Desky plošných spojů jsou všude a tvoří základ všech elektronických výrobků, které používáme. Aby byly tyto desky plošných spojů skutečně funkční, je správný návrh desek plošných spojů nezbytný. Dobrý návrh desek plošných spojů zajišťuje zamýšlenou funkčnost zařízení. Návrh desek plošných spojů je v podstatě proces převodu schémat zapojení do vyrobitelných rozvržení. Během tohoto procesu musíme jasně rozumět základům návrhu desek plošných spojů, protože pouze tímto způsobem mohou navržené desky plošných spojů pomoci zařízení dosáhnout očekávaných funkcí a stabilně fungovat po dlouhou dobu. Návrh desek plošných spojů však není jen o nakreslení několika čar pomocí softwaru.
Dále je zde tento článek, který vám pomůže zvládnout základy návrhu desek plošných spojů. V tomto článku vás provedeme návrhem desek plošných spojů pomocí jasných a praktických kroků. Po přečtení tohoto článku se naučíte, jak plánovat projekty, kreslit schémata a rozumně umisťovat součástky. Níže jsou shrnuty základní znalosti týkající se návrhu desek plošných spojů.
|
Fáze
|
Cíl
|
Klíčové body pro začátečníky (praktické)
|
Obyčejné chyby
|
Rychlá kontrola / Metriky
|
|
Plánování
|
Definovat funkce, omezení, náklady
|
Vypsat funkce a I/O; definovat obrys desky a montážní otvory; odhadnout výkon; zamknout pouzdra klíčových integrovaných obvodů; nakreslit blokové schéma
|
Spustit rozvržení bez omezení velikosti/příkonu; ignorovat teplo/příkon
|
Dodávky: specifikace + kusovník v0 + blokové schéma
|
|
Knihovna
|
Správné symboly/stopy
|
Namapujte každý symbol na správnou pozici; definujte Pin1/polaritu; používejte konzistentní názvy
|
Nesoulad symbolu a stopy; chybějící atributy podložky
|
Náhodně zobrazit náhled 10 % otisků
|
|
Schéma (SCH)
|
Přesné, čitelné, testovatelné
|
Modulární výkres; přidání oddělovacích kondenzátorů pro každý VCC; přidání testovacích kontaktů/ladicích portů; jasné popisky sítě
|
Skryté napájecí piny špatně připojené; špatná polarita/směr
|
ERC všechny zelené; kritické sítě explicitně pojmenované
|
|
Kusovník a sourcing
|
Dostupné a vyměnitelné komponenty
|
Vyberte běžné balíčky; přiřaďte A/B alternativy pro klíčové součásti; označte životní cyklus
|
Exotické balíčky; žádné alternativy
|
Alternativní PN je uveden; dodací lhůta >8 týdnů
|
|
Naskládání
|
Spojité referenční roviny, snadné frézování
|
2L: spodní jako zem; 4L: signál/zem/napájení/signál; ověřte dielektrikum/impedanci s fab
|
Rozdělené roviny; signály křížící rozdělení
|
Vysokorychlostní sítě mají spojitou zem; impedanční vrstva páru
|
|
Umístění
|
Krátké smyčky, nízké spojení, dobrá montáž
|
Umístěte napájení blízko zátěže; krystal blízko integrovaného obvodu; diferenční páry blízko konektoru; I/O na hranách; oddělení vedle pinů
|
Dálkové oddělení; výšku/světlou výšku ignorovat
|
3D kontrola usazení; měď/proudění vzduchu v blízkosti horkých částí
|
|
Směrování
|
Vyrobitelné, tiché
|
Nejprve veďte napájení a zem, poté vysokorychlostní, poté analogový a nakonec nízkorychlostní vodič; rohy 45°; málo propojení; sešívání propojení uzemněním
|
90° rohy; přes shluky; křížení rozdělení
|
Široké výkonové stopy; shodné rozdílné páry; ≤2 prohozy vrstev na kritických sítích
|
|
Vysokorychlostní/diferenciální
|
Načasování a integrita
|
Pevné párování, stejná délka, referenční rovina spojitá; řiďte se pokyny pro ukončení
|
Křížení mezer; příliš velké zkosení
|
Zkreslení hodin/diference < specifikace; žádné rozdělení roviny
|
|
PDN/Napájení
|
Nízká impedance, stabilní kolejnice
|
Vícefrekvenční oddělení (0.1 µF + 1 µF + 10 µF); krátké smyčky; vícenásobné propojky pro vysoký proud
|
Spoléhejte se na jeden velký kondenzátor; velké smyčky
|
Viditelné krátké/lokální oddělovací smyčky
|
|
Přes
|
Spolehlivý, vyrobitelný
|
Správný vrták/prstencový kroužek; vícenásobná propojka pro proud; propojka v kontaktní plošce pouze v případě kontroly
|
Příliš malé prstencové kroužky; otevřená propojka
|
Minimální vrtání/kroužek splňuje tovární pravidla; tepelná úleva je v pořádku
|
|
Sítotisk/Polarita
