عملکرد یک صفحه PCB 70٪ به طراحی طرح آن بستگی دارد. همان طرح می تواند منجر به عملکرد عادی یا خرابی مکرر با طرح های مختلف و مسیرها شود.حتی که مستقیما بر ثبات تاثیر می گذارد.آیا شما یک مبتدی در طراحی PCB هستید یا یک مهندس باتجربه به دنبال راه حل های بهینه سازی هستید،تسلط بر نکات کلیدی زیر می تواند 90 درصد از دردسر در فرآیند طراحی شما را نجات دهد.

I. آماده سازی پیش از طراحی: 3 گام برای ایجاد یک پایه محکم و اجتناب از کار مجدد

1محدودیت های طراحی را تعریف کنید: ابعاد فیزیکی صفحه PCB، تعداد لایه ها (انتخاب صفحه تک / دو / چند لایه) ، الزامات مقاومت (به عنوان مثال، سیگنال 50Ω با سرعت بالا،سیگنال دیفرانسیل 90Ω)، محدودیت های افت ولتاژ ریل قدرت، استانداردهای EMC (CE / FCC و غیره) و پارامترهای فرآیند تولید (حداقل عرض ردی، فاصله ردی، از طریق اندازه) از قبل.این محدودیت ها را در قوانین طراحی (DRC) بنویسید تا از ابتدا از نقض جلوگیری شود.

2بررسی طرحی و بهینه سازی

قبل از طرح، یک بررسی طرحی دوم ضروری است: بررسی قدرت، زمین، و مسیرهای سیگنال برای عقلانیت، اجتناب از تقاطع های غیر ضروری؛ گروه ماژول های کاربردی (مانند ماژول های قدرت، ماژول های برق، ماژول های برق)رابط های سرعت بالا، و مدارهای آنالوگ) برای ارائه پایه منطقی برای برنامه ریزی طرح بعدی؛ سیگنال های کلیدی (مانند ساعت و جفت های دیفرانسیل) را برای کنترل متمرکز در طول طرح مشخص کنید.

3. انتخاب قطعات و تایید بسته
اولویت قطعات با بسته بندی استاندارد و پیچ پیچ معقول (از بسته های کم پیچ زیر 0.4 میلی متر اجتناب کنید، که مشکل جوش را افزایش می دهد)دقت کتابخانه بسته را تأیید کنید (تعاریف پین)، مکان های صفحه ابریشم، اندازه پد) ، به ویژه برای قطعات دقیق مانند BGA و QFP، زیرا بسته بندی نادرست می تواند به طور مستقیم منجر به شکست طراحی شود.

۲. طراحی طرح: از سه اصل "مناطق بندی، نزدیکی و انتشار گرما" پیروی کنید

1. طرح منطقه بندی کاربردی

طرح را بر اساس نوع سیگنال و عملکرد به زیرمناطق تقسیم کنید: منطقه آنالوگ (ADC / DAC ، سنسورها) ، منطقه دیجیتال (MCU ، FPGA) ، منطقه قدرت (چیپ های قدرت ، محرک ها ، خازن ها) ،منطقه رابط (USB)بین هر ناحیه، باند های جداکننده ی رزرو (به توصیه ≥3 میلی متر) برای جلوگیری از تداخل سیگنال های دیجیتال با سیگنال های آنالوگ وجود دارد.

2اولویت بندی طرح اجزای حیاتی: قرار دادن تراشه های منبع برق (LDO، DC-DC) در نزدیکی بار برای کاهش طول مسیر برق؛قرار دادن محرک ها و خازن ها در نزدیکی پین های تراشه های منبع برق برای تشکیل یک مدار فیلتر کامل (از طرح های "سیم پرواز" اجتناب کنید).

منابع سیگنال با سرعت بالا (مانند نوسانگرهای کریستالی و تراشه های ساعت) را در نزدیکی گیرنده قرار دهید تا مسیر انتقال را کوتاه کند و اتصال تداخل را کاهش دهد.محفظه نوسانگر کریستالی را زمین بزنید و یک منطقه بدون مس ≥5mm را در اطراف آن بگذارید.

اجزای تولید کننده گرما (مانند ترانزیستورهای قدرت و رانندگان LED) را از اجزای حساس (مانند MCU ها و سنسورها) دور نگه دارید و فضای کافی برای تبعید گرما فراهم کنید.در صورت لزوم، بخاری های حرارتی مس پوسته شده را طراحی کنید.

3- بررسی منطقی طرح بندی: اطمینان حاصل کنید که پین های قطعات مسدود نمی شوند و نشانه های صفحه ابریشم به وضوح قابل خواندن هستند؛ اطمینان حاصل کنید که فاصله قطعات از طریق سوراخ ≥2 است.5mm و فاصله قطعات نصب شده بر روی سطح ≥0.5mm؛ اتصال دهنده ها و اجزای رابط را نزدیک به لبه PCB قرار دهید تا آسان شود، حذف و هدایت شود.

