คู่มือการออกแบบ PCB ที่จำเป็นสำหรับนักออกแบบทุกคน

วิศวกรมักให้ความสำคัญกับวงจร ส่วนประกอบขั้นสูง และการเขียนโค้ดในโครงการอิเล็กทรอนิกส์ ในขณะที่บางครั้งการจัดวางแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ซึ่งเป็นองค์ประกอบสำคัญ กลับถูกมองข้าม การจัดวางแผงวงจรพิมพ์ที่ไม่เหมาะสมอาจส่งผลให้เกิดปัญหาด้านการทำงานและความน่าเชื่อถือ บทความนี้ให้คำแนะนำที่เป็นประโยชน์เพื่อรับประกันการทำงานและความน่าเชื่อถือที่ดีที่สุดของโครงการแผงวงจรพิมพ์ของคุณ

การกำหนดขนาดร่องรอย

ทองแดงมีความต้านทานตามธรรมชาติ ซึ่งอาจทำให้เกิดแรงดันตก การสูญเสียพลังงาน และอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน นักออกแบบ PCB แก้ไขปัญหานี้โดยการปรับความยาว ความหนา และความกว้างของทองแดง เนื่องจากคุณสมบัติทางกายภาพของทองแดงคงที่ การปรับขนาดทองแดงให้เหมาะสมจึงเป็นสิ่งสำคัญเพื่อควบคุมความต้านทานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ความหนาของแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB trace) วัดเป็นออนซ์ของทองแดง ยกตัวอย่างเช่น ทองแดงหนึ่งออนซ์เทียบเท่ากับความหนา 1.4 พันส่วนต่อนิ้ว โดยสมมติว่ามีการกระจายตัวที่สม่ำเสมอบนพื้นที่หนึ่งตารางฟุต แม้ว่านักออกแบบหลายคนจะใช้ทองแดง 1 ออนซ์หรือ 2 ออนซ์ แต่ผู้ผลิต PCB บางรายสามารถผลิตทองแดงที่มีความหนาได้ถึง 6 ออนซ์ สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือ การผลิตชิ้นส่วนขนาดเล็ก เช่น พินที่อยู่ห่างกันมาก อาจเป็นเรื่องท้าทายเมื่อใช้ทองแดงที่มีความหนา ขอแนะนำให้ปรึกษาผู้ผลิต PCB ของคุณเพื่อทำความเข้าใจเกี่ยวกับความสามารถของทองแดงเหล่านั้น

เพื่อกำหนดความหนาและความกว้างที่เหมาะสมที่สุดสำหรับลายวงจรพิมพ์ของคุณ เราขอแนะนำให้ใช้เครื่องคำนวณความกว้างของลายวงจรพิมพ์ (PCB trace width calculator) ตามการใช้งานเฉพาะของคุณ โดยมีเป้าหมายเพื่อให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นประมาณ 5°C หากมีพื้นที่เพียงพอบนแผงวงจร ขอแนะนำให้เลือกใช้ลายวงจรพิมพ์ที่มีความกว้างมากขึ้น เนื่องจากคุ้มค่ากว่า สำหรับแผงวงจรหลายชั้น ลายวงจรพิมพ์บนชั้นนอกจะระบายความร้อนได้ดีกว่าชั้นใน เนื่องจากความร้อนจากชั้นในจะต้องผ่านชั้นทองแดงและวัสดุ PCB หลายชั้นก่อนจึงจะถูกระบายหรือนำออกไปได้

รักษาลูปให้มีขนาดเล็ก

ขอแนะนำให้รักษาลูปให้มีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ โดยเฉพาะที่ความถี่สูง การลดขนาดของลูปส่งผลให้ทั้งความเหนี่ยวนำและความต้านทานลดลง การวางลูปไว้บนระนาบกราวด์ช่วยลดความเหนี่ยวนำให้น้อยที่สุด ซึ่งจะช่วยลดแรงดันไฟฟ้าความถี่สูงลง นอกจากนี้ ลูปขนาดกะทัดรัดยังช่วยลดการเหนี่ยวนำจากแหล่งภายนอกและการแพร่สัญญาณจากโหนด ซึ่งเป็นประโยชน์ในกรณีส่วนใหญ่ ยกเว้นเมื่อออกแบบเสาอากาศ สิ่งสำคัญที่สุดคือการรักษาลูปขนาดเล็กในวงจรออปแอมป์เพื่อป้องกันสัญญาณรบกวนจากการต่อเข้ากับวงจร