|
Snadná montáž a ladění
|
Jasné reference; značky Pin1/polarita; žádné zakryté kontakty; šipky pro orientaci
|
Sítotisk na masce; nejasná polarita
|
Zkontrolujte orientaci diod/kondenzátorů/integrovaného obvodu
|
|
Design Review
|
Systematické ověřování
|
Spuštění DRC/ERC; kontrola kontinuity; 3D uložení krytu; test přístupu; konzistentní názvy sítí
|
Pouze DRC, bez manuální kontroly
|
DRC vše zelené + manuální kontrolní seznam
|
|
Výrobní soubory
|
Úplné, jednoznačné
|
Gerber/Vrták; kusovník; soubor PNP; montážní výkres; výrobní poznámky (tloušťka/měď/povrchová úprava/impedance)
|
Chybějící/zrcadlené vrstvy; sítotisk na podložkách; chybné názvy souborů
|
Křížová kontrola v prohlížeči Gerber
|
|
Prototyp → Hromadná výroba
|
Řízení rizik
|
Nejprve prototyp; včetně testovacích plošek; připraveno pro FCT/skenování; kontrola před hlavním testováním
|
Přeskočit prototyp; žádná testovací strategie
|
Prototyp prošel testy FCT a tepelnými testy
|
|
Téma
|
Cíl
|
Klíčové body pro začátečníky
|
Obyčejné chyby
|
Rychlá kontrola / Metriky
|
|
Integrita signálu (SI)
|
Snížení odrazů/přeslechů
|
Stopy s řízenou impedancí nad pevnou zemí; různé páry stejně dlouhé; citlivé vodiče rovnoběžné s prostorem
|
Křižovatky rozštěpů; dlouhé paralelní běhy
|
Délka/rozteč/vrstvení dle specifikace
|
|
Integrita napájení (PI/PDN)
|
Nízkoimpedanční kolejnice
|
Vícefrekvenční oddělení; měděné odlitky/prostupy pro proud
|
Pouze jedna velkokapacitní čepice; dlouhé poutka
|
Zvlnění v rámci specifikace; oddělení blízko pinu
|
|
Základy
|
Nepřetržitý, tichý
|
Plné roviny; analogové/digitální zóny spojené v jednom bodě
|
Náhodné řezy; velké smyčky
|
Žádné vysokorychlostní přejezdy mezer v zemi
|
|
EMI / EMC
|
Nízké záření, vysoká imunita
|
Malé smyčky; tlumivky CM; filtry na konektorech
|
Signály dlouhé do konektoru
|
Filtry/stínění na I/O
|
|
Hodiny/Křišťál
|
Nízké chvění, nízký šum
|
Krystal blízko integrovaného obvodu; krátké vodiče; ochranná zem; mimo dosah hrany I/O
|
Křížové rozdělení; dlouhé stopy
|
≤ několik mm smyčky; souvislý zemnící materiál
|
|
ESD/přepětí
|
Ochrana I/O
|
TVS/svorky poblíž portu; krátká cesta k zemi
|
Díly pro ochranu vzdálenosti
|
Přímý, krátký výboj na GND
|
|
Povrchová cesta/Vzhled
|
Bezpečná izolace
|
Dodržujte bezpečnostní normy pro rozestupy; v případě potřeby použijte štěrbiny
|
Hádání místo spekulací
|
Splňuje předpisy pro schválení IEC/UL
|
|
Termální
|
Správa teploty
|
Měď se nalévá pod horké části; tepelné průchody; proudění vzduchu a chladiče
|
hotspotů
|
ΔT < jmenovité napětí součástky
|
|
Mechanické/Montážní
|
Vhodnost, použitelnost
|
3D usazení krytu; zarovnání konektorů; kontrola výšky
|
Ignorovat výšku/velikost
|
Žádné 3D rušení; konektory zarovnané
|
|
DFM (výroba)
|
Vyrobitelné
|
Řádek/mezera/vrtání ≥ výrobní limity; můstek pájecí masky ≥ min; měděný okraj ≥0.3 mm
|
Nadstandardní design
|
Odpovídá továrním možnostem
|
|
DFA (montáž)
|
Snadné pájení/umisťování
|
Stejná orientace; rozteč; tepelně odlehčovací podložky; shodné se šablonou
|
Sítotisk na podložkách; náhrobek
|
První článek pájí OK
|
|
DFT (testovatelnost)
|
Připraveno k testování
|
Přidejte testovací plošky; JTAG/SWD/UART; připraveno pro přípravek FCT
|
Bez přístupu k testovacímu programu
|
Pokrytí IKT/FCT ≥ cíl
|
|
Panelizační prvky/svítidla
|
Efektivní konstrukce
|
Pravítka pro panely; referenční značky; otvory pro nástroje; pevné kolejnice
|
Náhodné zalomení záložek
|
Panel přijat společností Fab
|
|
Dokumentace/Verze
|
Sledovatelnost
|
Verze/rev.; kusovník odpovídá PNP; opravená nastavení exportu
|
Zmatené dokumenty
|
Kompletní a konzistentní dokumentační balíček
|
|
Dodržování předpisů/ekologie
|
Legální a bezpečné
|
Označení RoHS/REACH; plánování protiopatření EMC; stínění klíčových portů
|
Žádný důkaz
|
Certifikáty na místě
|
|
Spolehlivost/snížení výkonu
|
Dlouhý život
|
Snížení jmenovitého napětí; cykly konektoru; konformní povlak
|
Nulová marže
|
Díly s jmenovitým výkonem ≤70–80 %
|
Dále se pustíme přímo do návrhu desky plošných spojů.
