Краткое руководство по проектированию печатных плат

Печатная плата (PCB) служит платформой для соединения электронных компонентов. Проектировщики обязаны придерживаться стандартов DFM (Design for Manufacturability) и IPC (Association Connecting Electronics Industries) при проектировании схем для повышения эксплуатационных характеристик печатных плат. Тем не менее, проектирование печатной платы - сложная задача, требующая обширных знаний. В этом руководстве предоставляются важные советы и правила проектирования печатных плат, которые жизненно важны для обеспечения функциональности и надежности конечного продукта для вашего предстоящего проекта.

Рекомендации по компоновке печатной платы

Компоновка печатной платы является важным аспектом процесса проектирования схем, поскольку она определяет размер, форму и расположение компонентов, а также соединяющие их медные проводники. Это также включает в себя размещение переходных отверстий, разъемов и других механических компонентов, необходимых для сборки печатной платы и монтажа на нее. Эффективный дизайн компоновки платы должен снижать такие проблемы, как сигнальный шум, перекрестные помехи и электромагнитные помехи. Как правило, рекомендуется делать высоковольтные проводники короткими и прямыми и держать все проводники подальше от шумящих компонентов, таких как источники питания и двигатели.

Сигнальный шум

• Сократите длину проводников: Протекание тока в цепи зависит от разводки проводников. Чрезмерно длинные дорожки могут увеличить сопротивление цепи, снизить скорость и качество передачи сигнала.
• Разделение цифровых и аналоговых сигналов: Цифровые сигналы содержат высокочастотные составляющие и помехи. Когда цифровые и аналоговые сигналы расположены вместе, в аналоговый сигнал могут быть внесены помехи. Рекомендуется разделить проводники заземления этих сигналов, чтобы предотвратить нежелательные помехи.
• Полигоны заземления: Преднамеренное разделение слоев заземления на отдельные части для обеспечения адекватных соединений заземления между областями платы. Разделение участков заземления может улучшить тепловые характеристики и уменьшить помехи сигнала, что имеет решающее значение для поддержания нормальной рабочей температуры компонентов.
• Предотвращение помех: В дополнение к проводникам и полигонам, использование таких компонентов, как фильтры, конденсаторы и катушки индуктивности, может предотвратить взаимные помехи между сигналами. Эти компоненты могут снизить электромагнитное излучение и электромагнитную восприимчивость схемы.
• Сбалансированная компоновка: Это метод, который основан на более разумном расположении компонентов и сигнальных линий для повышения производительности схемы. Факторы, которые следует учитывать, включают распределение мощности, сигнальные контакты, полигоны заземления, емкость источника питания и согласование импеданса.

Перекрестные помехи

• Разделение высокочастотных и низкочастотных сигнальных линий: Высокочастотные сигналы изменяются быстрее, но у них также есть некоторые недостатки, такие как электромагнитные перекрестные помехи, которые могут повлиять на стабильность и надежность низкочастотных сигнальных линий. Таким образом, эффективное распределение проводников питания и заземления может снизить вероятность взаимных перекрестных помех.
• Разумное планирование заземления: Правильное планирование заземления гарантирует, что все устройства на плате будут эффективно заземлены. Следует соблюдать следующие правила: минимизировать контуры заземления, использовать полигоны заземления, избегать тонких и длинных линий заземления и использовать большую площадь заземления.
• Используйте экранирование: Если при проектировании неизбежны перекрестные помехи, хорошим решением будет экранирование. Оно состоит из металлических материалов, размещенных вокруг сигнальной линии, которая должна быть защищена от помех. Экранирование может эффективно изолировать сигнальную линию и уменьшить помехи от электромагнитного излучения.
• Выбор количества слоев печатной платы: Хотя добавление большего количества слоев увеличивает стоимость, это эффективное решение. Многослойная печатная плата обеспечивает большее количество сигнальных слоев, а зазор между слоями может увеличить площадь поверхности, тем самым уменьшая проблемы перекрестных помех.

