Ein Leitfaden zum grundlegenden PCB-Layout für jeden Designer

Ingenieure legen in Elektronikprojekten häufig Wert auf Schaltkreise, fortschrittliche Komponenten und Code, während das PCB-Layout – ein entscheidendes Element – ​​manchmal übersehen wird. Ein unzureichendes PCB-Layout kann zu Funktions- und Zuverlässigkeitsproblemen führen. Dieser Artikel bietet praktische Tipps, um die optimale Funktion und Zuverlässigkeit Ihrer PCB-Projekte zu gewährleisten.

Leiterbahndimensionierung

Kupferleiterbahnen haben einen natürlichen Widerstand, der bei Stromfluss zu Spannungsabfällen, Leistungsverlusten und Temperaturanstiegen führen kann. PCB-Designer begegnen diesem Problem, indem sie Länge, Dicke und Breite der Leiterbahnen anpassen. Da die physikalischen Eigenschaften von Kupfer festgelegt sind, ist die Optimierung der Leiterbahngröße unerlässlich, um den Widerstand effektiv zu steuern.

Die Leiterbahndicke von Leiterplatten wird in Unzen Kupfer gemessen. Beispielsweise entspricht eine Unze Kupfer einer Dicke von 1,4 Tausendstel Zoll, vorausgesetzt, die Verteilung erfolgt gleichmäßig über eine Fläche von einem Quadratfuß. Während viele Designer 1 oder 2 Unzen Kupfer verwenden, können bestimmte Leiterplattenhersteller Dicken von bis zu 6 Unzen liefern. Es ist wichtig zu beachten, dass die Herstellung feiner Strukturen, wie z. B. eng beieinander liegender Pins, bei dickerem Kupfer eine Herausforderung darstellen kann. Es ist ratsam, Ihren Leiterplattenhersteller zu konsultieren, um sich über dessen Möglichkeiten zu informieren.

Um die optimale Dicke und Breite Ihrer Leiterbahnen zu bestimmen, empfehlen wir die Verwendung eines PCB-Leiterbahnbreitenrechners, der auf Ihre spezifische Anwendung zugeschnitten ist. Ziel ist ein Temperaturanstieg von ca. 5 °C. Bei ausreichend Platz auf der Platine empfiehlt es sich, breitere Leiterbahnen zu wählen, da diese kostengünstiger sind. Zu beachten ist, dass bei mehrlagigen Platinen Leiterbahnen auf den Außenlagen eine bessere Kühlung aufweisen als Leiterbahnen auf den Innenlagen. Dies liegt daran, dass die Wärme der Innenlagen mehrere Kupfer- und PCB-Schichten durchlaufen muss, bevor sie abgeleitet werden kann.

Halten Sie die Schleifen klein

Es ist ratsam, Schleifen, insbesondere bei hohen Frequenzen, so kompakt wie möglich zu halten. Die Reduzierung der Schleifengröße führt zu einer Verringerung von Induktivität und Widerstand. Die Platzierung der Schleifen über einer Massefläche dient der weiteren Minimierung der Induktivität, was wiederum zur Senkung der Hochfrequenzspannung beiträgt. Darüber hinaus minimieren kompakte Schleifen die induktive Kopplung von externen Quellen und die Aussendung vom Knoten, was in den meisten Fällen vorteilhaft ist, außer beim Entwurf einer Antenne. Es ist äußerst wichtig, die Schleifen in Operationsverstärkerschaltungen klein zu halten, um die Einkopplung von Rauschen in die Schaltung zu verhindern.

Platzierung von Entkopplungskondensatoren

Es wird empfohlen, Entkopplungskondensatoren möglichst nahe an den Strom- und Masseanschlüssen integrierter Schaltkreise zu platzieren, um die Entkopplungsleistung zu optimieren. Eine größere Entfernung der Komponenten kann zu Streuinduktivitäten führen.

Kelvin-Verbindungen

Die Vierpolmessung, auch Kelvinmessung genannt, ist nach William Thomson, Lord Kelvin, benannt, der 1861 die Kelvinbrücke zur präzisen Messung sehr niedriger Widerstände entwickelte. Bei dieser Methode wird jedes Leiterpaar als Kelvin-Anschluss bezeichnet.

Kelvin-Verbindungen sind für präzise Messungen unerlässlich, da sie an exakten Punkten platziert werden, um Streuwiderstand und Induktivität zu minimieren. Beispielsweise ist es bei der Messung eines Strommesswiderstands wichtig, die Verbindungen direkt an den Widerstandspads und nicht an beliebigen Punkten auf den Leiterbahnen zu platzieren. Obwohl das Schema ähnlich erscheinen mag, unabhängig davon, ob die Verbindungen an den Pads oder anderswo hergestellt werden, ist zu beachten, dass reale Leiterbahnen Induktivität und Widerstand aufweisen, die die Messgenauigkeit beeinträchtigen können, wenn keine Kelvin-Verbindungen verwendet werden.

