طرح PCB "اسکلوت" طراحی سخت افزار است که به طور مستقیم عملکرد مدار، قابلیت تولید و ثبات را تعیین می کند.مبتدیان اغلب به تله "توسعه و تغییر در حال رفتن" به دلیل فقدان روش های سیستماتیک می افتندبا این حال، با تسلط بر منطق برنامه ریزی اولویت بندی، اولویت بندی زمینه های اصلی و اجرای جزئیات، می توانید به سرعت شروع کنید. بر اساس تجربه عملی،هفت گام قابل استفاده مجدد زیر به شما کمک می کند تا از ۹۰ درصد از مشکلات رایج جلوگیری کنید..

I. درک "منطق اساسی": 3 اصل اساسی برای اجتناب از اشتباهات

درک منطق زیربنایی قبل از طرح، کارآمدتر از به طور کورکورانه حفظ کردن قوانین است. این سه اصل پایه همه مهارت ها هستند.يادگيري کردنشون 80 درصد از دردسرات رو از دست ميده:

• اولویت بندی جریان سیگنال

قرار دادن اجزای در نظم طبیعی "مدخل → پردازش → خروجی". به عنوان مثال، منابع برق باید از "مواصفات → فیلتر → تراشه قدرت → بار IC،" و سیگنال ها از " سنسور → تقویت کننده → MCU → رابط خروجی." از قرار دادن قطعات متقاطع اجتناب کنید، که می تواند باعث خم شدن مدار شود. به عنوان مثال، رابط شبکه ( ورودی) را در نزدیکی تراشه PHY قرار دهید،و PHY در نزدیکی MCU (تجزیه) برای کاهش واکنش سیگنال.

• منطقه بندی عملکردی برای انزوا

برای جلوگیری از تداخل مدارها با "طبیعت" مختلف با یکدیگر، PCB به چهار منطقه عملکردی اصلی تقسیم می شود، با استفاده از فضای فیزیکی برای جدا کردن تداخل.منطق محدودی منطقه بندی به شرح زیر است:
منطقه ولتاژ بالا/قدرت بالا (ماژول های برق، رانندگان موتور): دور از لبه صفحه قرار دارد، با فضای اختصاصی تبعید گرما.
منطقه دیجیتال (MCU، حافظه، تراشه های منطقی): در نزدیکی مرکز واقع شده است.
منطقه آنالوگ (سینسورها، تقویت کننده ها، ADC ها): دور از سیگنال های ساعت/سرعت بالا واقع شده و توسط خطوط زمینی احاطه شده است.
منطقه رابط (USB، Ethernet، دکمه ها): نزدیک به لبه صفحه قرار داده شده است برای اتصال آسان و سیم کشی.

• "بخش های کلیدی" نقش اصلی دارند

اول، اجزای اصلی را تعیین کنید، سپس اجزای پشتیبان را اولویت بندی کنید. ابتدا سه دسته از اجزای را ایمن کنید و طرح بعدی در اطراف آنها می چرخد:
* تراشه های هسته ای (MCU، FPGA، Power IC): در مرکز PCB یا نزدیک نقاط همگرایی سیگنال قرار دهید؛
* اجزای بزرگ / سنگین (ترانسفورماتورها ، بخاری ها): از لبه های تخته و نقاط استرس (مانند سوراخ های پیچ) دور نگه دارید تا از لرزش جلوگیری شود.
* اتصال دهنده های رابط (دوازدهای برق،دوازدهای داده): بر اساس الزامات ساختاری به لبه صفحه متصل شوند.اطمینان از اینکه پین 1 به درستی قرار گرفته است (قراره اتصال برعکس به طور مستقیم منجر به شکست مدار شود).

II. طرح چهار مرحله ای: یک روند عملی از برنامه ریزی تا اجرای

گام اول: محدودیت های ساختاری در ابتدا، اجتناب از کار مجدد

اول، نیازهای ساختاری "غیر قابل تغییر" را برطرف کنید. این "بنیاد" طرح است؛ اشتباهات منجر به تجدید نظر کامل طراحی می شود:

محدودیت های ارتفاع و سوراخ های نصب را تایید کنید
مناطق محدود به ارتفاع را بر روی صفحه مشخص کنید (به عنوان مثال، H=1.8mm، H=2.0mm). اجزای دارای ارتفاع، مانند خازن ها و محرک ها، نباید در آنجا قرار گیرند.یک منطقه 5 میلی متر بدون طرح در اطراف سوراخ پیچ برای جلوگیری از آسیب به اجزای یا سیم کشی در طول نصب.