Электромагнитные помехи

• Иерархическая компоновка: Для высокопроизводительных приложений, требующих большого количества линий на плате, сложность и пересечение линий могут привести к возникновению электромагнитных помех. В таких приложениях обычно используются высокочастотные печатные платы, а многоуровневая компоновка или технология контроля импеданса печатной платы могут помочь уменьшить такие проблемы, как искажение сигнала и дрожание.
• Подходящий материал подложки: Различные материалы подложки по-разному влияют на характеристики печатной платы, вот почему важно понимать характеристики различных типов печатных плат, прежде чем начинать процесс проектирования. Например, такие материалы, как стекловолокно и полиимид, могут помочь уменьшить электромагнитные помехи.
• Моделирование и анализ: Моделирование и анализ схемы перед проектированием могут помочь разработчикам понять принцип работы и производительность схемы, а также спрогнозировать и оптимизировать ее помехозащищенность. Такие инструменты, как SPICE simulator, позволяют выполнять точные численные расчеты и имитацию схемы, помогая разработчикам оценить ее производительность и определить параметры компонентов. Имитаторы электромагнитного поля могут моделировать распространение и интерференцию электромагнитных полей, помогая в анализе и решении проблем электромагнитных помех.

Руководство по размещению компонентов

Поскольку это один из наиболее важных участков платы, ключевые компоненты при проектировании должны располагаться близко к центру платы. Это поможет свести к минимуму длину трасс сигнала и снизить вероятность возникновения помех. Вот несколько рекомендаций по размещению компонентов при проектировании печатной платы.:

• Сгруппировать по функционалу: Различные компоненты выполняют различные функции и роли. Проектировщикам необходимо понимать их характеристики и делить схему на различные части в соответствии с назначением. Затем они могут разместить связанные компоненты вместе для лучшего контроля пути прохождения сигнала и оптимизации передачи сигнала. Например, компоненты питания должны быть расположены близко друг к другу, а компоненты, принадлежащие к одному и тому же сигнальному тракту, должны быть сгруппированы.
• Сборка и ремонт: Компоновка компонентов схемы в макете, используются при окончательной сборке печатной платы. Если расстояние между ними слишком мало, это может вызвать трудности при сборке и другие проблемы, увеличивая стоимость проекта. Следовательно, учет удобства сборки и ремонта при проектировании печатной платы является методом снижения затрат. Кроме того, выход из строя печатной платы неизбежен, поэтому необходимо рассмотреть возможность ремонта или демонтажа компонентов.
• Тепловые характеристики компонентов: Некоторые компоненты выделяют больше тепла при работе схемы, например усилители мощности и процессоры. Однако при слишком плотном размещении компонентов это может привести к повреждению компонентов с плохими тепловыми характеристиками. При проектировании печатных плат рекомендуется размещать тепловыделяющие компоненты на открытых площадках или в зонах рассеивания тепла, чтобы избежать взаимного влияния компонентов.
• Передача данных: Как упоминалось ранее, сокращение пути прохождения сигнала имеет решающее значение. Следовательно, взаимодействующие компоненты, такие как микропроцессоры, память и интерфейсные чипы, должны располагаться близко друг к другу. Эти компоненты взаимодействуют или обмениваются данными друг с другом, и размещение их близко друг к другу может сократить время передачи данных.
• Ориентация и выравнивание: Ориентация и выравнивание компонентов зависят от направления движения сигнала, точности платы и пути прохождения сигнала. Таким образом, ориентация компонентов является важным аспектом рекомендаций по проектированию печатных плат. Вот несколько советов: резисторы следует располагать перпендикулярно направлению платы, а конденсаторы - параллельно плате для удобства прокладки.
• Следуйте рекомендациям производителя: Файлы проекта платы должны в конечном итоге поступать производителю. Таким образом, необходимо принимать во внимание рекомендации производителя, которому будет отправляться печатная плата.

Рекомендации по ширине проводников

Ширина проводника на печатной плате должна определяться в зависимости от тока, который она должна пропускать. Следует убедиться, что ширина трассы достаточна для предотвращения ее перегрева или перегорания из-за высокого расхода тока.

Формула для расчета ширины дорожки печатной платы выглядит следующим образом:

Ширина дорожки (W) = (Повышение температуры × Масса меди) / (Внутренняя длина дорожки × Площадь поперечного сечения меди)

Где:

• Повышение температуры - Максимально допустимое повышение температуры для дорожки
• Масса меди - Масса меди на единицу площади дорожки.
• Длина внутренней дорожки - длина дорожки, которая проходит внутри печатной платы.
• Площадь поперечного сечения меди - Площадь поперечного сечения медной дорожки. Рассчитывается путем умножения ширины дорожки на толщину медного следа.

