Průvodce základním uspořádáním desek plošných spojů pro každého návrháře

Není neobvyklé, že inženýři upřednostňují obvody, pokročilé komponenty a kód v elektronických projektech, zatímco rozložení PCB – klíčový prvek – je někdy přehlíženo. Neadekvátní rozmístění desek plošných spojů může vést k problémům s funkčností a spolehlivostí. Tento článek nabízí praktické rady, jak zaručit optimální fungování a spolehlivost vašich projektů PCB.

Velikost stopy

Měděné stopy mají přirozený odpor, který může způsobit poklesy napětí, ztrátu výkonu a zvýšení teploty, když jimi protéká proud. Návrháři desek plošných spojů řeší tento problém úpravou délky, tloušťky a šířky stop. Vzhledem k tomu, že fyzikální vlastnosti mědi jsou pevné, je nezbytné optimalizovat velikost stopy, aby bylo možné účinně řídit odpor.

Tloušťka stopy PCB se měří v uncích mědi. Například jedna unce mědi odpovídá tloušťce 1,4 tisíciny palce, za předpokladu rovnoměrného rozložení na ploše jedné čtvereční stopy. Zatímco mnoho návrhářů používá 1 oz nebo 2 oz měď, vybraní výrobci PCB mohou poskytnout tloušťku až 6 oz. Je důležité poznamenat, že výroba jemných prvků, jako jsou těsně rozmístěné kolíky, může být u silnější mědi náročná. Je vhodné poradit se s výrobcem PCB, abyste porozuměli jejich možnostem.

Pro určení optimální tloušťky a šířky pro vaše stopy doporučujeme použít kalkulačku šířky stopy PCB na základě vaší konkrétní aplikace. Cílem je dosáhnout zvýšení teploty přibližně o 5 °C. Pokud je na desce dostatek místa, doporučuje se zvolit širší stopy, protože jsou cenově výhodné. Je třeba poznamenat, že u vícevrstvých desek mají stopy na vnějších vrstvách lepší chlazení než na vnitřních vrstvách. To je způsobeno skutečností, že teplo z vnitřních vrstev musí projít několika vrstvami mědi a materiálu PCB, než se rozptýlí nebo odvede pryč.

Udržujte smyčky malé

Je vhodné udržovat smyčky, zejména na vysokých frekvencích, co nejkompaktnější. Zmenšení velikosti smyčky má za následek snížení jak indukčnosti, tak odporu. Umístění smyček nad zemní plochou slouží k další minimalizaci indukčnosti, což zase pomáhá snížit vysokofrekvenční napětí. Kompaktní smyčky navíc minimalizují indukční vazbu z externích zdrojů a vysílání z uzlu, což je ve většině případů výhodné, s výjimkou návrhu antény. Je nanejvýš důležité udržovat malé smyčky v obvodech operačních zesilovačů, aby se zabránilo vniknutí šumu do obvodu.

Umístění oddělovacích kondenzátorů

Doporučuje se umístit oddělovací kondenzátory co nejblíže k napájecím a zemnicím kolíkům integrovaných obvodů, aby se optimalizoval výkon oddělování. Umístění součástí na větší vzdálenost může mít za následek zavedení rozptylové indukčnosti.

Kelvinova spojení

Čtyřsvorkové snímání, známé také jako Kelvinovo snímání, má svůj název od Williama Thomsona, lorda Kelvina, který v roce 1861 vyvinul Kelvinův můstek pro přesné měření velmi nízkých odporů. V této metodě je každý pár vodičů označován jako Kelvinovo spojení.

Kelvinovy ​​spoje jsou nezbytné pro přesná měření, protože jsou umístěny v přesných bodech, aby se minimalizoval rozptylový odpor a indukčnost. Například při měření proudového snímacího rezistoru je nezbytné umístit spoje přímo na podložky odporu, spíše než na libovolné body na trasách. I když schéma může vypadat podobně, ať už jsou připojení vytvořena na podložkách nebo jinde, je důležité si uvědomit, že skutečné stopy mají indukčnost a odpor, které mohou ovlivnit přesnost měření, pokud se nepoužijí Kelvinovy ​​spoje.