III. طراحی کابل: "کوتاه، مستقیم و صاف" به عنوان هسته، در حالی که مانع و EMC را در نظر می گیرد.

1قوانین پایه کابل کشی: اولویت مسیر سیگنال های مهم (ساعت، جفت های دیفرانسیل، سیگنال های داده با سرعت بالا) ، سپس سیگنال های عمومی؛خطوط برق و خط های زمینی از خطوط سیگنال برای اطمینان از تامین برق پایدار اولویت دارند..

کابل ها را تا حد ممکن کوتاه و مستقیم نگه دارید و از پیچ و خم های غیرضروری اجتناب کنید. اگر پیچ و خم ها لازم باشد، از زاویه های 45 درجه یا لبه های گرد استفاده کنید.اجتناب از زاویه های 90 درجه (برای کاهش بازتاب سیگنال و تشعشعات EMC).

تطبیق عرض مسیر: عرض مسیر را با توجه به جریان انتخاب کنید (به عنوان مثال، جریان 1A به عرض مسیر 1mm، 0.5A به 0.5mm مطابقت دارد، عرض مسیر سیگنال 0.2-0.3mm توصیه می شود).پهنای ردیابی سیگنال دیفرانسیل و فاصله باید به سختی با الزامات مقاومت مطابقت داشته باشد (به عنوان مثال، جفت دیفرانسیل USB 3.0 نیاز به عرض 0.2mm و فاصله 0.4mm دارد.

2نکات کلیدی برای مسیر دهی سیگنال با سرعت بالا
سیگنال های دیفرانسیل (مانند HDMI، PCIe و Ethernet) باید از طول یکسانی، موازی و به خوبی متصل باشند، با تفاوت طول کنترل شده در عرض 5 میلی متر. از شاخه بندی یا استفاده از ویاس ها اجتناب کنید.

سیگنال های ساعت باید از توپولوژی ستاره یا زنجیره ای استفاده کنند تا از اتصال موازی مستقیم بار های متعدد جلوگیری شود. از مس خاک شده در اطراف خط ساعت برای تشکیل سپر و کاهش crosstalk استفاده کنید.

سیگنال های با سرعت بالا باید از عبور از مناطق تقسیم شده (مانند سطوح قدرت و زمین) اجتناب کنند، در غیر این صورت سطح مرجع را مختل می کند و باعث مشکلات یکپارچگی سیگنال می شود.

3. راهنماهای اجتناب از مشکلات مسیر
خطوط سیگنال اجازه ندارند شکاف های سطح قدرت یا زمین را عبور کنند. اگر عبور اجتناب ناپذیر باشد، یک مسیر باید در نقطه عبور برای اتصال به سطح مرجع اضافه شود.

از مسیرهای موازی طولانی خطوط سیگنال در لایه های مختلف اجتناب کنید (برای کاهش صدای متقاطع بین لایه ها). فاصله بین خطوط سیگنال موازی در همان لایه باید ≥3 برابر عرض خط باشد.

هرچه ویاس ها کمتر باشند، بهتر است. سیگنال های بحرانی در حالت ایده آل نباید بیش از 2 ویاس داشته باشند (ویاس ها induktansi و ظرفیت انگل را وارد می کنند و بر یکپارچگی سیگنال تاثیر می گذارند).

IV. طراحی زمین بندی: کاربرد انعطاف پذیر "زمین گذاری تک نقطه ای" و "زمین گذاری چند نقطه ای"

4اصول زمین گیری هسته زمین گیری "کاهش منطقه حلقه زمین" و جلوگیری از تداخل ناشی از تفاوت های پتانسیل زمین است.زمین آنالوگ و زمین دیجیتال باید به صورت جداگانه و در نهایت در یک نقطه واحد در منبع تغذیه متصل شوند (.به عنوان مثال، از طریق یک مقاومت 0Ω، دانه فیریت، یا اتصال مستقیم). مخلوط مستقیم مواد آنالوگ و دیجیتال ممنوع است.

1انواع مختلف طراحی زمین

زمین سیگنال: استفاده از "زمینگیری ستاره ای" که تمام زمین های سیگنال را به یک نقطه زمین گذاری مشترک متصل می کند تا صدای متقاطع بین سیگنال ها را کاهش دهد.

قدرت زمین: استفاده از "متعدد نقطه زمین،" متصل کردن ترمینال های زمین رسانی تراشه های قدرت و خازن های فیلتر به نزدیکترین سطح زمین رسانی برای کوتاه کردن مسیر زمین رسانی و کاهش مقاومت زمین رسانی.

زمین حفاظ: زمین بندی محفظه های فلزی و پوشش های محافظ باید قابل اعتماد باشد، با مقاومت زمین ≤1Ω،جلوگیری از تشکیل "زمین شناور" (زمین شناور مستعد تجمع برق استاتیک است)، که منجر به نقص EMC می شود).

2تکنیک های طراحی سطح زمین
برای تخته های چند لایه توصیه می شود از ساختار "طرح قدرت + سطح زمین" استفاده شود (به عنوان مثال، بالا - قدرت - GND - پایین).سطح زمین باید به طور کامل مس پوشش داده شود تا یک سطح مرجع مقاومت پایین را تشکیل دهد.تخته های تک لایه یا دو لایه باید حداکثر سطح مس را با استفاده از "زمین شبکه ای" یا "طرح زمین بزرگ" افزایش دهند." و اتصال لايه هاي زير و بالاي زمين از طريق لوله ها براي ارتقاي اثربخشي زمين.