การวางตัวเก็บประจุแบบแยกส่วน

ขอแนะนำให้วางตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนให้ใกล้กับขาจ่ายไฟและขากราวด์ของวงจรรวมมากที่สุด เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการแยกส่วน การวางตำแหน่งอุปกรณ์ให้ห่างกันมากขึ้นอาจส่งผลให้เกิดการเหนี่ยวนำแบบสเตรย์

การเชื่อมต่อเคลวิน

การตรวจจับแบบสี่ขั้ว หรือที่รู้จักกันในชื่อการตรวจจับแบบเคลวิน ได้ชื่อมาจากวิลเลียม ทอมสัน ลอร์ดเคลวิน ผู้ซึ่งพัฒนาสะพานเคลวินในปี ค.ศ. 1861 เพื่อการวัดค่าความต้านทานต่ำมากอย่างแม่นยำ ในวิธีนี้ สายไฟแต่ละคู่จะเรียกว่าการเชื่อมต่อแบบเคลวิน

การเชื่อมต่อแบบเคลวินมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการวัดที่แม่นยำ เนื่องจากการเชื่อมต่อนี้ต้องวางในตำแหน่งที่แน่นอนเพื่อลดความต้านทานและความเหนี่ยวนำที่หลงเหลืออยู่ ยกตัวอย่างเช่น เมื่อวัดตัวต้านทานแบบตรวจจับกระแส จำเป็นต้องวางตำแหน่งการเชื่อมต่อโดยตรงที่แผ่นตัวต้านทาน แทนที่จะวางที่จุดใดๆ บนเส้นวัด แม้ว่าแผนผังอาจดูคล้ายกันไม่ว่าจะทำการเชื่อมต่อที่แผ่นตัวต้านทานหรือที่อื่น แต่สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าเส้นวัดจริงมีค่าความเหนี่ยวนำและความต้านทาน ซึ่งอาจส่งผลต่อความแม่นยำในการวัดได้หากไม่ใช้การเชื่อมต่อแบบเคลวิน

แยกร่องรอยดิจิทัลและสัญญาณรบกวนจากร่องรอยอะนาล็อก

สิ่งสำคัญที่ต้องทราบคือ วงจรหรือตัวนำที่ขนานกันอาจสร้างความจุได้ ซึ่งอาจส่งผลให้เกิดการเชื่อมต่อแบบคาปาซิทีฟระหว่างสัญญาณ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความถี่สูง เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาที่อาจเกิดขึ้นจากสัญญาณรบกวนที่ไม่พึงประสงค์ จำเป็นต้องรักษาระยะห่างที่ชัดเจนระหว่างวงจรความถี่สูงและวงจรที่มีสัญญาณรบกวน กับวงจรที่มีความไวต่อสัญญาณ

พื้นดินไม่ใช่พื้นดิน

สิ่งสำคัญที่ต้องทราบคือกราวด์ไม่ใช่ตัวนำที่สมบูรณ์แบบ ดังนั้น การกำหนดเส้นทางกราวด์ที่มีสัญญาณรบกวนให้ห่างจากสัญญาณที่อ่อนไหวจึงเป็นสิ่งสำคัญ เพื่อรักษาคุณภาพสัญญาณให้เหมาะสมที่สุด สิ่งสำคัญคือต้องแน่ใจว่าเส้นกราวด์มีความกว้างเพียงพอที่จะรองรับการไหลของกระแสไฟฟ้าที่คาดการณ์ไว้ การวางแผ่นกราวด์ไว้ใต้เส้นกราวด์โดยตรงเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการลดความต้านทาน ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณ

ผ่านขนาดและปริมาณ

เวียมีส่วนช่วยในเรื่องความเหนี่ยวนำและความต้านทานโดยรวมของวงจร ในกรณีที่จำเป็นต้องเดินวงจรบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) และต้องการความเหนี่ยวนำหรือความต้านทานต่ำ ขอแนะนำให้พิจารณาใช้เวียหลายตัว เวียขนาดใหญ่จะช่วยลดความต้านทาน ทำให้เวียมีประโยชน์อย่างยิ่งในการต่อลงกราวด์ตัวเก็บประจุตัวกรองและโหนดกระแสสูง

