راهنمای ضروری طرح‌بندی PCB برای هر طراح

برای مهندسان غیرمعمول نیست که مدارها، قطعات پیشرفته و کد را در پروژه‌های الکترونیکی در اولویت قرار دهند، در حالی که طرح PCB - یک عنصر حیاتی - گاهی اوقات نادیده گرفته می‌شود. طرح نامناسب PCB می‌تواند منجر به مشکلات عملکردی و قابلیت اطمینان شود. این مقاله توصیه‌های عملی برای تضمین عملکرد بهینه و قابلیت اطمینان پروژه‌های PCB شما ارائه می‌دهد.

اندازه ردیابی

مسیرهای مسی دارای مقاومت طبیعی هستند که می‌تواند باعث افت ولتاژ، اتلاف توان و افزایش دما هنگام عبور جریان از آنها شود. طراحان PCB با ایجاد تنظیماتی در طول، ضخامت و عرض مسیرها، این مشکل را برطرف می‌کنند. با توجه به اینکه خواص فیزیکی مس ثابت است، بهینه‌سازی اندازه مسیر برای کنترل موثر مقاومت ضروری است.

ضخامت لایه PCB با واحد اونس مس اندازه‌گیری می‌شود. به عنوان مثال، یک اونس مس معادل ضخامت ۱.۴ هزارم اینچ است، با فرض توزیع یکنواخت در مساحت یک فوت مربع. در حالی که بسیاری از طراحان از ۱ یا ۲ اونس مس استفاده می‌کنند، تولیدکنندگان منتخب PCB می‌توانند تا ضخامت ۶ اونس را ارائه دهند. توجه به این نکته مهم است که تولید ویژگی‌های ظریف، مانند پین‌های نزدیک به هم، با مس ضخیم‌تر می‌تواند چالش برانگیز باشد. توصیه می‌شود برای درک قابلیت‌های سازنده PCB خود با آنها مشورت کنید.

برای تعیین ضخامت و عرض بهینه برای مسیرهایتان، توصیه می‌کنیم از یک محاسبه‌گر عرض مسیر PCB بر اساس کاربرد خاص خود استفاده کنید. هدف، دستیابی به افزایش دما تقریباً 5 درجه سانتیگراد است. اگر فضای کافی روی برد وجود دارد، توصیه می‌شود مسیرهای پهن‌تر را انتخاب کنید، زیرا مقرون به صرفه هستند. لازم به ذکر است که برای بردهای چند لایه، مسیرهای روی لایه‌های خارجی در مقایسه با مسیرهای روی لایه‌های داخلی، خنک‌کنندگی بهتری دارند. این به این دلیل است که گرمای لایه‌های داخلی باید قبل از اتلاف یا هدایت، از چندین لایه مس و مواد PCB عبور کند.

حلقه‌ها را کوچک نگه دارید

توصیه می‌شود حلقه‌ها، به ویژه در فرکانس‌های بالا، تا حد امکان فشرده باشند. کاهش اندازه حلقه منجر به کاهش اندوکتانس و مقاومت می‌شود. قرار دادن حلقه‌ها روی صفحه زمین، اندوکتانس را بیشتر به حداقل می‌رساند که به نوبه خود به کاهش ولتاژ فرکانس بالا کمک می‌کند. علاوه بر این، حلقه‌های فشرده، کوپلینگ القایی از منابع خارجی و پخش از گره را به حداقل می‌رسانند، که در بیشتر موارد، به جز هنگام طراحی آنتن، مزیت محسوب می‌شود. حفظ حلقه‌های کوچک در مدارهای تقویت‌کننده عملیاتی از اهمیت بالایی برخوردار است تا از اتصال نویز به مدار جلوگیری شود.

قرار دادن خازن‌های جداکننده

توصیه می‌شود خازن‌های جداکننده را تا حد امکان نزدیک به پین‌های تغذیه و زمین مدارهای مجتمع قرار دهید تا عملکرد جداکننده بهینه شود. قرار دادن قطعات در فاصله بیشتر ممکن است منجر به ایجاد اندوکتانس سرگردان شود.

اتصالات کلوین

حسگری چهار ترمیناله، که با نام حسگری کلوین نیز شناخته می‌شود، نام خود را از ویلیام تامسون، لرد کلوین، که در سال ۱۸۶۱ پل کلوین را برای اندازه‌گیری دقیق مقاومت‌های بسیار پایین توسعه داد، گرفته است. در این روش، به هر جفت سیم، یک اتصال کلوین گفته می‌شود.

اتصالات کلوین برای اندازه‌گیری‌های دقیق ضروری هستند، زیرا آنها در نقاط دقیقی قرار می‌گیرند تا مقاومت و اندوکتانس سرگردان را به حداقل برسانند. به عنوان مثال، هنگام اندازه‌گیری یک مقاومت حسگر جریان، ضروری است که اتصالات را مستقیماً در پدهای مقاومت قرار دهید، نه در نقاط دلخواه روی مسیرها. اگرچه ممکن است طرح کلی چه در پدها و چه در جای دیگر اتصالات ایجاد شوند، مشابه به نظر برسد، اما توجه به این نکته مهم است که مسیرهای واقعی دارای اندوکتانس و مقاومتی هستند که در صورت عدم استفاده از اتصالات کلوین، می‌توانند بر دقت اندازه‌گیری تأثیر بگذارند.

