Руководство по проектированию макета печатной платы для Вашего следующего проекта по электронике

Печатная плата (ПП) служит платформой для соединения электронных компонентов. Проектировщики обязаны придерживаться стандартов DFM и IPC при разработке схем, чтобы улучшить эксплуатационные характеристики печатной платы. Тем не менее, проектирование печатной платы - это сложная задача, требующая обширных знаний. В этом учебном пособии компания FS Technologies стремится предоставить основные знания по проектированию печатных плат. советы и правила для проектирования печатных плат, которые жизненно важны для обеспечения функциональности и надежности конечного продукта для Вашего предстоящего проекта.

Рекомендации по компоновке печатной платы

Синяя паяльная маска Голая печатная плата

Разметка печатной платы - важнейший аспект процесса разработки схемы, поскольку она определяет размер, форму и расположение компонентов, а также медные дорожки, которые их соединяют. Она также включает в себя размещение viasРазъемы, коннекторы и другие механические компоненты, необходимые для Сборка печатной платы и монтажа на плату. Эффективная компоновка должна смягчать такие проблемы, как сигнальный шум, перекрестные наводки и ЭМИ. Как правило, рекомендуется делать высокие дорожки короткими и прямыми и располагать все дорожки вдали от шумных компонентов, таких как источники питания и двигатели. В этом учебном пособии мы рассмотрим эти вопросы более подробно.

Сигнальный шум

  • Укоротите пути проводки: Протекание тока в цепи зависит от проводки. Чрезмерно длинные провода могут увеличить сопротивление цепи, снизить скорость передачи сигнала и качество сигнала.
  • Разделяйте цифровые и аналоговые сигналы: Цифровые сигналы содержат высокочастотные компоненты и помехи. Когда цифровые и аналоговые сигналы проложены вместе, аналоговый сигнал может быть подвержен помехам. Рекомендуется разделять провода заземления этих сигналов для предотвращения помех обратного тока.
  • Первый план: Это предполагает намеренное разделение слоев заземления на отдельные области для обеспечения адекватного заземления между областями. Разделение областей заземления может улучшить тепловые характеристики и уменьшить интерференцию сигналов, что очень важно для поддержания нормальной рабочей температуры компонентов.
  • Не допускайте вмешательства: Помимо прокладки проводов и планирования, использование таких компонентов, как фильтры, конденсаторы и индукторы, может предотвратить взаимные помехи между сигналами. Эти компоненты могут уменьшить электромагнитное излучение и электромагнитную восприимчивость в цепи. При необходимости FS Technology может предоставить комплексные услуги по печатным схемам, включая закупка компонентов. Мы поставляем высококачественные компоненты от сертифицированных производителей для Вашего проекта PCBA.
  • Сбалансированная планировка: Это техника, которая основывается на более разумном расположении компонентов и сигнальных линий для улучшения производительности схемы. Необходимо учитывать такие факторы, как распределение питания, сигнальные выводы, планирование заземления, емкость источника питания и согласование импеданса.

Перекрестные помехи

  • Разделение высокоскоростных и низкоскоростных сигнальных линий: Высокоскоростные сигналы меняются быстрее, но они также имеют некоторые недостатки, такие как электромагнитные перекрестные наводки, которые могут повлиять на стабильность и надежность низкоскоростных сигнальных линий из-за частоты. Поэтому эффективное распределение проводов питания и заземления может снизить вероятность взаимных перекрестных наводок.
  • Разумное планирование грунта: Правильное планирование заземления гарантирует, что все устройства на плате будут эффективно заземлены. Следует придерживаться следующих правил: минимизировать контуры заземления, поддерживать плоскости заземления, избегать тонких и длинных линий заземления и использовать большую площадь заземления.
  • Используйте экранирование: Если перекрестные помехи неизбежны при проектировании, хорошим решением является экранирование. Оно состоит из металлических материалов, размещенных вокруг сигнальной линии, которую необходимо экранировать от помех. Оно может эффективно изолировать сигнальную линию и уменьшить помехи от электромагнитного излучения.
  • Соответствующие слои печатной платы: Хотя добавление дополнительных слоев увеличивает затраты, это эффективное решение. Многослойная печатная плата обеспечивают больше сигнальных слоев, а зазор между слоями может увеличить площадь поверхности, тем самым уменьшая проблемы перекрестных помех.