Oddělte digitální a šumové stopy od analogových stop

Je důležité poznamenat, že paralelní vedení nebo vodiče mají potenciál vytvářet kapacitu, která může vést ke kapacitní vazbě mezi signály, zejména při vysokých frekvencích. Aby se předešlo případným problémům s nežádoucím šumem, je nezbytné udržovat jasné oddělení mezi vysokofrekvenčními a hlučnými stopami a těmi, které jsou citlivé.

Ground is Not Ground

Je důležité si uvědomit, že uzemnění není dokonalý vodič. V důsledku toho je pro udržení optimální kvality signálu zásadní směrovat hlučná místa pryč od citlivých signálů. Je nezbytné zajistit, aby byly zemní dráhy dostatečně široké, aby vyhovovaly očekávanému toku proudu. Umístění zemní plochy přímo pod signálové stopy je efektivní metodou pro snížení impedance, což je výhodné pro zachování integrity signálu.

Přes Velikost a Množství

Prokovy přispívají k celkové indukčnosti a odporu obvodu. V případech, kdy musí být trasa vedena přes desku s plošnými spoji (PCB) a je vyžadována nízká indukčnost nebo odpor, je vhodné zvážit použití více prokovů. Větší prokovy snižují odpor, což z nich činí neocenitelnou výhodu pro uzemnění filtračních kondenzátorů a vysokoproudých uzlů.

Použití PCB jako chladiče

Doporučuje se přidat další měď kolem součástí pro povrchovou montáž, aby se zvětšila plocha povrchu pro účinnější odvod tepla. Je běžnou praxí, že katalogové listy komponent, zejména ty, které se týkají výkonových diod, MOSFETů nebo regulátorů napětí, poskytují pokyny pro využití plochy povrchu PCB jako chladiče.

Tepelné průchody

Prochody usnadňují přenos tepla z jedné strany desky plošných spojů na druhou, což je výhodné, když je deska plošných spojů namontována na chladiči nebo šasi pro lepší odvod tepla. Pro přenos tepla je efektivnější použít větší průchody než menší. Kromě toho je použití více prokovů obecně efektivnější než spoléhání se na jeden prokov. To má za následek snížení provozní teploty komponent, což zase zvyšuje jejich spolehlivost.

Tepelný reliéf

Tepelný reliéf je technika pájení, která využívá malých spojení mezi stopou nebo výplní a kolíkem součástky pro zefektivnění procesu pájení. Tato spojení jsou krátká, aby se minimalizoval elektrický odpor, což je výhodné z technického hlediska. Bez tepelného odlehčení, zatímco součástky mohou dosáhnout lepšího odvodu tepla díky přímějšímu spojení se stopami nebo výplněmi odvádějícími teplo, pájení a odpájení součásti může být náročnější.

Vzdálenost mezi drážkami a montážními otvory

Je důležité zachovat vhodnou vzdálenost mezi měděnými pásy nebo výplněmi a montážními otvory, aby se snížilo riziko úrazu elektrickým proudem. Je důležité si uvědomit, že pájecí maska ​​neposkytuje spolehlivou izolaci. Proto je nezbytné zajistit dostatečnou vzdálenost mezi měděnými plochami a montážním materiálem.

Součásti citlivé na teplo

Je důležité zajistit, aby součásti citlivé na teplo byly uchovávány odděleně od těch, které generují teplo. Příklady součástek citlivých na teplo zahrnují termočlánky a elektrolytické kondenzátory. Je důležité poznamenat, že umístění termočlánků v blízkosti zdrojů tepla může vést k nepřesným údajům o teplotě, zatímco umístění elektrolytických kondenzátorů blízko součástek generujících teplo může mít škodlivý dopad na jejich životnost. Mezi komponenty generující teplo patří můstkové usměrňovače, diody, MOSFETy, induktory a rezistory. Množství tepla produkovaného těmito součástmi závisí na proudu, který jimi protéká.

Závěr

Tento článek představil základní tipy pro rozložení PCB, které mohou výrazně zlepšit funkčnost a spolehlivost vašeho návrhu. Zajistěte, aby tyto zásady byly ve vaší práci uplatňovány.