تصحیح رابط ها و اجزای ساختاری
با توجه به فایل ساختاری 3D وارد شده، اجزای مورد نیاز برای ساختارهای تطبیقی مانند پورت های USB، پورت های شبکه و کلیپ های خانه را قرار دهید.توجه ویژه ای به موقعیت پین اتصال 1این باید با طرح و ساختار سازگار باشد (به عنوان مثال، پین پورت شبکه 1 با TX + مطابقت دارد؛ پین های نادرست باعث شکست ارتباطات می شود).

مرحله ۲: طرح منطقه بندی کاربردی برای کاهش تداخل

پس از چهار منطقه تعریف شده قبلی" ولتاژ بالا / دیجیتال / آنالوگ / رابط" برای جداسازی از "مناطق خالی" یا "خط های زمینی" استفاده کنید. دستورالعمل های خاص به شرح زیر است:

منطقه آنالوگ: تقویت کننده ها و سنسورهای عملیاتی را در گوشه چپ بالا قرار دهید، با یک سطح زمین آنالوگ کامل در زیر آنها، و بین آنها و منطقه دیجیتال حداقل 2 میلی متر فاصله بگذارید.

منطقه منبع برق: تراشه های منبع برق را در نزدیکی رابط های ورودی قرار دهید، با خروجی هایی که به مناطق دیجیتال / آنالوگ رو می کنند، مسیرهای فعلی را به حداقل می رسانند (به عنوان مثال،یک تراشه منبع تغذیه 5 ولت نباید بیش از 10 میلی متر از رابط USB باشد).

منطقه ساعت: نوسانگرهای کریستالی و توزیع کننده های ساعت را در نزدیکی پین های ساعت MCU، ≤10mm دور، احاطه شده توسط خطوط زمین ("زمین گذاری") و دور از تراشه های برق و بخاری قرار دهید.

مرحله سوم: بهینه سازی جزئیات، تعادل عملکرد و تولید

این مرحله کیفیت طرح را تعیین می کند، با تمرکز بر سه جزئیات به راحتی نادیده گرفته می شود:

طراحی تبعید گرما
توزیع اجزای تولید کننده گرما (MOS قدرت، LDO، راننده LED) به طور مساوی، اجتناب از تجمع؛ نگه داشتن اجزای حساس به گرما (اوسیلاتورهای کریستالی،کانسنتورهای الکترولیتی) دور از منابع گرما (حداقل 3 میلی متر دور)، به عنوان مثال، تراشه راننده LED را در لبه تخته قرار دهید، دور از ADC های با دقت بالا.

جهت گیری اجزای
اطمینان حاصل کنید که اجزای مشابه در همان جهت جهت دارند (به عنوان مثال، مقاومت های رومیزی همه به سمت راست، پایانه های مثبت خازن الکترولیتیک همه به سمت بالا هستند).قرار دادن قطعات SMT در همان سمت تا حد ممکن برای کاهش تعداد دفعات آنها نیاز به تبدیل در طول جوش کارخانه، کاهش احتمال جوش های جوش سرد؛ تنظیم اجزای جوش موج (به عنوان مثال، مقاومت های سوراخ) در همان جهت برای جلوگیری از انباشت جوش.

کنترل فاصله: فاصله کافی باید با توجه به مشخصات تولید حفظ شود تا از پل های جوش یا مشکلات ایمنی جلوگیری شود. مرجع فاصله هسته: ≥0.2 میلی متر بین اجزای نصب شده روی سطح (≥0.15mm برای بسته های 0402) ؛ فاصله خزیدن ≥2.5mm در مناطق ولتاژ بالا (به عنوان مثال، ورودی 220V) (بر اساس استانداردهای ایمنی تنظیم شده)فاصله ۱ میلی متری را در اطراف نقاط آزمایش و دستگاه های عیب یابی برای تسهیل تماس با سنجها بگذارید..

مرحله ۴: بازرسی مقدماتی برای جلوگیری از مشکلات مسیر

پس از طرح بندی، عجله نکنید. سه بررسی کلیدی را انجام دهید تا از تغییرات بعدی هیئت مدیره جلوگیری کنید:

• کانال های چرخش: بررسی مسیرهای مستقیم برای سیگنال های با سرعت بالا (مانند DDR، USB). به عنوان مثال، بررسی اجزای مانع خطوط داده از MCU به حافظه.حداقل دو عرض فاصله بگذارید..
• مسیرهای برق: بررسی وجود تنگه های بزرگ در مسیرهای اصلی تامین برق (مانند ورودی 12 ولت). اطمینان حاصل کنید که عرض مسیر کافی است (بر اساس جریان محاسبه شده: 1A به عرض مسیر 1 میلی متر مطابقت دارد،2A برابر با 2mm است).
• بازرسی سه بعدی: از عملکرد سه بعدی نرم افزار EDA برای بررسی تداخل بین اجزای موجود و پوشش استفاده کنید (به عنوان مثال ، خازن های بیش از حد بالا با پوشش تماس دارند).مطمئن شوید که اتصال دهنده ها با سوراخ های ساختاری هماهنگ هستند.

