Przewodnik po podstawowym układzie PCB dla każdego projektanta

Inżynierowie często priorytetowo traktują obwody, zaawansowane komponenty i kod w projektach elektronicznych, podczas gdy układ PCB – kluczowy element – ​​jest czasami pomijany. Niewłaściwy układ PCB może prowadzić do problemów funkcjonalnych i niezawodności. Niniejszy artykuł zawiera praktyczne porady, które pomogą zagwarantować optymalne funkcjonowanie i niezawodność projektów PCB.

Rozmiarowanie śladów

Ścieżki miedziane mają naturalną rezystancję, która może powodować spadki napięcia, straty mocy i wzrost temperatury podczas przepływu prądu. Projektanci PCB rozwiązują ten problem, dostosowując długość, grubość i szerokość ścieżek. Ponieważ właściwości fizyczne miedzi są stałe, optymalizacja rozmiaru ścieżek jest niezbędna do skutecznej kontroli rezystancji.

Grubość ścieżek PCB mierzy się w uncjach miedzi. Na przykład, jedna uncja miedzi odpowiada grubości 1,4 tysięcznej cala, zakładając równomierne rozłożenie na powierzchni jednego metra kwadratowego. Chociaż wielu projektantów stosuje 1 uncję lub 2 uncje miedzi, niektórzy producenci PCB oferują grubość do 6 uncji. Należy pamiętać, że produkcja drobnych elementów, takich jak gęsto rozmieszczone piny, może być trudna w przypadku grubszej miedzi. Zaleca się konsultację z producentem PCB w celu zapoznania się z jego możliwościami.

Aby określić optymalną grubość i szerokość ścieżek, zalecamy skorzystanie z kalkulatora szerokości ścieżek PCB, dostosowanego do konkretnego zastosowania. Celem jest osiągnięcie wzrostu temperatury o około 5°C. Jeśli na płytce jest wystarczająco dużo miejsca, zaleca się wybór szerszych ścieżek, ponieważ są one ekonomiczne. Należy pamiętać, że w przypadku płytek wielowarstwowych ścieżki na warstwach zewnętrznych zapewniają lepsze chłodzenie w porównaniu ze ścieżkami na warstwach wewnętrznych. Wynika to z faktu, że ciepło z warstw wewnętrznych musi przejść przez wiele warstw miedzi i materiału PCB, zanim zostanie rozproszone lub odprowadzone.

Zachowaj małe pętle

Zaleca się, aby pętle, szczególnie w przypadku wysokich częstotliwości, były jak najbardziej zwarte. Zmniejszenie rozmiaru pętli skutkuje zmniejszeniem zarówno indukcyjności, jak i rezystancji. Umieszczenie pętli nad płaszczyzną uziemienia dodatkowo minimalizuje indukcyjność, co z kolei pomaga obniżyć napięcie o wysokiej częstotliwości. Ponadto, zwarte pętle minimalizują sprzężenie indukcyjne ze źródeł zewnętrznych i transmisji z węzła, co jest korzystne w większości przypadków, z wyjątkiem projektowania anteny. Niezwykle ważne jest utrzymanie małych pętli w obwodach wzmacniaczy operacyjnych, aby zapobiec sprzężeniu zakłóceń w obwodzie.

Umieszczanie kondensatorów odsprzęgających

Zaleca się umieszczenie kondensatorów odsprzęgających jak najbliżej pinów zasilania i masy układów scalonych, aby zoptymalizować wydajność odsprzęgania. Umieszczenie elementów w większej odległości może skutkować wprowadzeniem indukcyjności rozproszonej.

Połączenia Kelvina

Pomiar czterozaciskowy, znany również jako pomiar Kelvina, wziął swoją nazwę od nazwiska Williama Thomsona, Lorda Kelvina, który w 1861 roku opracował mostek Kelvina do precyzyjnego pomiaru bardzo niskich rezystancji. W tej metodzie każda para przewodów jest nazywana połączeniem Kelvina.

Połączenia Kelvina są niezbędne do precyzyjnych pomiarów, ponieważ są umieszczane w precyzyjnych punktach, aby zminimalizować rezystancję i indukcyjność rozproszoną. Na przykład, podczas pomiaru rezystora pomiarowego prądu, kluczowe jest umieszczenie połączeń bezpośrednio na padach rezystora, a nie w dowolnych punktach na ścieżkach. Chociaż schemat może wydawać się podobny, niezależnie od tego, czy połączenia są wykonane na padach, czy w innych miejscach, należy pamiętać, że rzeczywiste ścieżki charakteryzują się indukcyjnością i rezystancją, które mogą wpływać na dokładność pomiaru, jeśli nie zostaną zastosowane połączenia Kelvina.

