Jak zrozumieć niektóre ważne kroki w projektowaniu płytek PCB?

Jeśli jesteś zainteresowany zaprojektowaniem płytki PCB, musisz znać kilka ważnych kroków. Kroki te obejmują ideację, definicję, walidację i rozmieszczenie komponentów. Zrozumienie tych kroków pomoże ci stworzyć najlepszy możliwy projekt.

Ideacja

Tworzenie efektywnego projektu płytki PCB rozpoczyna się od zdefiniowania przeznaczenia urządzenia. Niezbędne jest dopasowanie wymiarów płytki i ograniczeń wysokości do zamierzonych komponentów. Inne kwestie obejmują ESR komponentów przy wysokich częstotliwościach i stabilność temperaturową. Ponadto konieczne jest wybranie odpowiedniej szerokości ścieżek i odstępów. Nieprzestrzeganie tej ogólnej zasady może prowadzić do eksplozji kosztów.

Proces projektowania obwodów drukowanych rozpoczyna się od pomysłu, definicji i walidacji. Ten krok jest krytyczny i ma miejsce przed zaprojektowaniem prototypu lub wykonaniem projektu. Podkreśla kreatywność projektanta i upewnia się, że wszystkie komponenty sprzętowe są dopasowane i zgodne. Umożliwia również współpracę między różnymi członkami zespołu, co skutkuje synergią.

Definicja

Projektowanie PCB to złożony proces. Obejmuje on wybór odpowiednich materiałów na podstawę PCB, wybór zasady projektowania i wybór ostatecznych wymiarów. Płytka PCB musi również zostać przetestowana, aby upewnić się, że będzie działać prawidłowo w zamierzonych warunkach pracy. Jeśli projekt nie zostanie wykonany prawidłowo, może zakończyć się niepowodzeniem.

Pierwszym krokiem w projektowaniu PCB jest stworzenie zestawu planów. Odbywa się to za pomocą oprogramowania komputerowego. Plany służą jako model dla projektu. Projektant może również użyć kalkulatora szerokości ścieżek, aby określić warstwę wewnętrzną i zewnętrzną. Przewodzące miedziane ścieżki i obwody są oznaczone czarnym tuszem. Ścieżki są znane jako warstwy w projekcie PCB. Istnieją dwa rodzaje warstw, zewnętrzne i wewnętrzne.

Walidacja

Płytki PCB przechodzą procesy walidacji, aby upewnić się, że zostały prawidłowo zaprojektowane. Testy te są przeprowadzane poprzez badanie struktur płytki. Struktury te obejmują sondy i złącza, a także standard Beatty dla parametrów materiałowych. Testy te są przeprowadzane w celu wyeliminowania wszelkich błędów projektowych, takich jak odbicia.

Płytki PCB są następnie przygotowywane do produkcji. Proces ten zależy od używanego narzędzia CAD i zakładu produkcyjnego. Zwykle obejmuje generowanie plików Gerber, które są rysunkami każdej warstwy. Dostępnych jest kilka narzędzi do przeglądania i weryfikacji Gerber, z których niektóre są wbudowane w narzędzia CAD, podczas gdy inne są samodzielnymi aplikacjami. Jednym z przykładów jest ViewMate, który można pobrać i używać bezpłatnie.

Proces walidacji obejmuje również testowanie urządzenia. Projekt jest testowany za pomocą prototypu, aby upewnić się, że spełnia oczekiwaną reakcję. Ponadto obejmuje analizę obwodu w celu ustalenia, czy projekt jest stabilny. Wyniki tego testu określają, czy wymagane są jakiekolwiek zmiany. Należy wprowadzić pewne modyfikacje w celu ulepszenia projektu i zapewnienia, że spełnia on specyfikacje klienta.

Rozmieszczenie komponentów

Umieszczanie komponentów na płytkach PCB może odbywać się na wiele sposobów. Można umieścić je nad lub pod innym komponentem lub użyć kombinacji tych metod. Rozmieszczenie można uporządkować, wyrównując komponenty poprzez wybranie opcji Align Top (Wyrównaj do góry) lub Align Bottom (Wyrównaj do dołu). Możesz także równomiernie rozmieścić komponenty na planszy, zaznaczając je i klikając prawym przyciskiem myszy. Możesz także przenieść komponenty na górną lub dolną stronę płytki PCB, naciskając przycisk L.

