دليل تخطيط PCB الأساسي لكل مصمم

ليس من غير المألوف أن يُعطي المهندسون الأولوية للدوائر الإلكترونية والمكونات المتقدمة والبرمجة في مشاريع الإلكترونيات، بينما يُغفل أحيانًا تصميم لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)، وهو عنصر أساسي. قد يؤدي التصميم غير المناسب للوحة الدوائر المطبوعة إلى مشاكل في الأداء والموثوقية. تُقدم هذه المقالة نصائح عملية لضمان الأداء الأمثل والموثوقية لمشاريع لوحات الدوائر المطبوعة الخاصة بك.

تحديد حجم التتبع

تتميز مسارات النحاس بمقاومة طبيعية قد تُسبب انخفاضًا في الجهد، وتبديدًا للطاقة، وارتفاعًا في درجة الحرارة عند مرور التيار عبرها. يعالج مصممو لوحات الدوائر المطبوعة هذه المشكلة بإجراء تعديلات على طول وسمك وعرض المسارات. ونظرًا لثبات الخصائص الفيزيائية للنحاس، فمن الضروري تحسين حجم المسارات للتحكم الفعال في المقاومة.

يُقاس سمك لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) بأونصات النحاس. على سبيل المثال، تُعادل أونصة النحاس سمكًا قدره 1.4 جزء من الألف من البوصة، بافتراض توزيع متساوٍ على مساحة قدم مربع واحد. بينما يستخدم العديد من المصممين أونصة أو أونصتين من النحاس، يُمكن لبعض مُصنّعي لوحات الدوائر المطبوعة توفير سُمك يصل إلى 6 أونصات. من المهم ملاحظة أن إنتاج ميزات دقيقة، مثل المسامير المتقاربة، قد يكون صعبًا مع النحاس السميك. يُنصح باستشارة مُصنّع لوحة الدوائر المطبوعة لديك لفهم إمكانياته.

لتحديد السُمك والعرض الأمثل لمساراتكم، نوصي باستخدام حاسبة عرض مسارات لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) بناءً على تطبيقكم المُحدد. الهدف هو تحقيق ارتفاع في درجة الحرارة يُقارب 5 درجات مئوية. إذا كانت المساحة على اللوحة كافية، يُنصح باختيار مسارات أوسع، لأنها فعّالة من حيث التكلفة. تجدر الإشارة إلى أنه في اللوحات متعددة الطبقات، تتمتع المسارات على الطبقات الخارجية بتبريد أفضل مُقارنةً بتلك الموجودة على الطبقات الداخلية. ويرجع ذلك إلى أن الحرارة من الطبقات الداخلية يجب أن تمر عبر طبقات متعددة من النحاس ومادة لوحات الدوائر المطبوعة قبل أن تُبدد أو تُصرف بعيدًا.

حافظ على الحلقات صغيرة

يُنصح بالحفاظ على الحلقات، خاصةً عند الترددات العالية، مضغوطة قدر الإمكان. يؤدي تقليل حجم الحلقة إلى انخفاض كلٍّ من المحاثة والمقاومة. يساعد وضع الحلقات فوق مستوى الأرض على تقليل المحاثة بشكل أكبر، مما يُساعد بدوره على خفض جهد الترددات العالية. بالإضافة إلى ذلك، تُقلل الحلقات المضغوطة من الاقتران الحثي من المصادر الخارجية والبث من العقدة، وهو أمر مفيد في معظم الحالات، باستثناء تصميم الهوائي. من الأهمية بمكان الحفاظ على حلقات صغيرة في دوائر مكبرات التشغيل لمنع اقتران الضوضاء بالدائرة.

وضع مكثفات الفصل

يُنصح بوضع مكثفات فصل التيار أقرب ما يمكن من أطراف الطاقة والأرضية للدوائر المتكاملة لتحسين أداء الفصل. قد يؤدي وضع المكونات على مسافة أكبر إلى ظهور محاثة ضالة.

اتصالات كلفن

الاستشعار رباعي الأطراف، المعروف أيضًا باسم استشعار كلفن، يُشتق اسمه من ويليام طومسون، اللورد كلفن، الذي طوّر جسر كلفن عام ١٨٦١ لقياس المقاومات المنخفضة جدًا بدقة. في هذه الطريقة، يُطلق على كل زوج من الأسلاك اسم وصلة كلفن.

تُعدّ وصلات كلفن أساسيةً لإجراء قياسات دقيقة، إذ تُوضع في نقاط دقيقة لتقليل المقاومة والمحاثة الشاردتين. على سبيل المثال، عند قياس مقاومة استشعار التيار، من الضروري وضع الوصلات مباشرةً على وسادات المقاومة، بدلاً من نقاط عشوائية على المسارات. قد يبدو الرسم التخطيطي متشابهًا سواءً أُجريت الوصلات على الوسادات أو في مكان آخر، إلا أنه من المهم ملاحظة أن المسارات الفعلية تحتوي على محاثة ومقاومة قد تؤثر على دقة القياس في حال عدم استخدام وصلات كلفن.

