Opanowanie projektowania PCB: strategie, wytyczne i najlepsze praktyki

PCB jest analogiczne do szkieletu i układu nerwowego obwodów elektronicznych, odgrywając kluczową rolę w projektach inżynierii elektronicznej. Jednak wiele osób nie ma zrozumienia lub posiada niewystarczającą wiedzę na temat projektowania PCB.

Podczas studiów rozwinąłem szczególne zainteresowanie projektowaniem płytek drukowanych i obwodów sprzętowych, a także pilnie studiowałem te przedmioty. W tamtym czasie uważałem, że zdobycie pracy związanej z projektowaniem wspomaganym komputerowo (CAD) w biurze po ukończeniu studiów byłoby idealne. Po ukończeniu studiów udało mi się dostać posadę w firmie elektronicznej w Guangzhou, gdzie pracowałem jako inżynier PCB. Początkowo musiałem być biegły w różnych zadaniach, w tym rysowaniu schematów, doborze komponentów, układzie PCB, lutowaniu prototypów, debugowaniu, tworzeniu wykazu materiałów (BOM) i przygotowywaniu instrukcji roboczych. To doświadczenie zapoczątkowało moją podróż w branży elektronicznej.

Kluczowa rola diagramów schematycznych w projektowaniu PCB

Podczas gdy dobry schemat nie może zagwarantować dobrego routingu, jakość routingu zaczyna się od dobrego schematu. Podczas tworzenia schematu wymagane jest dokładne rozważenie, ze szczególną uwagą na przepływ sygnału całego obwodu. Płynny i stały przepływ sygnału od lewej do prawej na schemacie powinien przełożyć się na podobnie dobry przepływ sygnału na PCB. Zaleca się, aby na schemacie umieścić jak najwięcej przydatnych informacji.

W sytuacjach, gdy inżynierowie ds. projektowania obwodów są niedostępni, klienci mogą zwrócić się do nas o pomoc w rozwiązaniu problemów z obwodami. Projektanci, technicy i inżynierowie zaangażowani w tę pracę są często wdzięczni, podobnie jak my. Oprócz typowych informacji, takich jak oznaczenia referencyjne, pobór mocy i tolerancja, jakie inne informacje powinny znaleźć się na schemacie? Poniższe sugestie mogą podnieść standardowy schemat do rangi najwyższej klasy: uwzględnienie przebiegów, informacji mechanicznych dotyczących obudowy, długości linii drukowanych, pustych obszarów; wskazanie, które elementy powinny zostać umieszczone na płytce drukowanej; podanie informacji o regulacji, zakresów wartości elementów, informacji o rozpraszaniu ciepła, linii drukowanych o kontrolowanej impedancji , adnotacji, zwięzłych opisów działania obwodów i innych.

Wytyczne dotyczące efektywnej współpracy przy projektowaniu PCB

Jeśli nie zaprojektowałeś trasowania samodzielnie, konieczne jest przeznaczenie odpowiedniej ilości czasu na skrupulatne przejrzenie pracy projektanta trasowania. W tym momencie niewielki środek ostrożności może przeważyć nad setką środków zaradczych. Nie zakładaj, że osoba odpowiedzialna za trasowanie może zrozumieć Twoje pomysły. Twoje opinie i wskazówki są najważniejsze na początkowych etapach procesu projektowania trasowania. Im więcej informacji podasz i im bardziej będziesz zaangażowany w cały proces trasowania, tym lepsza będzie płytka PCB. Ustalenie tymczasowego punktu zakończenia dla projektanta trasowania — szybkie przeglądanie postępów trasowania zgodnie z pożądanym przez Ciebie trasowaniem — może zapobiec zboczeniu z kursu, minimalizując w ten sposób prawdopodobieństwo przeróbek.