Podczas projektowania płytek drukowanych kluczowe znaczenie ma rozmieszczenie komponentów. W idealnym przypadku komponenty są umieszczane na górnej stronie płytki. Jeśli jednak komponent ma niskie rozpraszanie ciepła, można go umieścić na dolnej stronie. Zaleca się również grupowanie podobnych komponentów i umieszczanie ich w równym rzędzie. Co więcej, należy również umieścić kondensatory odsprzęgające w pobliżu aktywnych komponentów. Ponadto, złącza należy umieszczać zgodnie z wymaganiami projektowymi.

Napięcie przebicia dielektryka

Niezależnie od tego, czy projektujesz własną płytkę PCB, czy pozyskujesz ją od producenta, istnieje kilka kroków, o których powinieneś wiedzieć. Niektóre z tych kroków obejmują: testowanie komponentów elektrycznych i układu PCB pod kątem funkcjonalności. Odbywa się to poprzez przeprowadzenie szeregu testów zgodnie ze standardami IPC-9252. Dwa z najczęstszych testów to testy izolacji i ciągłości obwodu. Testy te sprawdzają, czy na płytce występują jakiekolwiek rozłączenia lub zwarcia.

Po zakończeniu procesu projektowania ważne jest, aby wziąć pod uwagę rozszerzalność cieplną i odporność termiczną komponentów. Te dwa obszary są ważne, ponieważ rozszerzalność cieplna komponentów płyty zwiększa się, gdy robi się cieplej. Tg komponentów płyty musi być wystarczająco wysoka, aby zapobiec uszkodzeniu lub deformacji komponentów. Jeśli Tg jest zbyt niska, może to spowodować przedwczesną awarię komponentów.

Jak używać warstw PCB do kontrolowania promieniowania elektromagnetycznego?

Układ warstwowy PCB jest jednym z najlepszych sposobów na zmniejszenie EMC i kontrolę emisji EMF. Nie jest to jednak pozbawione ryzyka. Projekt płytki PCB z dwiema warstwami sygnałowymi może skutkować niewystarczającą ilością miejsca na płytce do poprowadzenia sygnałów, przecinając płaszczyznę PWR. Dlatego lepiej jest umieścić warstwy sygnałowe między dwiema ułożonymi w stos płaszczyznami przewodzącymi.

Korzystanie z 6-warstwowej płytki PCB

Sześciowarstwowy układ PCB jest skuteczny do odsprzęgania sygnałów o dużej prędkości i sygnałów o niskiej prędkości, a także może być stosowany do poprawy integralności zasilania. Umieszczenie warstwy sygnałowej między powierzchnią a wewnętrznymi warstwami przewodzącymi może skutecznie tłumić zakłócenia elektromagnetyczne.

Umieszczenie zasilania i uziemienia na drugiej i piątej warstwie płytki drukowanej jest krytycznym czynnikiem w kontrolowaniu promieniowania EMI. Takie umiejscowienie jest korzystne, ponieważ rezystancja miedzi zasilacza jest wysoka, co może wpływać na kontrolę EMI w trybie wspólnym.

Istnieją różne konfiguracje 6-warstwowych zestawów PCB, które są przydatne w różnych zastosowaniach. 6-warstwowa płytka PCB powinna być zaprojektowana zgodnie z odpowiednimi specyfikacjami aplikacji. Następnie należy go dokładnie przetestować, aby zapewnić jego funkcjonalność. Następnie projekt zostanie przekształcony w niebieski wydruk, który będzie kierował procesem produkcyjnym.

Płytki PCB były kiedyś jednowarstwowe, bez przelotek i z prędkościami taktowania w zakresie setek kHz. Obecnie mogą one zawierać do 50 warstw, z komponentami umieszczonymi pomiędzy warstwami i po obu stronach. Szybkość przesyłania sygnałów wzrosła do ponad 28 Gb/s. Korzyści płynące z zastosowania solid-layer stackup są liczne. Mogą one zmniejszyć promieniowanie, poprawić przesłuchy i zminimalizować impedancję.

