次のエレクトロニクス・プロジェクトのための PCB レイアウト設計チュートリアル・ガイド

プリント基板(PCB)は、電子部品を接続するためのプラットフォームとして機能します。設計者は、PCBの動作性能を向上させるために、回路設計のDFMとIPC規格を遵守する必要があります。しかしながら、PCBの設計は複雑な作業であり、幅広い知識が要求されます。このチュートリアルでは、FS Technologiesが、PCB設計に必要な知識を提供することを目的としています。 ヒントとルール PCB設計は、あなたのプロジェクトの最終製品の機能性と信頼性を確保するために不可欠です。

PCBレイアウトガイドライン

青いはんだマスクPCBベアボード

PCBレイアウトは、部品のサイズ、形状、配置、そしてそれらを接続する銅トレースを決定するため、回路設計プロセスの重要な側面です。また ビアコネクタ、その他の機械部品が必要です。 PCBアセンブリ と基板実装を考慮する必要があります。効果的なレイアウト設計は、信号ノイズ、クロストーク、EMI などの問題を軽減する必要があります。一般的に、高電圧のトレースは短く、直接配線し、電源やモーターなどのノイズの多い部品からすべてのトレースを遠ざけることを推奨します。このチュートリアルでは、これらの問題をより詳しく掘り下げます。

信号ノイズ

  • 配線経路を短くする: 回路内の電流の流れは配線に依存する。過度に長い配線は回路抵抗を増加させ、信号伝送速度を低下させ、信号品質を低下させる。
  • デジタル信号とアナログ信号を分離する: デジタル信号には高周波成分や干渉が含まれています。デジタル信号とアナログ信号を一緒に敷設すると、アナログ信号が干渉を受ける可能性がある。逆流を防ぐため、これらの信号のアース線を分離することを推奨する。
  • グランドプラン: これは、グランド層を意図的に異なる領域に分離し、領域間の適切なグランド接続を確保するものである。グラウンド領域を分離することで、熱性能を向上させ、信号干渉を低減することができる。
  • 干渉を防ぐ: 配線やプランニングだけでなく、フィルターやコンデンサー、インダクターなどの部品を使うことで、信号間の相互干渉を防ぐことができます。これらの部品は、回路内の電磁放射や電磁感受性を低減することができます。必要に応じて、FS Technologyは以下を含む包括的なプリント回路サービスを提供することができます。 部品調達.当社は、お客様のPCBAプロジェクトのために、認定メーカーから高品質の部品を調達しています。
  • バランスの取れたレイアウト: これは、回路性能を向上させるために、部品と信号線の間のレイアウトをより合理的にする技術である。考慮すべき要素には、電源分配、信号ピン、グランド計画、電源容量、インピーダンス・マッチングなどがある。

クロストーク

  • 高速信号ラインと低速信号ラインの分離: 高速信号は変化が速いが、電磁クロストークなどの欠点もあり、周波数によって低速信号線の安定性や信頼性に影響を与える。そのため、電源線と接地線を効果的に分配することで、相互クロストークの確率を下げることができる。
  • 合理的なグラウンドプランニング: 適切なグランド計画を立てることで、ボード上のすべてのデバイスが効果的にグランドされる。グランドループを最小にする、グランドプレーンを維持する、細くて長いグランドラインを避ける、広いグランドエリアを使用する。
  • シールドを使う: 設計中にクロストークが避けられない場合、シールドが良い解決策となる。これは、干渉からシールドする必要がある信号線の周囲に配置される金属材料で構成される。信号線を効果的に分離し、電磁放射の干渉を低減することができる。
  • 適切なPCB層: レイヤーを増やすとコストは上がるが、効果的な解決策である。 多層プリント配線板 より多くの信号層を提供し、層間のギャップで表面積を増やすことができるため、クロストークの問題を減らすことができる。