Переходные отверстия в печатной плате

Переходное отверстие - это небольшое отверстие, которое проходит через разные слои печатной платы, соединяя их вместе. Важно правильно использовать переходные отверстия при проектировании печатной платы. Переходные отверстия следует размещать в местах, которые не создают помех другим компонентам или трассам сигнала, и следует соблюдать осторожность, чтобы избежать помех другим переходным отверстиям или компонентам. Существует три типа переходных отверстий в зависимости от их расположения на печатной плате:

• Сквозное отверстие: Это отверстие проходит через печатную плату сверху донизу, и его легко просверлить, потому что нет необходимости останавливать сверление в нужном месте. Это отверстие больше, чем отверстие других типов.
• Заглубленный канал: В отличие от традиционных переходных отверстий, соединяющих верхний и нижний слои печатной платы, заглубленные переходные отверстия расположены между внутренними слоями и не видны с поверхности. Эффективное использование пространства на печатной плате может помочь уменьшить размер и вес электронных устройств.
• Глухой переход: Эти переходные отверстия соединяют один внешний слой с внутренним слоем печатной платы. Их технически сложно изготовить, поскольку сверление необходимо точно останавливать.

Рекомендации по заземлению

• Используйте сплошную плоскость заземления: Сплошная плоскость заземления обеспечивает низкоомный обратный путь для тока, снижает уровень шума и повышает надежность цепи. В идеале плоскость заземления должна покрывать всю печатную плату, чтобы гарантировать, что путь возврата тока всегда проходит на как можно более коротком расстоянии.
• Отделяйте токи возврата высокоскоростного сигнала от других токов заземления: высокоскоростные сигналы могут создавать значительные токовые петли, которые могут создавать помехи другим токам заземления. Чтобы свести к минимуму эти помехи, важно отделять токи возврата высокоскоростных сигналов от других токов заземления. Этого можно достичь, используя отдельную плоскость заземления или направляя высокоскоростные сигналы и их обратные токи вместе.
• Минимизация площади контура заземления: Контуры заземления могут создавать нежелательные шумы в цепи. Чтобы минимизировать площадь контура заземления, делайте путь заземления как можно короче и прямее. Старайтесь не прокладывать трассы заземления петлями или использовать несколько точек заземления.
• Раздельное аналоговое и цифровое заземление: Аналоговые и цифровые цепи должны располагаться отдельно во избежание помех. Важно разделять плоскости аналогового и цифрового заземления и соединять их в одной точке, чтобы избежать контуров заземления. Разделение аналогового и цифрового заземления может помочь уменьшить перекрестные помехи, шум и радиопомехи.
• Рассмотрите возможность заземления источников питания: Источники питания должны быть надлежащим образом заземлены, чтобы свести к минимуму шум и помехи. Используйте отдельное заземление для каждого источника питания и подключайте их к основному заземлению в одной точке. Важно избегать совместного заземления между различными источниками питания, поскольку это может создать контуры заземления и внести шум в цепь. Правильное заземление может повысить производительность и надежность цепи.

Рекомендации по питанию

Мы должны использовать регуляторы напряжения и фильтры, чтобы гарантировать стабильную и надежную работу источника питания на своих номинальных значениях. Также важно убедиться, что дорожки источника питания достаточно широки, чтобы выдерживать текущую нагрузку.

• Минимизировать перепады напряжения: Используйте толстые дорожки или несколько параллельных дорожек, чтобы минимизировать перепады напряжения между источником питания и нагрузкой. Рассчитайте перепад напряжения и соответствующим образом отрегулируйте ширину дорожки.
• Рассмотрите возможность регулирования температуры: источники питания могут выделять значительное количество тепла, особенно если они работают с высоким током. Рассмотрите возможность установки радиаторов, вентиляторов или других механизмов охлаждения для отвода тепла и обеспечения надежной работы.
• Обход источника питания: Если в вашей схеме используются чувствительные аналоговые или цифровые компоненты, рассмотрите возможность установки обходного конденсатора между источником питания и землей. Это может помочь сгладить любые колебания напряжения и предотвратить шум.

Заключение

Использование известного программного обеспечения для компоновки печатных плат в дизайнерских проектах может упростить процесс проектирования. Эти инструменты позволяют разработчикам создавать, редактировать и оптимизировать макеты перед изготовлением печатных плат. Внимание к вышеупомянутым правилам и использование этих методов является ключевым фактором в производстве высококачественных печатных плат.