Oddziel ślady cyfrowe i zaszumione od śladów analogowych

Należy pamiętać, że równoległe ścieżki lub przewodniki mogą potencjalnie tworzyć pojemność, co może prowadzić do sprzężenia pojemnościowego między sygnałami, szczególnie przy wysokich częstotliwościach. Aby uniknąć potencjalnych problemów z niepożądanym szumem, konieczne jest zachowanie wyraźnego podziału między ścieżkami o wysokiej częstotliwości i zaszumionymi a ścieżkami wrażliwymi.

Ziemia nie jest ziemią

Należy pamiętać, że uziemienie nie jest idealnym przewodnikiem. W związku z tym, aby zachować optymalną jakość sygnału, kluczowe jest odprowadzenie zakłóconych uziemień z dala od wrażliwych sygnałów. Należy upewnić się, że ścieżki uziemienia są wystarczająco szerokie, aby pomieścić przewidywany przepływ prądu. Umieszczenie płaszczyzny uziemienia bezpośrednio pod ścieżkami sygnałowymi to skuteczna metoda redukcji impedancji, co jest korzystne dla zachowania integralności sygnału.

Rozmiar i ilość przez

Przelotki wpływają na całkowitą indukcyjność i rezystancję obwodu. W przypadkach, gdy ścieżka musi być poprowadzona przez płytkę drukowaną (PCB) i wymagana jest niska indukcyjność lub rezystancja, zaleca się rozważenie zastosowania wielu przelotek. Większe przelotki zmniejszają rezystancję, co czyni je nieocenionym atutem do uziemiania kondensatorów filtrujących i węzłów wysokoprądowych.

Wykorzystanie płytki PCB jako radiatora

Zaleca się dodanie dodatkowej miedzi wokół elementów montowanych powierzchniowo, aby zwiększyć powierzchnię i efektywniej odprowadzać ciepło. Powszechną praktyką w kartach katalogowych komponentów, szczególnie tych dotyczących diod mocy, tranzystorów MOSFET lub regulatorów napięcia, jest podawanie wytycznych dotyczących wykorzystania powierzchni PCB jako radiatora.

Przelotki termiczne

Przelotki ułatwiają przenoszenie ciepła z jednej strony płytki PCB na drugą, co jest korzystne, gdy płytka PCB jest zamontowana na radiatorze lub obudowie, co poprawia odprowadzanie ciepła. Zastosowanie większych przelotek do odprowadzania ciepła jest bardziej efektywne niż stosowanie mniejszych. Co więcej, stosowanie wielu przelotek jest zazwyczaj bardziej wydajne niż poleganie na jednej przelotce. Powoduje to obniżenie temperatury roboczej komponentów, co z kolei zwiększa ich niezawodność.

Ulga termiczna

Odciążenie termiczne to technika lutowania wykorzystująca małe połączenia między ścieżką lub wypełnieniem a pinem elementu, aby usprawnić proces lutowania. Połączenia te są krótkie, aby zminimalizować opór elektryczny, co jest korzystne z inżynieryjnego punktu widzenia. Bez odciążenia termicznego, chociaż elementy mogą osiągać lepsze odprowadzanie ciepła dzięki bardziej bezpośredniemu połączeniu ze ścieżkami lub wypełnieniami rozpraszającymi ciepło, lutowanie i rozlutowywanie elementu może być trudniejsze.

Odstępy między śladami i otworami montażowymi

Aby zminimalizować ryzyko porażenia prądem, ważne jest zachowanie odpowiedniego odstępu między ścieżkami miedzianymi lub wypełnieniami a otworami montażowymi. Należy pamiętać, że maska ​​lutownicza nie zapewnia niezawodnej izolacji. Dlatego konieczne jest zapewnienie wystarczającej odległości między ścieżkami miedzianymi a elementami montażowymi.

Elementy wrażliwe na ciepło

Ważne jest, aby upewnić się, że elementy wrażliwe na ciepło są przechowywane oddzielnie od tych, które generują ciepło. Przykładami elementów wrażliwych na ciepło są termopary i kondensatory elektrolityczne. Należy pamiętać, że umieszczenie termopar w pobliżu źródeł ciepła może prowadzić do niedokładnych odczytów temperatury, a umieszczenie kondensatorów elektrolitycznych w pobliżu elementów generujących ciepło może mieć negatywny wpływ na ich żywotność. Elementy generujące ciepło to mostki prostownicze, diody, tranzystory MOSFET, cewki indukcyjne i rezystory. Ilość ciepła wytwarzanego przez te elementy zależy od przepływającego przez nie prądu.

Wniosek

W tym artykule przedstawiono podstawowe wskazówki dotyczące projektowania płytek PCB, które mogą znacząco poprawić funkcjonalność i niezawodność Twojego projektu. Upewnij się, że stosujesz te zasady w swojej pracy.