電磁妨害

  • 階層的なレイアウト: 基板上に多数のラインを必要とするハイエンド・アプリケーションでは、ラインの複雑さと交差が電磁干渉につながる可能性がある。 高周波基板 このようなアプリケーションでは、レイヤード・レイアウトやPCBインピーダンス制御技術が一般的に使用され、信号歪みやジッターなどの問題を軽減するのに役立ちます。
  • 適切な基材: 基板の材質が異なれば、PCBの性能に与える影響も異なる。 PCBの種類 設計プロセスを開始する前に。例えば、グラスファイバーやポリイミドのような素材は、電磁干渉を軽減するのに役立ちます。
  • シミュレーションと分析: 設計前に回路シミュレーションと解析を行うことで、設計者は回路の動作原理と性能を理解し、干渉防止性能を予測し最適化することができます。SPICEシミュレータのようなツールは、回路の正確な数値計算とシミュレーションを実行し、設計者がその性能を評価し、部品パラメータを決定するのに役立ちます。電磁界シミュレータは、電磁界の伝搬と干渉をシミュレートし、電磁干渉問題の解析と解決に役立ちます。

コンポーネント配置チュートリアル

PCBAボードで最も重要なセクションの1つであるため、設計時には主要部品をボードの中央付近に配置する必要があります。これにより、信号トレースの長さを最小限に抑え、干渉の可能性を減らすことができます。PCB設計における部品配置のチュートリアルをいくつかご紹介します:

  • 機能別にグループ分けする: 部品にはさまざまな機能と役割がある。設計者はそれらの特性を理解し、機能に応じて回路を分割する必要がある。そして、信号経路をよりよく制御し、信号伝送を最適化するために、関連する部品を一緒に配置することができる。例えば、電源部品は近くに配置し、同じ信号経路に属する部品はグループ化する。
  • 組み立てと修理: レイアウトで設計された部品は、PCBAの最終組み立てに使用される。その間隔が狭すぎると、組み立てが困難になったり、故障の問題が発生したりして、プロジェクトコストが増大する可能性がある。したがって、部品レイアウトを設計する際に組み立ての可能性を考慮することは、コスト削減のためのテクニックとなります。また、PCBAの故障は避けられないため、補修や修理の検討も必要である。 はんだ除去.
  • 部品の熱特性: パワーアンプやプロセッサーなど、回路が動作しているときに発熱する部品もある。しかし、部品を高密度に配置しすぎると、熱性能の低い部品が影響を受けて破損する可能性があります。FSテクノロジーでは、プリント基板を設計する際、部品間の相互影響を避けるため、発熱部品をオープンエリアや放熱エリアに配置することを推奨しています。
  • データ伝送: 先に述べたように、信号経路を短くすることは非常に重要である。したがって、マイクロプロセッサー、メモリー、インターフェース・チップなどの通信コンポーネントは、互いに近くに配置する必要がある。これらのコンポーネントは互いに通信やデータ交換を行うため、近くに配置することでデータ転送時間を短縮することができる。
  • オリエンテーションとアライメント: 部品の向きや配置は、信号の流れ方向、基板の整然さ、信号経路に関係する。したがって コンポーネントの向き は、PCB設計ガイドラインの重要な側面です。抵抗器は基板の方向に対して垂直に配置し、コンデンサは配線しやすいように基板に対して平行に配置する。
  • メーカーの指示に従うこと: 設計ファイルは最終的にメーカーに流れる必要がある。そのためには PCBA関連企業 FS Technologyのように、独立した設計部門があり、そのメンバーは経験豊富なエレクトロニクス業界の実務者である。従って、PCBA会社の意見を参考に修正することは、プロジェクトにとって有害ではなく、むしろ有益であることが多い。

トレース幅の規則

PCBトレース幅

PCB上のトレースの幅は、それが流す必要のある電流に基づくべきである。トレースの幅は、大電流が流れることによる過熱や焼損を防ぐのに十分なものでなければならない。 

PCBのトラック幅の計算式は以下の通り:

トラック幅(W)=(温度上昇率×銅重量)/(内部トレース長×銅の断面積)

どこでだ、

温度上昇 トレースの最大許容温度上昇

銅の重量トレースの単位面積当たりの銅の重量。 

Internal Trace Length PCBの内部を通るトレースの長さ。

銅の断面積 銅のトレース断面の面積。トレース幅に銅の厚さを乗じて計算される。

PCBビアのヒント

ビアとは、PCBの異なる層を貫通し、それらを接続する小さな穴のことです。PCB設計では、ビアを正しく使用することが重要です。ビアは、他の部品や信号トレースと干渉しない位置に配置し、他のビアや部品との干渉を避けるように注意する必要があります。ビアには、PCB上の位置によって3つのタイプがあります:

