Průvodce základním rozvržením desek plošných spojů pro každého návrháře

Není neobvyklé, že inženýři v elektronických projektech upřednostňují obvody, pokročilé součástky a kód, zatímco rozvržení desek plošných spojů – klíčový prvek – je někdy přehlíženo. Nedostatečné rozvržení desek plošných spojů může vést k funkčním problémům a problémům se spolehlivostí. Tento článek nabízí praktické rady, jak zaručit optimální fungování a spolehlivost vašich projektů s deskami plošných spojů.

Velikost trasování

Měděné vodiče mají přirozený odpor, který může při průchodu proudu způsobovat poklesy napětí, ztráty výkonu a zvýšení teploty. Konstruktéři desek plošných spojů řeší tento problém úpravou délky, tloušťky a šířky vodičů. Vzhledem k tomu, že fyzikální vlastnosti mědi jsou pevné, je nezbytné optimalizovat velikost vodičů, aby se účinně řídil odpor.

Tloušťka stopy na desce plošných spojů se měří v uncích mědi. Například jedna unce mědi odpovídá tloušťce 1,4 tisíciny palce, za předpokladu rovnoměrného rozložení na ploše o velikosti jedné čtvereční stopy. Zatímco mnoho návrhářů používá 1 unci nebo 2 unce mědi, vybraní výrobci desek plošných spojů mohou poskytnout tloušťku až 6 uncí. Je důležité si uvědomit, že výroba jemných prvků, jako jsou například blízko sebe umístěné piny, může být s tlustší mědí náročná. Doporučuje se konzultovat s výrobcem desek plošných spojů, abyste získali představu o jeho možnostech.

Pro určení optimální tloušťky a šířky vašich vodičů doporučujeme použít kalkulačku šířky vodičů na desce plošných spojů na základě vaší konkrétní aplikace. Cílem je dosáhnout nárůstu teploty přibližně o 5 °C. Pokud je na desce dostatek místa, doporučuje se zvolit širší vodiče, protože jsou cenově výhodné. Je třeba poznamenat, že u vícevrstvých desek mají vodiče na vnějších vrstvách lepší chlazení ve srovnání s vodiči na vnitřních vrstvách. To je dáno tím, že teplo z vnitřních vrstev musí před rozptýlením nebo odvedením projít několika vrstvami mědi a materiálu desky plošných spojů.

Udržujte smyčky malé

Je vhodné udržovat smyčky, zejména při vysokých frekvencích, co nejkompaktnější. Zmenšení velikosti smyčky má za následek snížení indukčnosti i odporu. Umístění smyček nad zemní rovinou slouží k další minimalizaci indukčnosti, což zase pomáhá snižovat 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 vnášení šumu do obvodu.

Umístění oddělovacích kondenzátorů

Doporučuje se umístit oddělovací kondenzátory co nejblíže k napájecím a zemnícím pinům integrovaných obvodů, aby se optimalizoval oddělovací výkon. Umístění součástek ve větší vzdálenosti může vést k zanesení rozptylové indukčnosti.

Kelvinova spojení

Čtyřpólové snímání, známé také jako Kelvinovo snímání, je pojmenováno po Williamu Thomsonovi, lordu Kelvinovi, který v roce 1861 vyvinul Kelvinův můstek pro přesné měření velmi nízkých odporů. V této metodě se každý pár vodičů označuje 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 rezistoru pro snímání proudu je nezbytné umístit spoje přímo na kontaktní plošky rezistoru, a ne na libovolné body na vodičích. I když se schéma může jevit podobně, ať už jsou spoje provedeny na kontaktních ploškách nebo jinde, je důležité si uvědomit, že skutečné vodiče mají indukčnost a odpor, které mohou ovlivnit přesnost měření, pokud se nepoužijí Kelvinovy ​​spoje.

Oddělte digitální a zašumené stopy od analogových stop

Je důležité si uvědomit, že paralelní trasy nebo vodiče mohou vytvářet kapacitu, což může vést ke kapacitní vazbě mezi signály, zejména při vysokých frekvencích. Aby se předešlo potenciálním problémům s nežádoucím šumem, je nezbytné udržovat jasné oddělení mezi vysokofrekvenčními a zašuměnými trasami a těmi, které jsou citlivé.

Zem není zem

Je důležité si uvědomit, že zem není dokonalý vodič. Proto je pro zachování optimální kvality signálu zásadní vést zarušené uzemnění mimo citlivé signály. Je nezbytné zajistit, aby zemnící vodiče byly dostatečně široké, aby se přizpůsobily očekávanému toku proudu. Umístění zemnící roviny přímo pod signální vodiče je účinnou metodou pro snížení impedance, což je prospěšné pro zachování integrity signálu.

Prostřednictvím velikosti a množství

Průchodky přispívají k celkové indukčnosti a odporu obvodu. V případech, kdy musí být vodivý vodič veden přes desku plošných spojů (PCB) a je vyžadována nízká indukčnost nebo odpor, je vhodné zvážit použití více průchodek. Větší průchodky snižují odpor, což z nich činí neocenitelný přínos pro uzemnění filtračních kondenzátorů a uzlů s vysokým proudem.

Použití desky plošných spojů jako chladiče

Doporučuje se přidat další měď kolem povrchově montovaných součástek, aby se zvětšila povrchová plocha pro efektivnější odvod tepla. Je běžnou praxí, že datové listy součástek, zejména ty týkající se výkonových diod, MOSFETů nebo regulátorů napětí, obsahují pokyny pro využití povrchové plochy desek plošných spojů jako chladiče.

Tepelné průchody

Průchodky 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. Je efektivnější použít pro přenos tepla větší průchodky než menší. Použití více průchodek je navíc obecně efektivnější než spoléhání se na jednu. To má za následek snížení provozní teploty součástek, což následně zvyšuje jejich spolehlivost.

Tepelná úleva

Tepelné odlehčení je technika pájení, která využívá malé spoje mezi vodiči nebo výplní a piny součástky pro zefektivnění procesu pájení. Tyto spoje jsou krátké, aby se minimalizoval elektrický odpor, což je výhodné z inženýrského hlediska. Bez tepelného odlehčení, ačkoli součástky mohou dosáhnout lepšího odvodu tepla díky přímějšímu spojení s vodiči nebo výplněmi odvádějícími teplo, může být pájení a odlehčení součástky náročnější.

Rozteče mezi vodiči a montážními otvory

Je důležité dodržovat vhodné rozestupy mezi měděnými vodiči 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 oblastmi a montážním materiálem.

Součásti citlivé na teplo

Je důležité zajistit, aby součástky citlivé na teplo byly uchovávány odděleně od těch, které teplo generují. Mezi příklady součástek citlivých na teplo patří termočlánky a elektrolytické kondenzátory. Je důležité si uvědomit, že umístění termočlánků v blízkosti zdrojů tepla může vést k nepřesným údajům o teplotě, zatímco umístění elektrolytických kondenzátorů v blízkosti součástí generujících teplo může mít negativní vliv na jejich životnost. Mezi součástky generující teplo patří můstkové usměrňovače, diody, MOSFETy, induktory a rezistory. Množství tepla produkovaného těmito součástkami závisí na proudu, který jimi protéká.

Závěr

Tento článek představuje základní tipy pro návrh desek plošných spojů, které mohou výrazně zlepšit funkčnost a spolehlivost vašeho návrhu. Ujistěte se, že tyto principy ve své práci uplatňujete.