Što je PCB dizajn? Osnove, koraci, slaganje i savjeti za rješavanje problema

Što je PCB dizajn?

Dizajn PCB-a je proces prevođenja sheme elektroničkog sklopa u fizičku ploču koja se može proizvesti. Dizajner određuje gdje se nalazi svaka komponenta, kako ih bakreni tragovi povezuju, koliko slojeva je potrebno za ploču i koje materijale i tolerancije proizvođač mora zadovoljiti. Izlaz je skup Gerber datoteka — industrijski standardni format koji pokreće opremu za automatsku proizvodnju.

Gotova tiskana pločica više je od dijagrama ožičenja koji je trajno napravljen. To je mehanička struktura, sustav upravljanja toplinom i elektromagnetsko okruženje odjednom. Dobro dizajnirana ploča čisto usmjerava signale, učinkovito rasipa toplinu i prolazi EMC testiranje. Loše dizajniran može funkcionirati na stolu, ali otkazati na terenu zbog buke, preslušavanja ili problema s integritetom napajanja koji se pojavljuju samo u stvarnim radnim uvjetima.

Osnove od PCB Dizajn koji bi svaki inženjer trebao znati

Prije otvaranja bilo kojeg EDA alata, dizajner se mora upoznati s nekoliko temeljnih koncepata koji upravljaju svakom odlukom donesenom tijekom izgleda.

Slojevi i slaganje

PCB-ovi se sastoje od izmjeničnih bakrenih i dielektričnih (izolacijskih) slojeva međusobno laminiranih. Jednostavni dizajni koriste 2 sloja; ploče s većom gustoćom komponenti ili strožim zahtjevima za integritet signala koriste 4, 6, 8 ili više. Svaki sloj ima određenu ulogu - usmjeravanje signala, referenca uzemljenja ili distribucija energije - a raspored ovih slojeva naziva se skup.

Impedancija i integritet signala

Na visokim frekvencijama, bakreni trag ponaša se kao prijenosni vod. Njegovo karakteristična impedancija — određeno širinom traga, debljinom bakra, dielektričnom konstantom i udaljenošću do najbliže referentne ravnine — mora odgovarati impedanciji izvora i opterećenja kako bi se spriječile refleksije. Većina digitalnih sučelja cilja jednostrano od 50 Ω ili diferencijalno od 100 Ω. Odstupanje od ovih vrijednosti uzrokuje degradaciju signala koja se pogoršava s frekvencijom.

Povratne struje i referentne ravnine

Svaka signalna struja ima povratni put. Na visokim frekvencijama, ta povratna struja putuje izravno ispod traga signala na najbližoj referentnoj ravnini - ne kroz najkraći DC put. Prekidajući ovaj povratni put , na primjer usmjeravanjem traga preko razdvojene ravnine ili utora, prisiljava povratnu struju na obilazak i stvara petljastu antenu koja zrači EMI. Održavanje neprekinutih referentnih ravnina pri brzom usmjeravanju jedna je od najutjecajnijih odluka o izgledu koje dizajner donosi.

Koraci dizajna PCB ploče

Proces dizajna PCB-a slijedi dosljedan slijed bez obzira na složenost ploče. Preskakanje koraka - osobito ranih pregleda dizajna - obično rezultira skupim ponovnim okretanjima.

1. Shematsko snimanje : Definirajte sve komponente, mrežne veze i električna pravila u EDA alatu. Dodijelite otiske svakom simbolu komponente.
2. Projektni zahtjevi i ograničenja : Dimenzije ploče s dokumentima, broj slojeva, pravila o minimalnom tragu/prostoru, ciljevi impedancije, toplinski zahtjevi i regulatorni standardi (IPC-2221, IPC-2152, itd.).
3. Definicija skupa : Odaberite broj slojeva, materijal, debljinu dielektrika i težinu bakra. Potvrdite ciljeve impedancije sa svojim proizvođačem prije početka usmjeravanja.
4. Postavljanje komponenti : Postavite komponente da minimalizirate duljine tragova za kritične mreže, grupirajte povezane sklopove, poštujte toplinske zone i zadovoljite mehanička ograničenja. Položaj donosi 80% kvalitete usmjeravanja.
5. Snaga i uzemljenje : Usmjerite električne tračnice i uspostavite ravnine uzemljenja prije usmjeravanja signala. Kondenzatori za odvajanje moraju biti što je moguće bliže pinovima napajanja IC-a.
6. Usmjeravanje signala : Prvo usmjerite brze i osjetljive signale, održavajući impedanciju, minimizirajući putem prijelaza i održavajući spojene diferencijalne parove i usklađene duljine.
7. Provjera pravila dizajna (DRC) : Pokrenite automatizirane provjere za kršenje razmaka, nepovezane mreže, veličinu prstenastog prstena i ograničenja izrade.
8. Gerber generacija i pregled izrade : Izvezite proizvodne datoteke i pregledajte ih u Gerber pregledniku prije slanja. Potvrdite slaganje, datoteke za bušenje i sitotisak kod proizvođača.