Электромагнитные помехи

  • Иерархическая компоновка: Для приложений высокого класса, требующих большого количества линий на плате, сложность и пересечение линий может привести к электромагнитным помехам. Высокочастотная печатная плата обычно используется в таких приложениях, и многослойная компоновка или технология контроля импеданса печатной платы может помочь уменьшить такие проблемы, как искажение сигнала и джиттер.
  • Соответствующий материал субстрата: Различные материалы подложки по-разному влияют на производительность печатной платы, поэтому важно понимать характеристики различных типы печатных плат перед началом процесса проектирования. Например, такие материалы, как стекловолокно и полиимид, могут помочь уменьшить электромагнитные помехи.
  • Моделирование и анализ: Моделирование и анализ схемы до начала проектирования могут помочь разработчикам понять принцип работы и производительность схемы, а также предсказать и оптимизировать ее антипомеховые характеристики. Такие инструменты, как симулятор SPICE, могут выполнять точные численные расчеты и моделирование схемы, помогая разработчикам оценить ее производительность и определить параметры компонентов. Симуляторы электромагнитного поля могут имитировать распространение и интерференцию электромагнитных полей, помогая в анализе и решении проблем электромагнитных помех.

Учебник по размещению компонентов

Как один из наиболее важных участков на плате PCBA, ключевые компоненты при проектировании должны быть размещены близко к центру платы. Это поможет минимизировать длину сигнальных трасс и снизить вероятность возникновения помех. Вот несколько руководств по размещению компонентов при проектировании печатной платы:

  • Группируйте по функциям: Различные компоненты имеют различные функции и роли. Проектировщикам необходимо понимать их характеристики и разделять схему на различные части в соответствии с функциями. Затем они могут разместить связанные компоненты вместе для лучшего контроля пути сигнала и оптимизации его передачи. Например, силовые компоненты должны располагаться близко друг к другу, а компоненты, относящиеся к одному и тому же пути прохождения сигнала, должны быть сгруппированы.
  • Сборка и ремонт: Компоненты, разработанные в макете, используются при окончательной сборке PCBA. Если расстояние между компонентами слишком мало, это может вызвать трудности при сборке и проблемы с выходом из строя, что увеличит стоимость проекта. Поэтому учет возможности сборки при проектировании компоновки компонентов является методом снижения затрат. Кроме того, отказ PCBA неизбежен, поэтому необходимо рассмотреть возможность ремонта или пайка компонентов.
  • Тепловые характеристики компонентов: Некоторые компоненты выделяют больше тепла при работе схемы, например, усилители мощности и процессоры. Однако, если компоненты размещены слишком плотно, компоненты с плохими тепловыми характеристиками могут быть затронуты и повреждены. FS Technology рекомендует при проектировании печатных плат размещать компоненты, выделяющие тепло, в открытых областях или областях, отводящих тепло, чтобы избежать взаимного влияния между компонентами.
  • Передача данных: Как упоминалось ранее, сокращение пути прохождения сигнала имеет решающее значение. Поэтому коммуникационные компоненты, такие как микропроцессоры, память и интерфейсные микросхемы, должны быть расположены близко друг к другу. Эти компоненты общаются 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 связаны с направлением потока сигналов, аккуратностью платы и траекторией прохождения сигнала. Таким образом, ориентация компонентов является важным аспектом рекомендаций по проектированию печатной платы. Вот несколько советов: резисторы следует размещать перпендикулярно направлению платы, а конденсаторы - параллельно плате для удобства маршрутизации.
  • Следуйте рекомендациям производителя: В конечном итоге, файлы дизайна должны попасть к производителю. Для Компании, производящие PCBA как FS Technology, существует независимый конструкторский отдел, члены которого являются опытными практиками электронной промышленности. Таким образом, обращение к модификациям, представленным мнениями компании PCBA, часто приносит пользу, а не вред проекту.

