6 praktycznych wskazówek dotyczących projektowania PCB, aby uniknąć 90% pułapek produkcyjnych! Nawet początkujący mogą szybko zacząć

Projektując obwody, wiele osób skupia całą swoją energię na schematach i doborze komponentów, po czym pośpiesznie kończy etap układu i trasowania PCB. Rezultat? Albo częste błędy występują podczas produkcji fabrycznej, albo płytka obwodu ulega awarii po krótkim okresie użytkowania — przegrzewanie, zakłócenia sygnału, słabe lutowanie — tych problemów można w rzeczywistości uniknąć z wyprzedzeniem dzięki naukowemu projektowaniu. Dziś omówimy podstawowe techniki projektowania PCB, aby pomóc Ci szybko tworzyć produkowalne, funkcjonalnie stabilne płytki obwodów!

I. Umieszczanie komponentów: Więcej niż tylko schludność, łatwość lutowania i użyteczność

Umieszczanie komponentów jest podstawą projektowania PCB, wymagającą zarówno przestrzegania logiki obwodu, jak i zgodności z procesami produkcyjnymi. Wielu początkujących dąży tylko do "schludnego wyglądu", zaniedbując rzeczywiste wymagania dotyczące lutowania i montażu.

Ujednolicona orientacja oszczędza czas

Umieszczanie podobnych komponentów, takich jak rezystory i kondensatory, w tym samym kierunku zmniejsza potrzebę częstych regulacji kąta przez maszynę podczas lutowania, poprawiając wydajność i zmniejszając prawdopodobieństwo zimnych lutów i nieprawidłowego lutowania. Komponenty o różnych rozmiarach nie powinny się wzajemnie zasłaniać.

Unikaj umieszczania małych komponentów bezpośrednio pod lub za dużymi komponentami. W przeciwnym razie, podczas lutowania dużego komponentu, mały komponent zostanie zasłonięty, tworząc "obszar cienia", który utrudnia lutowanie.

Uprość montaż, kategoryzując komponenty.
Spróbuj umieścić komponenty do montażu powierzchniowego (SMT) po tej samej stronie płytki obwodu i skoncentrować komponenty przelotowe (TH) na górze. Pozwala to uniknąć wielokrotnego obracania podczas montażu fabrycznego, zmniejszając koszty produkcji. Jeśli dwa rodzaje komponentów muszą być używane razem, rozważ z góry dodatkowe koszty procesu montażu.

II. Projektowanie ścieżek: Zasilanie, masa i trasy sygnałowe muszą być skrupulatne.

Po umieszczeniu komponentów zaplanuj trasowanie ścieżek zasilania, masy i sygnału, ponieważ ma to bezpośredni wpływ na stabilność obwodu. Wiele problemów z zakłóceniami sygnału i niestabilnością zasilania wynika z problemów z trasowaniem.

Warstwy zasilania i masy na warstwach wewnętrznych.
Umieść warstwy zasilania i masy wewnątrz płytki obwodu, zachowując symetrię i centrowanie. Zapobiega to wyginaniu się płytki obwodu i pozwala na bardziej precyzyjne pozycjonowanie komponentów. Podczas zasilania układów scalonych używaj grubszych ścieżek i unikaj połączeń typu daisy-chain (łączenie komponentów szeregowo), aby zapobiec niestabilności napięcia.

Ścieżki sygnałowe powinny być "krótkie i proste". Ścieżki sygnałowe między komponentami powinny przebiegać najkrótszą możliwą ścieżką; połączenia bezpośrednie są preferowane w stosunku do zagięć. Jeśli komponent musi być zamocowany poziomo, poprowadź ścieżkę poziomo na krótką odległość przed obróceniem jej pionowo. Zapobiega to spływaniu lutowia podczas lutowania, powodującemu niewspółosiowość komponentów; odwrotnie, poprowadzenie ścieżki najpierw pionowo może spowodować przechylenie komponentu.

Szerokość ścieżki powinna być zgodna z prądem. W przypadku zwykłych sygnałów o niskim prądzie (takich jak sygnały cyfrowe i analogowe) wystarczająca jest ścieżka o szerokości 0,010 cala (10 mil). Jeśli prąd przekracza 0,3 ampera, szerokość ścieżki musi zostać zwiększona; im wyższy prąd, tym szersza powinna być ścieżka, aby zapobiec przegrzaniu i przepaleniu.

III. Projekt izolacji: Sygnały cyfrowe, analogowe i zasilacze powinny być oddzielne.

Obwody zasilania wysokiego napięcia i wysokiego prądu mogą łatwo zakłócać czułe obwody sterowania lub analogowe, prowadząc do problemu "drżenia sygnału", z którym boryka się wiele osób. Właściwa izolacja znacznie zmniejsza zakłócenia.

