Przewodnik po podstawowym układzie PCB dla każdego projektanta

Nie jest niczym niezwykłym, że inżynierowie priorytetowo traktują obwody, zaawansowane komponenty i kod w projektach elektronicznych, podczas gdy układ PCB — kluczowy element — jest czasami pomijany. Nieodpowiedni układ PCB może skutkować problemami funkcjonalnymi i niezawodnościowymi. Ten artykuł oferuje praktyczne porady, aby zagwarantować optymalne funkcjonowanie i niezawodność Twoich projektów PCB.

Rozmiarowanie śladów

Ścieżki miedziane mają naturalny opór, który może powodować spadki napięcia, rozpraszanie mocy i wzrost temperatury, gdy przepływa przez nie prąd. Projektanci PCB rozwiązują ten problem, dokonując korekt długości, grubości i szerokości ścieżek. Biorąc pod uwagę, że właściwości fizyczne miedzi są stałe, optymalizacja rozmiaru ścieżki jest niezbędna, aby skutecznie kontrolować opór.

Grubość ścieżki PCB jest mierzona w uncjach miedzi. Na przykład jedna uncja miedzi odpowiada grubości 1,4 tysięcznej cala, zakładając równomierny rozkład na powierzchni jednego metra kwadratowego. Podczas gdy wielu projektantów wykorzystuje miedź 1 oz lub 2 oz, wybrani producenci PCB mogą zapewnić grubość do 6 oz. Ważne jest, aby pamiętać, że produkcja drobnych cech, takich jak gęsto rozmieszczone piny, może być trudna w przypadku grubszej miedzi. Zaleca się skonsultowanie się z producentem PCB, aby zrozumieć jego możliwości.

Aby określić optymalną grubość i szerokość ścieżek, zalecamy użycie kalkulatora szerokości ścieżek PCB w oparciu o konkretne zastosowanie. Celem jest osiągnięcie wzrostu temperatury o około 5°C. Jeśli na płytce jest wystarczająco dużo miejsca, zaleca się wybór szerszych ścieżek, ponieważ są one opłacalne. Należy zauważyć, że w przypadku płytek wielowarstwowych ścieżki na warstwach zewnętrznych mają lepsze chłodzenie w porównaniu do ścieżek 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.

Utrzymuj małe pętle

Zaleca się, aby pętle, szczególnie przy wysokich częstotliwościach, były jak najbardziej kompaktowe. Zmniejszenie rozmiaru pętli powoduje zmniejszenie zarówno indukcyjności, jak i rezystancji. Umieszczenie pętli nad płaszczyzną uziemienia służy do dalszego minimalizowania indukcyjności, co z kolei pomaga obniżyć napięcie o wysokiej częstotliwości. Ponadto kompaktowe pętle minimalizują sprzężenie indukcyjne ze źródeł zewnętrznych i transmisję 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 szumu w obwodzie.

Umieszczanie kondensatorów odsprzęgających

Zaleca się umieszczenie kondensatorów odsprzęgających jak najbliżej pinów zasilania i uziemienia układów scalonych w celu zoptymalizowania wydajności odsprzęgania. Umieszczenie komponentów w większej odległości może skutkować wprowadzeniem indukcyjności rozproszonej.

Połączenia Kelvina

Cztero-terminalowe wykrywanie, znane również jako wykrywanie Kelvina, bierze swoją nazwę od Williama Thomsona, Lorda Kelvina, który opracował most Kelvina w 1861 r. do precyzyjnego pomiaru bardzo niskich rezystancji. W tej metodzie każda para przewodów jest określana jako połączenie Kelvina.

Połączenia Kelvina są niezbędne do precyzyjnych pomiarów, ponieważ są umieszczane w dokładnych punktach, aby zminimalizować błądzącą rezystancję i indukcyjność. Na przykład podczas pomiaru rezystora wykrywającego prąd, ważne jest, aby umieścić połączenia bezpośrednio na padach rezystora, a nie w dowolnych punktach na ścieżkach. Chociaż schemat może wydawać się podobny, niezależnie od tego, czy połączenia są wykonywane na padach, czy gdzie indziej, ważne jest, aby pamiętać, że rzeczywiste ścieżki mają indukcyjność i rezystancję, które mogą wpływać na dokładność pomiaru, jeśli nie są używane połączenia Kelvina.