Primjer slaganja 6 slojeva PCB-a

Skup od 6 slojeva je najpraktičnija nadogradnja s ploče od 4 sloja kada dizajn uključuje sučelja velike brzine, gusto BGA usmjeravanje ili stroge EMI zahtjeve. Dodatni slojevi omogućuju namjenskim referentnim ravninama da zagrade unutarnje slojeve signala, stvarajući kontrolirano trakasto okruženje koje smanjuje zračenje i preslušavanje.

Standardni raspored od 6 slojeva za 1,6 mm FR-4 ploču:

S L2 kao uzemljenjem i L4 kao napajanjem, sloj 3 nalazi se u pravoj trakastoj konfiguraciji — u sendviču između dvije referentne ravnine — što ga čini pravim domom za signale koji su najosjetljiviji na šum. Tanki prepreg između L1 i L2 (obično 3–4 mil) održava dosegljive širine tragova od 50 Ω na oko 4–5 mil, što je kompatibilno sa standardnim procesima izrade.

Kako riješiti problem s PCB-om

Čak i dobro dizajnirane ploče povremeno stignu iz proizvodnje s nedostacima ili pokvare nakon sklapanja. Strukturirani proces rješavanja problema — umjesto nasumičnog mijenjanja komponenti — brže pronalazi greške i izbjegava kolateralnu štetu.

Korak 1: Vizualni pregled prije uključivanja

Pod povećanjem pregledajte ploču za lemljene mostove na IC-ovima s malim korakom, hladne spojeve (tupe i zrnate, a ne glatke i sjajne), nedostajuće ili obrnute komponente i bilo kakve vidljive tragove oštećenja. Značajan udio nedostataka u montaži vidljiv je prije nego što je bilo koji instrument potreban.

Korak 2: Provjera strujnog voda

Prije primjene punog napajanja, multimetrom izmjerite otpor svake tračnice napajanja prema masi. Nisko ili gotovo nulto očitanje ukazuje na kratki spoj — uobičajeni uzroci uključuju lemne mostove, oštećene kondenzatore ili obrnuto polariziranu komponentu. Nakon što se očisti, priključite struju preko strujno ograničenog opskrbnog stola postavljenog malo iznad očekivane potrošnje. Tračnica koja se ruši pod opterećenjem ukazuje na preopterećen regulator ili kratko spojenu nizvodnu komponentu.

Korak 3: Dijagnoza razine signala

S tračnicama koje su potvrđene kao dobre, upotrijebite osciloskop za provjeru signala sata, resetiranje linija i aktivnost komunikacijske sabirnice. Satovi koji nedostaju, zaglavljene linije za resetiranje ili neispravni SPI/I2C/UART valni oblici ukazuju na određeno područje kvara. Logički analizator učinkovitiji je od osciloskopa za hvatanje ponašanja digitalne sabirnice više signala tijekom vremena.

Korak 4: Testiranje na razini komponente

Ako praćenje signala izolira sumnjivu komponentu, mjerenja otpora unutar strujnog kruga (s isključenim napajanjem) mogu potvrditi otvorene ili kratko spojene spojeve na pasivima. Za IC-ove, usporedba napona pinova s ​​tablicom radnih uvjeta u podatkovnoj tablici brzo sužava prima li uređaj ispravne signale napajanja, reference i signale za uključivanje. Kada se potvrdi da je komponenta neispravna, zamijenite dijelom za koji znate da je ispravan prije donošenja zaključaka — zamjena drugim dijelom iz iste potencijalno neispravne serije ne rješava ništa.