Masa zasilania i masa sterowania powinny być oddzielne. Masa zasilania i masa sterowania każdego zasilacza powinny być trasowane oddzielnie, a nie mieszane razem. Jeśli połączenie jest konieczne, powinno być wykonane tylko na końcu ścieżki zasilania, aby uniknąć przewodzenia zakłóceń. Ścisła izolacja obwodów cyfrowych i analogowych

Jeśli płytka obwodu zawiera obwody cyfrowe (takie jak mikrokontrolery) i obwody analogowe (takie jak czujniki), powinny być one rozmieszczone oddzielnie, a dla płaszczyzny masy warstwy pośredniej powinny być zapewnione odpowiednie ścieżki impedancji. Sygnały analogowe powinny przebiegać tylko po masie analogowej i nie powinny krzyżować się z masą cyfrową, aby zmniejszyć zakłócenia sprzężenia pojemnościowego.

IV. Rozpraszanie ciepła: Nie pozwól, aby ciepło zniszczyło Twoją płytkę obwodu

Wiele płytek obwodów doświadcza pogorszenia wydajności lub nawet przepalenia po pewnym okresie użytkowania, najprawdopodobniej z powodu niewystarczającego rozpraszania ciepła. Dotyczy to zwłaszcza elementów zasilających, gdzie gromadzenie się ciepła może poważnie wpłynąć na ich żywotność.

Zidentyfikuj "Gigantów Ciepła"

Sprawdź w karcie katalogowej komponentu parametr rezystancji termicznej (TRT). Niższe TRT skutkuje lepszym rozpraszaniem ciepła. Trzymaj komponenty dużej mocy (takie jak tranzystory i układy zasilania) z dala od czułych komponentów i w razie potrzeby dodaj radiatory lub małe wentylatory.

Pady gorącego powietrza są kluczowe

Komponenty przelotowe muszą używać padów gorącego powietrza. Spowalniają one rozpraszanie ciepła z pinów, zapewniając wystarczającą temperaturę podczas lutowania i zapobiegając zimnym lutom. Dodatkowo, dodanie padów "łezkowych" w punktach połączeń między padami a ścieżkami wzmacnia podparcie folii miedzianej i zmniejsza naprężenia termiczne i mechaniczne.

Typowa metoda połączenia padów gorącego powietrza

V. Pady gorącego powietrza: "Magiczne narzędzie" do wad lutowania

Wiele początkujących nie jest świadomych funkcji padów gorącego powietrza, co skutkuje przerwami w obwodach, zimnymi lutami i słabymi lutami, których nie można rozwiązać przez wielokrotną regulację temperatury pieca. Podstawową przyczyną problemu jest konstrukcja okablowania.

Duże obszary folii miedzianej zasilania lub masy nagrzewają się powoli i szybko rozpraszają ciepło. Jeśli wyprowadzenia lutownicze małych komponentów (takich jak rezystory i kondensatory w obudowie 0402) są bezpośrednio połączone z dużą folią miedzianą, temperatura nie osiągnie punktu topnienia lutowia podczas lutowania, co skutkuje zimnym lutem. Podczas lutowania ręcznego ciepło jest szybko odprowadzane, co również uniemożliwia pomyślne lutowanie.

Zasada działania padów gorącego powietrza jest prosta: połączenie padów z dużym obszarem folii miedzianej za pomocą kilku cienkich pasków miedzianych zapewnia przewodnictwo elektryczne, jednocześnie zmniejszając obszar rozpraszania ciepła. Pozwala to padom na utrzymanie wystarczającej temperatury podczas lutowania, zapewniając mocne przyleganie lutowia do padów.

VI. Sprawdzanie projektu: Nie oszczędzaj na ostatnim kroku

Po zakończeniu projektu zawsze wykonaj podwójną kontrolę; w przeciwnym razie nawet małe błędy mogą sprawić, że cała płytka obwodu będzie bezużyteczna.

Po pierwsze, uruchom "sprawdzanie reguł": Użyj funkcji Electrical Rule Check (ERC) i Design Rule Check (DRC) w oprogramowaniu do projektowania, aby sprawdzić szerokość ścieżek, odstępy, zwarcia, niepoprowadzone sieci itp., aby zapewnić zgodność z wymaganiami produkcyjnymi.

Po drugie, zweryfikuj sygnał po sygnale: Od schematu do PCB, sprawdź połączenie każdej linii sygnałowej, aby uniknąć pominięć lub błędów. Użyj funkcji ekranowania oprogramowania, aby potwierdzić, że układ odpowiada schematowi.

Wnioski

Projektowanie PCB może wydawać się skomplikowane, ale jego istota obraca się wokół "produkcyjności" i "stabilności". Właściwe umieszczanie komponentów, zapewnienie krótkich i szerokich ścieżek, wdrożenie dobrej izolacji i rozpraszania ciepła, efektywne wykorzystanie padów gorącego powietrza i wreszcie przeprowadzenie dokładnej kontroli — te sześć kroków pomoże Ci uniknąć większości pułapek.

Początkujący nie muszą dążyć do perfekcji na starcie. Najpierw opanuj te podstawowe umiejętności, a następnie zoptymalizuj je w połączeniu z rzeczywistymi projektami. Szybko będziesz w stanie zaprojektować wysokiej jakości płytki obwodów. Pamiętaj, że dobre projektowanie PCB nie tylko zmniejsza koszty produkcji, ale także sprawia, że wydajność obwodu jest bardziej stabilna i wydłuża jego żywotność.