III. سناریوهای ویژه و تکنیک ها: غلبه بر سه چالش اصلی فرکانس بالا، تامین برق و EMC

طرح های معمولی بر روی فرآیندهایی متکی هستند، در حالی که سناریوهای پیچیده بر روی تکنیک ها متکی هستند.ما راه حل های قابل استفاده مجدد را جمع آوری کرده ایم.:

1شکل سیگنال فرکانس بالا/سرعت بالا (به عنوان مثال DDR، USB 3.0):

• رزرو طول برابر: اجزای مورد نیاز با طول برابر (به عنوان مثال تراشه های DDR) را به صورت تقارن در اطراف MCU قرار دهید و فضای بیشتری برای مسیریابی ایجاد کنید. به عنوان مثال،چهار تراشه DDR را در یک مربع در اطراف MCU قرار دهید، اطمینان از فاصله بین هر تراشه و MCU ≤5mm است، کاهش دشواری مسیریابی بعد از طول برابر.
• تطبیق مقاومت: قرار دادن یک زمین مرجع کامل تحت خطوط فرکانس بالا (به عنوان مثال خطوط RF) برای جلوگیری از شکستن لایه مرجع.قرار دادن اجزای فرکانس بالا در نزدیکی رابط ها در طول طرح برای کاهش طول ردی (eبه عنوان مثال، ماژول های RF در نزدیکی رابط های آنتن، طول ردیابی ≤20mm).
• حفاظت از ساعت: نوسانگرهای کریستالی و تراشه های ساعت را از دستگاه های با قدرت بالا و خطوط سیگنال با سرعت بالا دور نگه دارید.یک مقاومت مطابقت 22Ω را در سری در خروجی متصل کنید (در نزدیکی نوسان دهنده کریستال قرار داده شده است). پیچ ساعت استفاده نشده را از طریق مقاومت 1kΩ برای جلوگیری از بازتاب سیگنال زمین بزنید.

2. منبع برق و طرح بندی خازن منبع برق "قلب" مدار است و طرح بندی خازن به طور مستقیم بر ثبات منبع برق تأثیر می گذارد:

• خازن های جدا کننده: خازن های کوچک 0.1μF را در نزدیکی پین های قدرت IC (≤2mm فاصله) و خازن های بزرگ 10μF را در نزدیکی IC (≤5mm فاصله) قرار دهید. به عنوان مثال، یک 0.خازن 1μF در کنار هر پین قدرت MCU، با زمین گیری خازن از طریق مستقیماً در کنار پد برای کاهش مقاومت زمین گیری.
• ماژول منبع برق: همیشه منابع برق را از مناطق آنالوگ و دستگاه های ساعت (حداقل 5 میلی متر) جدا کنید.قرار دادن ورودی در سمت چپ و خروجی در سمت راست، با سیم زمین جدا شده برای کاهش تشعشعات الکترومغناطیسی
• درخت برق: تراشه های منبع برق را به ترتیب "Vin→Buck→LDO→Load" ترتیب دهید، به عنوان مثال، ورودی 12 ولت → تراشه Buck (تا 5 ولت) → LDO (تا 3.3 ولت) → MCU. این مسیر جریان را به حداقل می رساند و از دست دادن را کاهش می دهد.

3طرح حفاظت EMC

• حفاظت از ESD: دیودها و واریستورهای TVS در نزدیکی رابط ها باید در نزدیکی پین های رابط قرار گیرند (فاصله ≤3mm).دیود TVS برای رابط USB باید بین رابط و MCU قرار گیرد.، نزدیک به انتهای رابط، اطمینان حاصل شود که تخلیه الکترواستاتیک (ESD) ابتدا از دستگاه محافظت عبور می کند.
• اجزای فیلتر: فیلترهای EMI و استیضاح کننده های حالت مشترک باید در نزدیکی پورت ورودی قدرت قرار گیرند. به عنوان مثال یک فیلتر EMI برای ورودی 220 ولت باید در کنار رابط قدرت قرار گیرد.اجازه می دهد تا خط ورودی قبل از رسیدن به پل صاف کننده از فیلتر عبور کند.
• درمان سطح زمین: زمینه های آنالوگ و دیجیتال باید در یک نقطه متصل شوند (با استفاده از مقاومت 0Ω یا دانه فرایت) تا از حلقه های زمین جلوگیری شود.یک مقاومت 0Ω می تواند برای اتصال زمینه های آنالوگ و دیجیتال در زیر ADC استفاده شودسطح زمین در مناطق دیگر باید سالم باقی بماند، بدون شکاف های غیر ضروری.