جدا کردن ردهای دیجیتال و نویزدار از ردهای آنالوگ

لازم به ذکر است که مسیرهای موازی یا رساناها پتانسیل ایجاد خازن را دارند که می‌تواند منجر به اتصال خازنی بین سیگنال‌ها، به ویژه در فرکانس‌های بالا، شود. برای جلوگیری از هرگونه مشکل احتمالی در مورد نویز ناخواسته، ضروری است که جدایی واضحی بین مسیرهای فرکانس بالا و نویزدار و مسیرهای حساس حفظ شود.

زمین، زمین نیست

لازم به ذکر است که زمین یک رسانای کامل نیست. در نتیجه، برای حفظ کیفیت بهینه سیگنال، دور کردن زمین‌های پر سر و صدا از سیگنال‌های حساس بسیار مهم است. اطمینان از اینکه مسیرهای زمین به اندازه کافی پهن هستند تا جریان مورد انتظار را در خود جای دهند، ضروری است. قرار دادن یک صفحه زمین مستقیماً در زیر مسیرهای سیگنال، روشی مؤثر برای کاهش امپدانس است که برای حفظ یکپارچگی سیگنال مفید است.

از طریق اندازه و تعداد

ویاس‌ها در اندوکتانس و مقاومت کلی یک مدار نقش دارند. در مواردی که باید یک مسیر در سراسر برد مدار چاپی (PCB) مسیریابی شود و اندوکتانس یا مقاومت کم مورد نیاز است، توصیه می‌شود استفاده از چندین ویاس را در نظر بگیرید. ویاس‌های بزرگتر مقاومت را کاهش می‌دهند و آنها را به یک دارایی ارزشمند برای خازن‌های فیلتر زمین و گره‌های جریان بالا تبدیل می‌کنند.

استفاده از برد مدار چاپی (PCB) به عنوان هیت سینک

توصیه می‌شود که مس بیشتری در اطراف اجزای نصب سطحی اضافه شود تا سطح تماس افزایش یابد و اتلاف حرارت کارآمدتر شود. معمولاً در برگه‌های اطلاعات قطعات، به‌ویژه آنهایی که مربوط به دیودهای قدرت، ماسفت‌ها یا تنظیم‌کننده‌های ولتاژ هستند، دستورالعمل‌هایی برای استفاده از سطح PCB به عنوان هیت‌سینک ارائه می‌شود.

ویاس حرارتی

ویاها انتقال گرما از یک طرف برد مدار چاپی به طرف دیگر را تسهیل می‌کنند، که این امر زمانی که برد مدار چاپی روی هیت سینک یا شاسی برای دفع حرارت بیشتر نصب شده باشد، مزیت محسوب می‌شود. استفاده از ویاهای بزرگتر برای انتقال گرما نسبت به ویاهای کوچکتر مؤثرتر است. علاوه بر این، استفاده از چندین ویا عموماً کارآمدتر از تکیه بر یک ویا است. این امر منجر به کاهش دمای عملیاتی قطعات می‌شود که به نوبه خود قابلیت اطمینان آنها را افزایش می‌دهد.

تسکین حرارتی

تسکین حرارتی یک تکنیک لحیم کاری است که از اتصالات کوچک بین یک مسیر یا پرکننده و یک پین قطعه برای ساده سازی فرآیند لحیم کاری استفاده می کند. این اتصالات کوتاه نگه داشته می شوند تا مقاومت الکتریکی به حداقل برسد، که از نظر مهندسی مفید است. بدون تسکین حرارتی، در حالی که قطعات ممکن است به دلیل اتصال مستقیم تر به مسیرها یا پرکننده های اتلاف گرما، اتلاف حرارتی بهتری داشته باشند، لحیم کاری و لحیم زدایی قطعه می تواند چالش برانگیزتر شود.

فاصله بین مسیرها و سوراخ‌های نصب

حفظ فاصله مناسب بین مسیرهای مسی یا پرکننده‌ها و سوراخ‌های نصب به منظور کاهش خطر برق گرفتگی بسیار مهم است. لازم به ذکر است که پوشش لحیم عایق قابل اعتمادی نیست. بنابراین، اطمینان از وجود فاصله کافی بین نواحی مسی و سخت‌افزار نصب ضروری است.

اجزای حساس به حرارت

مهم است که اطمینان حاصل شود که اجزای حساس به گرما از اجزایی که گرما تولید می‌کنند جدا نگه داشته می‌شوند. نمونه‌هایی از اجزای حساس به گرما شامل ترموکوپل‌ها و خازن‌های الکترولیتی هستند. توجه به این نکته ضروری است که قرار دادن ترموکوپل‌ها در نزدیکی منابع گرما می‌تواند منجر به خواندن نادرست دما شود، در حالی که قرار دادن خازن‌های الکترولیتی نزدیک به اجزای تولید گرما می‌تواند تأثیر مخربی بر طول عمر آنها داشته باشد. اجزای تولید گرما شامل یکسوکننده‌های پل، دیودها، MOSFETها، سلف‌ها و مقاومت‌ها هستند. میزان گرمای تولید شده توسط این اجزا به جریان عبوری از آنها بستگی دارد.

نتیجه‌گیری

این مقاله نکات ضروری در مورد طرح‌بندی PCB را ارائه کرده است که می‌تواند عملکرد و قابلیت اطمینان طراحی شما را به میزان قابل توجهی افزایش دهد. لطفاً مطمئن شوید که این اصول در کار شما اعمال می‌شوند.