Oddziel ślady cyfrowe i zaszumione od śladów analogowych

Ważne jest, aby pamiętać, że równoległe ścieżki lub przewodniki mają potencjał tworzenia pojemności, co może skutkować pojemnościowym sprzężeniem między sygnałami, szczególnie przy wysokich częstotliwościach. Aby uniknąć potencjalnych problemów z niepożądanym szumem, konieczne jest zachowanie wyraźnego rozdzielenia między ścieżkami o wysokiej częstotliwości i szumami a tymi, które są wrażliwe.

Ziemia nie jest ziemią

Ważne jest, aby pamiętać, że uziemienie nie jest idealnym przewodnikiem. W związku z tym, aby utrzymać optymalną jakość sygnału, kluczowe jest odprowadzenie zakłóconych uziemień od wrażliwych sygnałów. Istotne jest zapewnienie, że ścieżki uziemienia są wystarczająco szerokie, aby pomieścić przewidywany przepływ prądu. Umieszczenie płaszczyzny uziemienia bezpośrednio pod ścieżkami sygnału jest skuteczną metodą zmniejszania impedancji, co jest korzystne dla zachowania integralności sygnału.

Rozmiar i ilość przez

Przelotki przyczyniają się do ogólnej indukcyjności i rezystancji obwodu. W przypadkach, gdy ścieżka musi zostać poprowadzona przez płytkę drukowaną (PCB) i wymagana jest niska indukcyjność lub rezystancja, zaleca się rozważenie wykorzystania wielu przelotek. Większe przelotki zmniejszają rezystancję, co czyni je nieocenionym atutem do uziemiania kondensatorów filtrujących i węzłów wysokoprądowych.

Wykorzystanie PCB jako radiatora

Zaleca się dodanie dodatkowej miedzi wokół elementów montowanych powierzchniowo, aby zwiększyć powierzchnię i zapewnić bardziej efektywne rozpraszanie ciepła. Powszechną praktyką w przypadku arkuszy danych komponentów, szczególnie tych dotyczących diod mocy, MOSFET-ów 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 w celu lepszego rozpraszania ciepła. Bardziej efektywne jest stosowanie większych przelotek do przenoszenia ciepła niż mniejszych. Ponadto stosowanie wielu przelotek jest ogólnie bardziej wydajne niż poleganie na pojedynczej 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 komponentu w celu usprawnienia procesu lutowania. Połączenia te są krótkie, aby zminimalizować opór elektryczny, co jest korzystne z punktu widzenia inżynierii. Bez odciążenia termicznego, podczas gdy komponenty mogą osiągnąć lepsze rozpraszanie ciepła dzięki bardziej bezpośredniemu połączeniu ze ścieżkami lub wypełnieniami rozpraszającymi ciepło, lutowanie i odlutowywanie komponentu może stać się trudniejsze.

Odstępy między śladami i otworami montażowymi

Ważne jest zachowanie odpowiedniej odległości między ścieżkami miedzianymi lub wypełnieniami a otworami montażowymi w celu zmniejszenia ryzyka porażenia prądem. Ważne jest, aby pamiętać, że maska ​​lutownicza nie zapewnia niezawodnej izolacji. Dlatego też konieczne jest zapewnienie wystarczającej odległości między obszarami miedzianymi a elementami montażowymi.

Elementy wrażliwe na ciepło

Ważne jest, aby upewnić się, że komponenty wrażliwe na ciepło są przechowywane oddzielnie od tych, które generują ciepło. Przykłady komponentów wrażliwych na ciepło obejmują termopary i kondensatory elektrolityczne. Ważne jest, aby pamiętać, że umieszczenie termopar w pobliżu źródeł ciepła może prowadzić do niedokładnych odczytów temperatury, podczas gdy umieszczenie kondensatorów elektrolitycznych w pobliżu komponentów generujących ciepło może mieć szkodliwy wpływ na ich żywotność. Komponenty generujące ciepło obejmują mostki prostownicze, diody, tranzystory MOSFET, induktory i rezystory. Ilość ciepła wytwarzanego przez te komponenty zależy od prądu przepływającego przez nie.

Wniosek

W tym artykule przedstawiono podstawowe wskazówki dotyczące układu PCB, które mogą znacznie zwiększyć funkcjonalność i niezawodność Twojego projektu. Upewnij się, że te zasady są stosowane w Twojej pracy.