فصل الآثار الرقمية والضوضائية عن الآثار التناظرية

من المهم ملاحظة أن المسارات أو الموصلات المتوازية قد تُولّد سعة، مما قد يؤدي إلى اقتران سعوي بين الإشارات، خاصةً عند الترددات العالية. لتجنب أي مشاكل محتملة مع الضوضاء غير المرغوب فيها، من الضروري الحفاظ على فصل واضح بين المسارات عالية التردد والمسارات ذات الضوضاء العالية والمسارات الحساسة.

الأرض ليست أرضًا

من المهم ملاحظة أن الأرض ليست موصلاً مثالياً. لذلك، من الضروري توجيه المناطق الأرضية المشوشة بعيداً عن الإشارات الحساسة للحفاظ على جودة إشارة مثالية. من الضروري التأكد من أن مسارات الأرض واسعة بما يكفي لاستيعاب تدفق التيار المتوقع. يُعد وضع مستوى أرضي أسفل مسارات الإشارة مباشرةً طريقة فعالة لتقليل المعاوقة، مما يُسهم في الحفاظ على سلامة الإشارة.

عبر الحجم والكمية

تساهم الفتحات في زيادة المحاثة والمقاومة الكلية للدائرة. في الحالات التي يتطلب فيها مسارٌ عبر لوحة دوائر مطبوعة (PCB) وجود محاثة أو مقاومة منخفضة، يُنصح باستخدام فتحات متعددة. فالفتحات الأكبر تُقلل المقاومة، مما يجعلها أداةً قيّمةً لتأريض مكثفات التصفية وعُقد التيار العالي.

استخدام لوحة الدوائر المطبوعة كمشتت حراري

يُنصح بإضافة نحاس إضافي حول مكونات التركيب السطحي لزيادة مساحة السطح وتحسين كفاءة تبديد الحرارة. ومن الشائع أن تتضمن أوراق بيانات المكونات، وخاصةً تلك المتعلقة بثنائيات الطاقة، أو ترانزستورات MOSFET، أو منظمات الجهد، إرشاداتٍ لاستخدام مساحة سطح لوحة الدوائر المطبوعة كمشتت حراري.

الممرات الحرارية

تُسهّل الفتحات نقل الحرارة من أحد جانبي لوحة الدوائر المطبوعة إلى الجانب الآخر، وهو أمرٌ مفيدٌ عند تركيب لوحة الدوائر المطبوعة على مشتت حراري أو هيكل لتحسين تبديد الحرارة. يُعدّ استخدام فتحات أكبر لنقل الحرارة أكثر فعاليةً من الفتحات الأصغر. علاوةً على ذلك، يُعدّ استخدام فتحات متعددة أكثر كفاءةً من الاعتماد على فتحة واحدة. يؤدي هذا إلى خفض درجة حرارة تشغيل المكونات، مما يُعزز بدوره موثوقيتها.

تخفيف الحرارة

التخفيف الحراري هو تقنية لحام تستخدم وصلات صغيرة بين مسار أو مادة تعبئة ودبوس مكون لتبسيط عملية اللحام. تُحفظ هذه الوصلات قصيرة لتقليل المقاومة الكهربائية، وهو أمر مفيد من الناحية الهندسية. بدون التخفيف الحراري، قد تحقق المكونات تبديدًا حراريًا أفضل بفضل اتصال مباشر أكثر بمسارات أو مواد تعبئة مُبددة للحرارة، لكن لحام المكون وفكه قد يصبح أكثر صعوبة.

المسافة بين الآثار وفتحات التركيب

من المهم الحفاظ على مسافة مناسبة بين مسارات النحاس أو الحشوات وفتحات التركيب للحد من خطر الصدمات الكهربائية. تجدر الإشارة إلى أن قناع اللحام لا يوفر عزلًا موثوقًا. لذلك، من الضروري التأكد من وجود مسافة كافية بين مناطق النحاس وأدوات التركيب.

المكونات الحساسة للحرارة

من المهم التأكد من فصل المكونات الحساسة للحرارة عن تلك التي تُولّد الحرارة. ومن أمثلة هذه المكونات: المزدوجات الحرارية (الثرموكبل) والمكثفات الإلكتروليتية. تجدر الإشارة إلى أن وضع المزدوجات الحرارية بالقرب من مصادر الحرارة قد يؤدي إلى قراءات غير دقيقة لدرجة الحرارة، بينما قد يؤثر وضع المكثفات الإلكتروليتية بالقرب من المكونات المولدة للحرارة سلبًا على عمرها الافتراضي. تشمل المكونات المولدة للحرارة: مقومات الجسر، والثنائيات، وترميز MOSFET، والمحثات، والمقاومات. تعتمد كمية الحرارة التي تنتجها هذه المكونات على التيار المار عبرها.

خاتمة

قدّمت هذه المقالة نصائح أساسية لتصميم لوحات الدوائر المطبوعة، والتي من شأنها تعزيز وظائف وموثوقية تصميمك بشكل كبير. يُرجى التأكد من تطبيق هذه المبادئ في عملك.