Korzystanie z płyty laminowanej

Korzystanie z laminowanych płytek PCB to doskonały sposób na ochronę elektroniki przed promieniowaniem EMI. Ten rodzaj promieniowania jest powodowany przez szybko zmieniające się prądy. Prądy te tworzą pętle i emitują szum, gdy szybko się zmieniają. Aby kontrolować promieniowanie, należy użyć płytki laminowanej rdzeniem, która ma niską stałą dielektryczną.

EMI jest powodowane przez różne źródła. Najbardziej powszechne jest szerokopasmowe EMI, które występuje na częstotliwościach radiowych. Jest ono wytwarzane przez wiele źródeł, w tym obwody, linie energetyczne i lampy. Mogą one uszkadzać sprzęt przemysłowy i zmniejszać produktywność.

Płyta laminowana rdzeniem może zawierać obwody redukujące zakłócenia elektromagnetyczne. Każdy obwód redukujący zakłócenia elektromagnetyczne zawiera rezystor i kondensator. Może również zawierać urządzenie przełączające. Jednostka obwodu sterującego kontroluje każdy obwód redukujący zakłócenia elektromagnetyczne, wysyłając sygnały wyboru i sterowania do obwodów redukujących zakłócenia elektromagnetyczne.

Niedopasowanie impedancji

Warstwowe układy PCB to świetny sposób na poprawę kontroli EMI. Mogą one pomóc w ograniczeniu pól elektrycznych i magnetycznych, jednocześnie minimalizując zakłócenia EMI w trybie wspólnym. Najlepszy układ ma solidne płaszczyzny zasilania i uziemienia na zewnętrznych warstwach. Podłączanie komponentów do tych płaszczyzn jest szybsze i łatwiejsze niż prowadzenie drzew zasilania. Jednak kompromisem jest zwiększona złożoność i koszty produkcji. Wielowarstwowe płytki PCB są drogie, ale korzyści mogą przeważyć nad kompromisem. Aby uzyskać najlepsze wyniki, należy współpracować z doświadczonym dostawcą PCB.

Projektowanie warstwowej płytki PCB jest integralną częścią procesu integralności sygnału. Proces ten wymaga starannego rozważenia wymagań dotyczących wydajności mechanicznej i elektrycznej. Projektant PCB ściśle współpracuje z producentem, aby stworzyć najlepszą możliwą płytkę PCB. Ostatecznie, układ warstw PCB powinien być w stanie skutecznie poprowadzić wszystkie sygnały, zachować nienaruszone zasady integralności sygnału oraz zapewnić odpowiednie warstwy zasilania i uziemienia.

Warstwowy układ PCB może pomóc zmniejszyć promieniowanie EMI i poprawić jakość sygnału. Może również zapewnić odsprzęgającą magistralę zasilania. Chociaż nie ma jednego rozwiązania dla wszystkich kwestii związanych z EMI, istnieje kilka dobrych opcji optymalizacji warstwowych stosów PCB.

Separacja śladów

Jednym z najlepszych sposobów kontrolowania promieniowania EMI jest stosowanie warstw w projektach PCB. Technika ta polega na umieszczeniu płaszczyzny uziemienia i warstw sygnałowych obok siebie. Pozwala to im działać jako ekrany dla wewnętrznych warstw sygnałowych, co pomaga zmniejszyć promieniowanie w trybie wspólnym. Co więcej, układ warstwowy jest znacznie bardziej wydajny niż jednopłaszczyznowa płytka drukowana, jeśli chodzi o zarządzanie temperaturą.

Oprócz skuteczności w ograniczaniu promieniowania EMI, warstwowa konstrukcja stosu PCB pomaga również poprawić gęstość komponentów. Odbywa się to poprzez zapewnienie większej przestrzeni wokół komponentów. Może to również zmniejszyć EMI w trybie wspólnym.

Aby zmniejszyć promieniowanie EMI, projekt płytki drukowanej powinien składać się z czterech lub więcej warstw. Czterowarstwowa płytka będzie wytwarzać promieniowanie o 15 dB mniejsze niż płytka dwuwarstwowa. Ważne jest umieszczenie warstwy sygnałowej blisko płaszczyzny zasilania. Korzystanie z dobrego oprogramowania do projektowania PCB może pomóc w wyborze odpowiednich materiałów i wykonaniu obliczeń impedancji.