V. طراحی منبع برق: فیلتر کردن، جدا کردن و تنظیم ولتاژ همه ضروری هستند

1. فیلتر و جدا کردن منبع برق
یک خازن سرامیکی 0.1μF (خازن جداکننده) باید در کنار پین قدرت هر دستگاه فعال (MCU، تراشه) ، نزدیک به پین و سطح زمین قرار گیرد.برای رسیدگی به مسائل فوری عرضه فعلییک خازن الکترولیتیک 10μF + خازن سرامیکی 0.1μF باید در ورودی قدرت قرار گیرد تا صدای فرکانس پایین و فرکانس بالا را فیلتر کند.

خازن های الکترولیتیک و خازن های سرامیکی باید به ترتیب در پایانه های ورودی و خروجی منبع برق DC-DC قرار گیرند.ترمینال های محرک باید از سیگنال های حساس دور نگه داشته شود تا از تداخلات اتصال مغناطیسی جلوگیری شود..

2. راه اندازی راه آهن برق
ریل های قدرت جریان بالا (مانند قدرت باتری و محرک های موتور) باید از ردیاب های گسترده یا پوشش مس استفاده کنند تا کاهش افت ولتاژ و تولید گرما را کاهش دهند.نوارهای عایق بندی باید بین چندین ریل قدرت برای جلوگیری از مدار کوتاه ذخیره شوند.; تقسیم برق باید یک طراحی "شکل جزیره" با خطوط تقسیم واضح را اتخاذ کند و خطوط سیگنال نباید اجازه عبور از آنها را داشته باشند.

VI. بهینه سازی EMC: کاهش تداخل الکترومغناطیسی از منبع طرح

1طراحی محافظ
مدارهای حساس (مانند گیرنده های RF و پردازش سیگنال آنالوگ) باید از پوشش های محافظ فلزی با زمین گیری خوب استفاده کنند.خطوط سیگنال و برق با سرعت بالا باید فاصله کافی (≥10 میلی متر) بین خود و خطوط حساس داشته باشند.، یا با مس خرد شده جدا شود.

2فیلتر کردن و بهینه سازی زمین
مدارهای رابط (USB، Ethernet، رابط های قدرت) باید از انژکتورهای مشترک حالت سری و دیودهای TVS موازی برای سرکوب تداخل حالت مشترک استفاده کنند.تمام خطوط سیگنال رابط های خارجی باید قبل از خروج از PCB فیلتر شوند..

3کاهش منابع تشعشعات
از سیم های موازی طولانی، خطوط انتقال زیر زمین و مناطق بزرگ مس آویزان اجتناب کنید.سیگنال های ساعت و سیگنال های با سرعت بالا را تا حد ممکن کوتاه نگه دارید و آنها را با سطوح زمین احاطه کنید تا یک ساختار "خط ریز کوچک" را تشکیل دهید، کاهش تشعشعات الکترومغناطیسی

VII. بازرسی پس از طراحی: سه گام کلیدی برای اطمینان از قابلیت تولید و عدم خطرات پنهان

1چک قوانین جمهوری دموکراتیک کنگو
پس از اتمام طرح، باید یک بررسی DRC انجام شود، با تمرکز بر اینکه آیا عرض ردیاب، فاصله ردیاب، از طریق اندازه، فاصله قطعات، مطابقت معاوضه و غیره،مطابق با قوانین طراحی برای اطمینان از عدم نقض.

2. یکپارچگی سیگنال و شبیه سازی EMC
برای PCB های با سرعت بالا (به عنوان مثال، سیگنال های ≥100MHz) ، شبیه سازی یکپارچگی سیگنال (SI) برای بررسی بازتاب ها، crosstalk، مشکلات زمان بندی و غیره توصیه می شود. محصولات پیچیده نیاز به شبیه سازی EMC دارند (به عنوان مثال،انتشارات تابش، تخلیه الکترواستاتیک) برای شناسایی و حل مشکلات تداخل در اوایل.

3بررسی قابلیت تولید (DFM)
اندازه چهره: ویاس های سوراخ ≥0.8mm، ویاس های نصب سطح ≥0.3mm، اجتناب از ویاس های بیش از حد کوچک که باعث مشکلات حفاری می شود.

ماسک جوش و صفحه ی ابریشم: بازیهای ماسک جوش باید پد ها را بپوشانند تا از افشای مس جلوگیری شود؛ صفحه ی جوش نباید پد ها یا ویاس ها را پنهان کند و کاراکترها باید به وضوح قابل خواندن باشند.

طراحی پنل: اگر پنل سازی مورد نیاز باشد، سوراخ های V-cut یا سوراخ های مهر و موم را ذخیره کنید و یک لبه فرآیند ≥3mm را در لبه های پنل برای تولید آسان SMT بگذارید.