Правила ширины трассы

Ширина трассировки печатной платы

Ширина трассы на печатной плате должна быть основана на токе, который она должна пропускать. Необходимо убедиться, что ширина трассы достаточна для предотвращения ее перегрева или выгорания из-за протекания большого тока. 

Формула для расчета ширины дорожки печатной платы выглядит следующим образом:

Ширина дорожки (W) = (Повышение температуры × вес меди)/(Длина внутренней дорожки × площадь поперечного сечения меди)

Где,

Повышение температуры Максимально допустимое повышение температуры для трассы

Вес медиВес меди на единицу площади трассы. 

Длина внутренней трассы Длина трассы, проходящей внутри печатной платы.

Площадь поперечного сечения меди Площадь поперечного сечения медной трассы. Она рассчитывается путем умножения ширины трассы на толщину меди

Советы по использованию виа на печатной плате

Проход - это небольшое отверстие, которое проходит через различные слои печатной платы, соединяя их вместе. При проектировании печатной платы важно правильно использовать проходные отверстия. Виа должны быть размещены в местах, которые не мешают другим компонентам или сигнальным трассам, и следует позаботиться о том, чтобы они не мешали другим виа или компонентам. Существует три типа виасов в зависимости от их расположения на печатной плате:

  • Сквозное отверстие через: Этот канал проходит через печатную плату сверху вниз, и его легко сверлить, поскольку нет необходимости останавливать сверление в нужной точке. Этот канал больше, чем другие типы.
  • Похоронен через: В отличие от традиционных отверстий, которые соединяют верхний и нижний слои печатной платы, заглубленные отверстия располагаются между внутренними слоями и не видны с поверхности. Эффективное использование пространства на печатной плате может помочь уменьшить размер и вес электронных устройств.
  • Слепой через: Эти отверстия соединяют один внешний слой с внутренним слоем печатной платы. Они технически сложны в изготовлении, так как сверление должно быть остановлено с высокой точностью.

Рекомендации по заземлению

  • Используйте твердую плоскость заземления: Прочная плоскость заземления обеспечивает низкоомный обратный путь для тока, снижает уровень шума и повышает надежность схемы. В идеале, плоскость заземления должна покрывать всю печатную плату, чтобы путь возврата тока всегда находился на минимально возможном расстоянии.
  • Держите токи возврата высокоскоростных сигналов отдельно от других токов заземления: Высокоскоростные сигналы могут создавать значительные токовые петли, которые могут создавать помехи для других токов заземления. Чтобы минимизировать эти помехи, важно отделить токи возврата высокоскоростных сигналов от других токов заземления. Этого можно добиться, используя отдельную плоскость заземления или прокладывая высокоскоростные сигналы и их обратные токи вместе.
  • Минимизируйте площадь контура заземления: Петли заземления могут создавать нежелательный шум в цепи. Чтобы минимизировать площадь контура заземления, делайте путь заземления как можно короче и прямее. Старайтесь избегать прокладки трасс заземления в петлях или использования нескольких точек заземления.
  • Отделите аналоговую и цифровую землю: Аналоговые и цифровые схемы должны быть разделены для предотвращения помех. Важно разделять аналоговые и цифровые заземляющие плоскости и соединять их в одной точке, чтобы избежать контуров заземления. Разделение аналоговой и цифровой земли может помочь уменьшить перекрестные наводки, шум и помехи.
  • Рассмотрите возможность заземления для источников питания: Источники питания должны быть надлежащим образом заземлены, чтобы минимизировать шумы и помехи. Используйте отдельное заземление для каждого источника питания и подключайте их к основному заземлению в одной точке. Важно избегать совместного подключения заземления между разными источниками питания, так как это может привести к образованию петель заземления и внесению помех в цепь. Правильное заземление может улучшить производительность и надежность схемы.

