uiteindelijk een kortsluiting in de ontladingsspleet veroorzaakt en een permanente kortsluiting van de signaallijn naar de aarde veroorzaakt, wat resulteert in een systeemfout.

In feite zijn er veel vreugden in PCB-ontwerp, maar alleen door te oefenen zul je een diep begrip krijgen. Als vrienden na het lezen van dit artikel enige gevoelens hebben over PCB-ontwerp, kunnen ze contact met ons opnemen voor uitwisseling.

Voor de productieplanning is het ook nuttig om dit onderwerp te vergelijken met de materiaalkeuze voor printplaten en de oppervlakteafwerking, alvorens het fabricage- of assemblageplan definitief vast te stellen.

Ontwerpbeslissingen van schets tot productierelease

Het schema, de plaatsing, de routing en de geëxporteerde productiebestanden beantwoorden verschillende vragen. Gebruik de ontwerpfase en de fysieke beperkingen om de relevante controles te identificeren.

Conclusie

PCB-ontwerp is cruciaal in de elektronica en vormt de kern van het circuit. Toch is het begrip vaak beperkt. Grondige schema's, gedetailleerde golfvormen, mechanica en plaatsingen vormen de basis voor kwaliteitsroutering. Strenge evaluatie, duidelijke communicatie en vroege pad-/componentspecificatie voorkomen problemen, zorgen voor tevredenheid en optimaliseren de efficiëntie. Gespecialiseerde pads (traantjes, ontladingstanden) verhogen de betrouwbaarheid door loslaten te voorkomen en hoogspanning te verminderen. Ervaring en kennisuitwisseling zijn de sleutel tot het beheersen van PCB-ontwerp.