การใช้ PCB เป็นฮีทซิงค์

ขอแนะนำให้เพิ่มทองแดงรอบ ๆ อุปกรณ์ที่ติดตั้งบนพื้นผิวเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวให้การระบายความร้อนมีประสิทธิภาพมากขึ้น เอกสารข้อมูลอุปกรณ์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่เกี่ยวข้องกับไดโอดกำลังไฟฟ้า มอสเฟต หรือตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า มักเป็นแนวทางปฏิบัติทั่วไปในการนำพื้นที่ผิวของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) มาใช้เป็นตัวระบายความร้อน

ช่องทางความร้อน

Vias ช่วยในการถ่ายเทความร้อนจากด้านหนึ่งของ PCB ไปยังอีกด้านหนึ่ง ซึ่งเป็นประโยชน์เมื่อติดตั้ง PCB ไว้บนฮีตซิงก์หรือแชสซีเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อน การใช้ Vias ขนาดใหญ่จะมีประสิทธิภาพมากกว่า Via ขนาดเล็กในการถ่ายเทความร้อน นอกจากนี้ การใช้ Vias หลายอันมักจะมีประสิทธิภาพมากกว่าการใช้ Via เพียงอันเดียว ส่งผลให้อุณหภูมิการทำงานของส่วนประกอบลดลง ซึ่งช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือของส่วนประกอบ

การบรรเทาความร้อน

การระบายความร้อนเป็นเทคนิคการบัดกรีที่ใช้การเชื่อมต่อขนาดเล็กระหว่างรอยเชื่อมหรือฟิลเลอร์กับพินส่วนประกอบเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการบัดกรี การเชื่อมต่อเหล่านี้จะถูกทำให้สั้นลงเพื่อลดความต้านทานไฟฟ้า ซึ่งเป็นประโยชน์ในเชิงวิศวกรรม หากไม่มีวิธีการระบายความร้อน แม้ว่าส่วนประกอบต่างๆ อาจระบายความร้อนได้ดีขึ้นเนื่องจากการเชื่อมต่อโดยตรงกับรอยเชื่อมหรือฟิลเลอร์ที่ระบายความร้อน แต่การบัดกรีและการถอดบัดกรีส่วนประกอบอาจกลายเป็นเรื่องท้าทายมากขึ้น

ระยะห่างระหว่างรอยและรูยึด

สิ่งสำคัญคือต้องรักษาระยะห่างที่เหมาะสมระหว่างรอยทองแดงหรือวัสดุอุดกับรูยึดเพื่อลดความเสี่ยงจากอันตรายจากไฟฟ้าช็อต สิ่งสำคัญที่ต้องทราบคือหน้ากากประสานไม่สามารถให้ฉนวนไฟฟ้าที่เชื่อถือได้ ดังนั้น การตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีระยะห่างที่เพียงพอระหว่างพื้นที่ทองแดงและอุปกรณ์ยึด

ส่วนประกอบที่ไวต่อความร้อน

สิ่งสำคัญคือต้องแน่ใจว่ามีการแยกส่วนประกอบที่ไวต่อความร้อนออกจากส่วนประกอบที่ก่อให้เกิดความร้อน ตัวอย่างของส่วนประกอบที่ไวต่อความร้อน ได้แก่ เทอร์โมคัปเปิลและตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือ การวางเทอร์โมคัปเปิลไว้ใกล้แหล่งกำเนิดความร้อนอาจทำให้ค่าอุณหภูมิที่อ่านได้ไม่แม่นยำ ในขณะที่การวางตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ไว้ใกล้กับส่วนประกอบที่ก่อให้เกิดความร้อนอาจส่งผลเสียต่ออายุการใช้งาน ส่วนประกอบที่ก่อให้เกิดความร้อน ได้แก่ วงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ ไดโอด มอสเฟต ตัวเหนี่ยวนำ และตัวต้านทาน ปริมาณความร้อนที่เกิดจากส่วนประกอบเหล่านี้ขึ้นอยู่กับกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน

บทสรุป

บทความนี้นำเสนอเคล็ดลับสำคัญเกี่ยวกับการจัดวางแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ที่สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานและความน่าเชื่อถือของงานออกแบบของคุณได้อย่างมาก โปรดตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้นำหลักการเหล่านี้ไปใช้ในงานของคุณ