Рекомендации по питанию

Мы должны использовать стабилизаторы напряжения и фильтры, чтобы обеспечить стабильную и надежную работу источника питания при его номинальных параметрах. Также важно убедиться, что трассы источника питания достаточно широкие, чтобы справиться с токовой нагрузкой.

  • Минимизируйте падение напряжения: Используйте толстые трассы или несколько параллельных трасс, чтобы минимизировать падение напряжения между источником питания и нагрузкой. Рассчитайте падение напряжения и соответствующим образом отрегулируйте ширину трассы.
  • Рассмотрите возможность терморегулирования: блоки питания могут выделять значительное количество тепла, особенно если они работают при высоких уровнях тока. Рассмотрите возможность добавления радиаторов, вентиляторов или других механизмов охлаждения для рассеивания тепла и обеспечения надежной работы.
  • Шунтирование источника питания: Если в Вашей схеме есть чувствительные аналоговые или цифровые компоненты, подумайте о добавлении шунтирующего конденсатора между источником питания и землей. Это поможет сгладить любые колебания напряжения и предотвратить появление шума.

Рекомендации по тестированию печатных плат

Мониторинг всего Испытание печатной платы является важнейшим аспектом валидации дизайна, и выбор Услуги по прототипированию PCBA с быстрым сроком выполнения может помочь Вам быстро завершить тестирование, что позволит выявить и устранить проблемы до того, как они станут серьезными проблемами. Важно тестировать каждый компонент и подсистему в процессе сборки и тщательно тестировать всю плату после завершения сборки. Автоматизированные инструменты тестирования могут помочь в процессе тестирования и уменьшить вероятность человеческой ошибки. Рассмотрите возможность использования таких инструментов тестирования печатных плат, как граничное сканирование, автоматизированный оптический контроль (AOI) или автоматизированный рентгеновский контроль (AXI). Чтобы облегчить тестирование ICP, подумайте о добавлении программирующего разъема или площадки.

Заключение

Использование хорошо известных Программное обеспечение для разводки печатных плат в дизайнерских проектах может упростить процесс проектирования. Эти инструменты позволяют дизайнерам создавать, редактировать и оптимизировать дизайн макетов до того, как Производство печатных плат. Внимание к вышеупомянутым правилам и использование этих методов, наряду с отправкой файлов дизайна на почтовый ящик FS Technology, являются ключевыми факторами в производстве высококачественных печатных плат или PCBA и завоевании внимания производителей электроники.

Блог о проектах DIY электроники

Таймер прерывания Arduino UNO

Таймер прерывания Arduino UNO Таймер - это функция, встроенная в каждый микроконтроллер и выполняющая определенные функции, связанные с течением времени. Функция таймера

Читать далее "
Аппаратные характеристики ESP32: вывод, преобразователь и процессор

Аппаратные характеристики ESP32: вывод, преобразователь и процессор ESP32, разработанный компанией Shanghai Espressif Systems, - это недорогой микроконтроллер с низким энергопотреблением, широко используемый в Интернет

Читать далее "
Лучшие программы для проектирования макетов печатных плат: Какая программа лучше для Вас

Лучшие программы для проектирования макетов печатных плат: Какая программа лучше для Вас В Китае есть поговорка: "Наточи топор, прежде чем рубить дрова". Это означает, что

Читать далее "
Рекомендации по печатной плате клавиатуры для горячей замены

Рекомендации по печатной плате с горячей заменой клавиатуры Традиционные платы PCBA полагаются на процесс пайки для надежного крепления компонентов к поверхности печатной платы. В то время как

Читать далее "