Instrukcje dla inżyniera trasującego powinny obejmować: krótki opis funkcji obwodu, schemat PCB wskazujący lokalizację wejść i wyjść, informacje o układzie PCB (np. grubość płytki, liczba warstw, szczegółowe informacje o każdej warstwie sygnału i płaszczyźnie uziemienia — zasilanie, uziemienie, sygnał analogowy, sygnał cyfrowy i sygnał RF); jakie sygnały są wymagane przez każdą warstwę; wymagania dotyczące rozmieszczenia krytycznych komponentów; dokładne lokalizacje komponentów obejściowych; które linie drukowane są krytyczne; które linie wymagają drukowania kontrolowanej impedancji; które linie wymagają dopasowanych długości; wymiary komponentów; które linie drukowane muszą być utrzymywane w odstępie (lub blisko siebie); które linie muszą być utrzymywane w odstępie (lub blisko siebie); które komponenty muszą być utrzymywane w odstępie (lub blisko siebie); które komponenty muszą być umieszczone na górze PCB, a które pod spodem. Nigdy nie narzekaj na udostępnianie zbyt wielu informacji innym — Czy jest ich za mało? Tak; Czy jest ich za dużo? Nie.

Wyciąganie wniosków z błędów: znaczenie rozmieszczenia komponentów w złożonych projektach PCB

Około 10 lat temu zaprojektowałem wielowarstwową płytkę drukowaną do montażu powierzchniowego — obie strony płytki miały komponenty. Płytka była zamocowana w pozłacanej obudowie aluminiowej wieloma śrubami (ze względu na bardzo surowe wymagania dotyczące odporności na wstrząsy). Piny do zasilania polaryzacji były dostarczane przez płytkę. Było to bardzo złożone urządzenie. Niektóre komponenty na płytce były używane do testowania ustawień (SAT). Jednak wyraźnie określiłem lokalizację tych komponentów. Czy potrafisz zgadnąć, gdzie wszystkie te komponenty zostały zainstalowane? Tak, były zainstalowane na spodzie płytki. Kiedy inżynier produktu i technik musieli rozmontować całe urządzenie, zakończyć ustawienia, a następnie ponownie je złożyć, nie byli zadowoleni. Od tamtej pory nie popełniłem już tego błędu.

Zwiększanie wydajności PCB poprzez strategiczne rozplanowanie obwodów

Podobnie jak w przypadku PCB, położenie determinuje wszystko. Miejsce umieszczenia obwodu na PCB, miejsce instalacji jego konkretnych elementów obwodu i to, jakie inne obwody sąsiadują z nim, są kluczowe.

Zwykle pozycje wejść, wyjść i zasilaczy są z góry określone, ale obwody między nimi wymagają pewnej „kreatywności”. Dlatego zwracanie uwagi na szczegóły trasowania przyniesie znaczące korzyści. Zaczynając od pozycji kluczowych komponentów, rozważ konkretny obwód i całą płytkę drukowaną. Określenie pozycji kluczowych komponentów i ścieżek sygnału od samego początku pomaga zapewnić, że projekt osiągnie oczekiwane cele operacyjne. Poprawne zaprojektowanie za pierwszym razem może obniżyć koszty i stres — oraz skrócić cykl rozwoju.

Dodatkowo omówmy te „specjalne pady” na PCB:

Po pierwsze, łezka Łezka to połączenie kropelkowe między padem a przewodnikiem lub między przewodnikiem a przelotką. Celem ustawienia łezki jest zapobieganie rozłączaniu się punktu styku między przewodnikiem a padem lub przewodnikiem a przelotką, gdy płytka drukowana jest poddawana działaniu dużej siły zewnętrznej, a także sprawienie, aby płytka drukowana PCB wyglądała piękniej. Funkcją łezki jest zapobieganie nagłemu zwężeniu szerokości linii sygnałowej, co może sprawić, że połączenie między trasowaniem a padem komponentu będzie płynniejsze i rozwiąże problem łatwego zerwania połączenia między padem a trasowaniem.

1. Podczas spawania może chronić podkładkę i zapobiegać jej odpadaniu podczas wielokrotnego spawania.
2. Zwiększenie niezawodności połączenia (aby uniknąć pęknięć spowodowanych nierównomiernym trawieniem i przesunięciem otworów przelotowych w produkcji)
3. Gładka impedancja, redukuje gwałtowne zmiany impedancji. W projektowaniu płytek PCB, aby uczynić pad bardziej wytrzymałym i zapobiec odłączaniu się padu od przewodnika podczas produkcji płytki mechanicznej, często umieszcza się strefę przejściową pomiędzy padem i przewodnikiem w kształcie łzy, stąd często nazywaną łezką (Teardrops).