  • スルーホール経由: このビアはPCBを上から下へ貫通し、希望の位置で穴あけを止める必要がないため、穴あけが容易です。このビアは他のタイプよりも大きい。
  • 経由で埋葬された: PCBの上層と下層を接続する従来のビアとは異なり、埋設ビアは内層の間に位置し、表面からは見えません。PCB上のスペースを効率的に利用することで、電子機器の小型・軽量化に貢献します。
  • ブラインド経由: これらのビアは、PCBの外層と内層を接続する。穴あけを正確に止める必要があるため、技術的に難しい。

接地ガイドライン

  • しっかりとした接地面を使用すること: しっかりとしたグランドプレーンは、電流の低インピーダンスのリターンパスを提供し、ノイズを低減し、回路の信頼性を向上させます。グランドプレーンは、電流のリターンパスが常に最短距離になるように、PCB全体をカバーするのが理想的です。
  • 高速信号のリターン電流を他のグラウンド電流から分離する: 高速信号は、他のグラウンド電流と干渉する可能性のある大きな電流ループを生成する可能性があります。この干渉を最小限に抑えるには、高速信号のリターン電流を他のグラウンド電流から分離しておくことが重要です。これは、別のグラウンドプレーンを使用するか、高速信号とそのリターン電流を一緒に配線することで実現できます。
  • グラウンドループの面積を最小限に抑える: グランドループは、回路に不要なノイズを発生させます。グランドループの面積を最小にするために、グランド経路をできるだけ短く、直接にしてください。グラウンド・トレースをループ状に配線したり、複数のグラウンド・ポイントを使用したりすることはなるべく避けてください。
  • アナログとデジタルのグラウンドを分離: アナログ回路とデジタル回路は、干渉を防ぐために分離しておく必要がある。アナログとデジタルのグランドプレーンを分離し、グランドループを避けるために1点で接続することが重要です。アナログとデジタルのグラウンドを分離することで、クロストーク、ノイズ、干渉を減らすことができます。
  • 電源のアースを考慮する: ノイズや干渉を最小限に抑えるため、電源は適切に接地する必要があります。各電源に個別のグラウンド接続を使用し、1点でメイングラウンドに接続する。異なる電源間でグラウンド接続を共有することは、グラウンドループを発生させ、回路にノイズを混入させる可能性があるため、避けることが重要です。適切な接地は、回路の性能と信頼性を向上させます。

電源ガイドライン

電圧レギュレーターとフィルターを使用して、電源が定格で動作するように安定性と信頼性を確保する必要があります。また、電源トレースの幅を電流負荷に対応できるよう十分に確保することも重要です。

  • 電圧降下を最小限に抑える: 電源と負荷間の電圧降下を最小にするために、太いトレースまたは複数の平行トレースを使用する。電圧降下を計算し、それに応じてトレース幅を調整する。
  • 熱管理を考慮する: 電源装置は、特に高電流レベルで動作している場合、かなりの熱を発生する可能性がある。熱を放散し、信頼できる動作を確保するために、ヒートシンク、ファン、またはその他の冷却機構を追加することを検討する。
  • 電源のバイパス: 回路にデリケートなアナログ部品やデジタル部品がある場合は、電源とグランドの間にバイパスコンデンサを追加することを検討してください。これにより、電圧変動を平滑化し、ノイズを防ぐことができます。

PCBテストガイドライン

全体を監視する PCBテスト を選択することは、デザインを検証する上で極めて重要である。 PCBAプロトタイピングサービス 迅速なターンアラウンドでテストを完了することで、問題を迅速に特定し、大きな問題になる前に解決することができます。各コンポーネントやサブシステムをビルドプロセス中にテストし、アセンブリ完了後にボード全体を徹底的にテストすることが重要です。自動テストツールは、テストプロセスを支援し、ヒューマンエラーの可能性を減らすことができます。バウンダリスキャン、自動光学検査(AOI)、自動X線検査(AXI)などのPCBテストツールの使用を検討してください。ICPテストを容易にするために、プログラミングコネクタやパッドの追加を検討してください。

結論

よく知られたものを使う PCBレイアウトソフトウェア を使用すると、デザインプロセスを簡素化できます。これらのツールを使用することで、デザイナーはレイアウト・デザインの作成、編集、最適化を行うことができます。 プリント基板製造.上記のルールに注意し、これらの技術を使用し、設計ファイルをFS Technologyのメールボックスに送信することは、高品質のPCBまたはPCBAを製造し、電子機器メーカーの注目を集めるための重要な要素です。

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