IV. کمک به ابزار: بهبود کارایی با توابع نرم افزار (به عنوان مثال PADS/Altium)

مبتدیان اغلب به دلیل قرار دادن قطعات به صورت دستی، بهره وری پایین را تجربه می کنند. استفاده از سه عملکرد ابزار EDA می تواند سرعت طرح را تا 50٪ افزایش دهد:

• * ** ابزار تراز:** از تابع "تراز" برای تراز سریع قطعات استفاده کنید (به عنوان مثال، چندین مقاومت را انتخاب کنید، با یک کلیک به سمت چپ تراز کنید و آنها را به طور مساوی توزیع کنید).دسترسی به این از طریق "Edit→Align،" و در Altium، از میانبر "Ctrl+A" استفاده کنید.
• * ** تنظیمات شبکه:** تنظیم شبکه با توجه به اندازه بسته (0.05mm grid برای بسته های 0402، 0.1mm برای 0603) برای اطمینان از تراز قطعات.استفاده از "Setup→Grids" و فعال کردن "Snap to Grid" برای جلوگیری از عدم تراز.
• * ** طرح گروه:** ماژول های کاربردی (به عنوان مثال تراشه ها، خازن ها، محرک ها در یک ماژول قدرت) را به عنوان "گروه ها" تنظیم کنید و آنها را به عنوان یک کل حرکت دهید تا از پراکندگی جلوگیری شود.جزء را انتخاب کنید و با کلیک راست روی "گروه→تولید"،" و در Altium، از "Ctrl+G" برای گروه بندی استفاده کنید.

V. از مبتدی تا پیشرفته: 3 عادت از "دانستن نحوه طرح بندی" به "به خوبی طرح بندی"

مهارت ها می توانند به شما کمک کنند که شروع کنید، اما عادت ها به شما کمک می کنند که پیشرفت کنید. این 3 عادت را توسعه دهید و می توانید در عرض یک ماه از "شروع کننده" به "مهارتمند" بروید:

1. ** کپی و یادگیری PCB:** پیدا کردن نمونه های PCB با کیفیت بالا (مانند پروژه های منبع باز و تخته های توسعه از تولیدکنندگان بزرگ) ، تجزیه و تحلیل منطق طرح آنها،مانند چگونه STM32 تخته های توسعه پارتیشن و ترتیب خازن، تقلید و خلاصه کردن الگوها؛
2. **بررسی و خلاصه کردن:** بعد از هر پروژه،مشکلات روی داده شده در طرح را ثبت کنید (مانند " فراموش کردن ترک فضای تبعید گرما که منجر به گرم شدن بیش از حد تراشه می شود" یا " خطوط ساعت بیش از حد طولانی هستند که باعث تداخل سیگنال می شوند")، و آنها را در "لیست اجتناب" خود جمع آوری کنید؛
3. ** ابزار عملی:** استفاده از نرم افزار EDA رایگان (مانند LCSC EDA) برای تمرین پروژه های کوچک، از مدار ساده (مانند دی وی دی و ماژول های پورت سریال) ،طراحی های پیچیده به تدریج چالش برانگیز (مانند دیسک های MCU با WiFi)، و تقویت مهارت های خود را از طریق تجربه عملی.

خلاصه: منطق اصلی برای شروع سریع

هیچ راه حل "کامل" برای طرح PCB وجود ندارد، اما مبتدیان می توانند با به یاد آوردن منطق ۱۲ کلمه ای به سرعت شروع کنند: "اول برنامه ریزی کنید، سپس تقسیم بندی کنید، بر عناصر کلیدی تمرکز کنید و اغلب چک کنید".

• مرحله برنامه ریزی: جریان سیگنال و محدودیت های ساختاری را به وضوح تعریف کنید؛ از قرار دادن اجزای کورکورانه اجتناب کنید.
• مرحله تقسیم بندی: اختلال را بر اساس عملکرد جدا کنید و چالش هایی مانند فرکانس های بالا و منابع برق را حل کنید.
• مرحله جزئیات: توجه به تبعید گرما، جهت گیری و فاصله گذاری، تعادل عملکرد و تولید.
• مرحله بررسی: استفاده از مدل سازی سه بعدی و پیش مسیر برای بررسی و جلوگیری از مشکلات.

با پروژه های ساده برای تمرین شروع کنید. پس از 1-2 پروژه، ریتم طرح خود را توسعه خواهید داد. کار خود را بر اساس نیازهای خاص بهبود بخشید و به تدریج مهارت های طراحی خود را بهبود بخشید.