Po drugie, ząb wyładowczy. Ten element nazywa się zębem wyładowczym, przerwą wyładowczą lub iskiernikiem. Iskiernik to para trójkątów z ostrymi kątami skierowanymi do siebie, z wierzchołkami trójkątów oddalonymi od siebie o maksymalnie 10 milsów (mil) do minimalnie 6 milsów (mil). Jeden trójkąt jest uziemiony, a drugi podłączony do linii sygnałowej. Ten trójkąt nie jest komponentem, ale jest wykonany z warstw folii miedzianej, używanych w procesie trasowania PCB. Te trójkąty muszą być umieszczone na górnej warstwie (stronie komponentu) PCB i nie mogą być pokryte warstwą lutowniczą.

1. Podczas testowania przepięć zasilaczy impulsowych lub testowania ESD, wysokie napięcie będzie generowane na obu końcach cewki indukcyjnej trybu wspólnego, powodując łuk elektryczny. Jeśli odległość do otaczających komponentów jest niewielka, może to uszkodzić otaczające komponenty. Dlatego lampa wyładowcza lub warystor mogą być połączone równolegle na obu końcach, aby ograniczyć ich napięcie i tym samym odegrać rolę w gaszeniu łuku elektrycznego. Chociaż umieszczenie ogranicznika przepięć jest skuteczne, jest ono stosunkowo drogie.
2. Innym sposobem jest dodanie zęba rozładowczego na obu końcach cewki indukcyjnej trybu wspólnego w projekcie płytki drukowanej, tak aby cewka rozładowywała się przez dwa spiczaste końce zęba rozładowczego, zapobiegając rozładowaniu innymi ścieżkami, a tym samym minimalizując wpływ na otaczające elementy i elementy kolejnego etapu.

Szczeliny rozładowcze nie wymagają dodatkowych kosztów, wystarczy je narysować na płytce PCB podczas rysowania płytki, ale ważne jest, aby pamiętać, że ta forma szczeliny rozładowczej jest szczeliną rozładowczą w formie powietrza i może być stosowana tylko w środowiskach, w których ESD występuje sporadycznie. Jeśli jest stosowana w środowiskach, w których ESD występuje często, osady węglowe będą gromadzić się w dwóch punktach trójkąta z powodu częstego rozładowania, co ostatecznie spowoduje zwarcie w szczelinie rozładowczej i trwałe zwarcie linii sygnałowej do uziemienia, co doprowadzi do awarii systemu.

W rzeczywistości istnieje wiele radości w projektowaniu PCB, ale tylko praktykując, zdobędziesz głębokie zrozumienie. Jeśli znajomi mają jakieś odczucia dotyczące projektowania PCB po przeczytaniu tego artykułu, mogą się z nami skontaktować w celu wymiany.

Przy planowaniu produkcji pomocne jest również porównanie tego tematu z wyborem materiału PCB i porównaniem wykończenia powierzchni przed sfinalizowaniem pakietu produkcyjnego lub montażowego.

Wniosek

Projekt PCB jest kluczowy w elektronice, tworząc rdzeń obwodu. Jednak zrozumienie jest często ograniczone. Dokładne schematy, szczegółowo opisujące przebiegi, mechanikę i rozmieszczenie, stanowią podstawę jakościowego trasowania. Rygorystyczny przegląd, jasna komunikacja i wczesna specyfikacja ścieżki/komponentu zapobiegają problemom, zapewniają satysfakcję i optymalizują wydajność. Specjalistyczne pady (łzy, zęby rozładowcze) zwiększają niezawodność, zapobiegając odłączaniu i łagodząc wysokie napięcie. Doświadczenie i dzielenie się wiedzą są kluczowe dla opanowania projektowania PCB.