Trennen Sie digitale und verrauschte Spuren von analogen Spuren

Es ist wichtig zu beachten, dass parallele Leiterbahnen Kapazitäten erzeugen können, die insbesondere bei hohen Frequenzen zu einer kapazitiven Kopplung zwischen Signalen führen können. Um mögliche Probleme mit unerwünschtem Rauschen zu vermeiden, ist eine klare Trennung zwischen hochfrequenten und verrauschten Leiterbahnen und empfindlichen Leiterbahnen unerlässlich.

Boden ist nicht Boden

Es ist wichtig zu beachten, dass die Erde kein perfekter Leiter ist. Daher ist es wichtig, störende Erdungen von empfindlichen Signalen fernzuhalten, um eine optimale Signalqualität zu gewährleisten. Es ist wichtig sicherzustellen, dass die Masseleitungen breit genug sind, um den erwarteten Stromfluss aufzunehmen. Die Platzierung einer Massefläche direkt unter den Signalleitungen ist eine effektive Methode zur Reduzierung der Impedanz und trägt so zur Aufrechterhaltung der Signalintegrität bei.

Via-Größe und -Menge

Durchkontaktierungen tragen zur Gesamtinduktivität und zum Widerstand einer Schaltung bei. Wenn eine Leiterbahn über eine Leiterplatte (PCB) geführt werden muss und eine geringe Induktivität oder ein geringer Widerstand erforderlich ist, empfiehlt sich die Verwendung mehrerer Durchkontaktierungen. Größere Durchkontaktierungen reduzieren den Widerstand und sind daher von unschätzbarem Wert für die Erdung von Filterkondensatoren und Hochstromknoten.

Verwenden der Leiterplatte als Kühlkörper

Es wird empfohlen, zusätzliches Kupfer um oberflächenmontierte Bauteile herum anzubringen, um die Oberfläche für eine effizientere Wärmeableitung zu vergrößern. Datenblätter von Bauteilen, insbesondere von Leistungsdioden, MOSFETs oder Spannungsreglern, enthalten üblicherweise Richtlinien zur Nutzung der Leiterplattenoberfläche als Kühlkörper.

Thermische Vias

Vias erleichtern die Wärmeübertragung von einer Seite einer Leiterplatte zur anderen, was vorteilhaft ist, wenn die Leiterplatte zur besseren Wärmeableitung auf einem Kühlkörper oder Chassis montiert ist. Größere Vias sind für die Wärmeübertragung effektiver als kleinere. Darüber hinaus ist die Verwendung mehrerer Vias im Allgemeinen effizienter als die Verwendung eines einzelnen. Dies führt zu einer Reduzierung der Betriebstemperatur der Komponenten, was wiederum deren Zuverlässigkeit erhöht.

Thermische Entlastung

Thermische Entlastung ist eine Löttechnik, die kleine Verbindungen zwischen einer Leiterbahn oder Füllung und einem Bauteilanschluss nutzt, um den Lötprozess zu optimieren. Diese Verbindungen werden kurz gehalten, um den elektrischen Widerstand zu minimieren, was aus technischer Sicht vorteilhaft ist. Ohne thermische Entlastung können Bauteile zwar aufgrund der direkteren Verbindung mit wärmeableitenden Leiterbahnen oder Füllungen eine bessere Wärmeableitung erreichen, das Löten und Entlöten des Bauteils kann jedoch anspruchsvoller werden.

Abstand zwischen Leiterbahnen und Montagelöchern

Um Stromschläge zu vermeiden, ist es wichtig, den richtigen Abstand zwischen Kupferbahnen oder -füllungen und Befestigungslöchern einzuhalten. Wichtig ist, dass Lötstopplack keine zuverlässige Isolierung bietet. Daher ist es wichtig, auf ausreichenden Abstand zwischen Kupferflächen und Befestigungselementen zu achten.

Wärmeempfindliche Komponenten

Es ist wichtig sicherzustellen, dass wärmeempfindliche Komponenten von solchen, die Wärme erzeugen, getrennt gehalten werden. Beispiele für wärmeempfindliche Komponenten sind Thermoelemente und Elektrolytkondensatoren. Es ist wichtig zu beachten, dass die Platzierung von Thermoelementen in der Nähe von Wärmequellen zu ungenauen Temperaturmessungen führen kann, während die Platzierung von Elektrolytkondensatoren in der Nähe von wärmeerzeugenden Komponenten deren Lebensdauer beeinträchtigen kann. Zu den wärmeerzeugenden Komponenten gehören Brückengleichrichter, Dioden, MOSFETs, Induktivitäten und Widerstände. Die von diesen Komponenten erzeugte Wärmemenge hängt vom durch sie fließenden Strom ab.

Abschluss

Dieser Artikel enthält wichtige Tipps zum PCB-Layout, die die Funktionalität und Zuverlässigkeit Ihres Designs deutlich verbessern können. Bitte stellen Sie sicher, dass Sie diese Prinzipien bei Ihrer Arbeit anwenden.