1. Naplánujte si návrh plošných spojů
Plánování je nezbytným krokem před zahájením návrhu desky plošných spojů a je klíčovým krokem v deska návrh. Účelem plánování je nejprve jasně definovat funkční cíle desky plošných spojů, například potřebné vstupy a výstupy; zároveň posoudit její pracovní prostředí, včetně napájecího napětí a proudu, rozsahu provozních teplot a dalších podmínek použití. Kromě toho je třeba zvážit také náklady a vývojový cyklus, jako je počet vrstev desky plošných spojů a čas potřebný pro výrobu prototypu a přípravu materiálu.
Po potvrzení těchto klíčových bodů lze začít s přípravou první verze kusovníku a provést analýzu nákladů a vyrobitelnosti. Po dokončení výše uvedeného plánování obvykle získáme: kompletní požadavky a specifikace, bloková schémata mezi funkčními moduly a kusovník v0 s informacemi o balení a alternativních materiálech.
2. Vytvořte schéma
Schéma zapojení je jako „mapa“ obvodu. Nejprve musíme vybrat vhodné nástroje EDA a stanovit strukturu projektu. Poté musíme připravit a ověřit knihovnu součástek, abychom zajistili, že symboly a otisky prstů... jsou vzájemně si blízké. Dále musíme pro každý integrovaný obvod přidat potřebné periferní obvody, jako jsou oddělovací kondenzátory, resetovací obvody, krystalové přizpůsobovací sítě a pull-up a pull-down rezistory. Zároveň musíme také rezervovat testovací body a ladicí rozhraní.
Během fáze ověřování bychom měli použít nástroj ERC k ověření, zda jsou napájecí piny správně připojeny, zda je správná polarita rozhraní, zda nejsou prohozeny diferenciální páry a zda jsou referenční návrhové hodnoty přiměřené. Pouze tímto způsobem můžeme získat čistý schématický diagram a počáteční kusovník, které projdou kontrolou ERC.
3. Umístěte komponenty
Uspořádání součástek určuje tok signálu, odvod tepla a sestavitelnost desky plošných spojů. Během procesu návrhu bychom měli dodržovat modulární princip a seskupovat související součástky, jako je napájecí oblast, analogová oblast, digitální oblast a oblast vysokorychlostního rozhraní. Tok signálu je také nejlepší směřovat „po proudu“, od vstupu k výstupu, s co největší minimalizací plochy obvodu.
Také musíme dát přednost umístění klíčových komponent. Například napájecí čip by měl být blízko zátěžové a proudové smyčky a oddělovací kondenzátory musí být blízko napájecích pinů atd. Během rozvržení bychom se také měli vyhnout otvorům pro šrouby a oblastem se zacvakávacími místy, abychom zachovali rozumnou vzdálenost mezi měděným plechem a okrajem desky.
Pro usnadnění detekce a montáže by měly být podobné součástky rovnoměrně orientovány, aby zůstal bezpečný prostor pro svařování a umisťovací trysky. Tím se lze vyhnout běžným chybám, jako je příliš velká vzdálenost mezi napájecím zdrojem a vysokorychlostními součástkami, příliš vzdálené umístění oddělovacích kondenzátorů nebo kolize výšky součástky s krytem.
4. Základy rozvržení desek plošných spojů
Po dokončení rozvržení vstupuje do fáze rozvržení desky plošných spojů, která zahrnuje rám desky, stohování vrstev a nastavení pravidel atd. Nejprve musíme definovat tvar desky, zkosení, drážkování a to, zda je vyžadováno V-CUT nebo panelování. Poté nastavíme oblast Keepout (ochrana proti přetížení). Stejně důležité jsou elektromagnetické a tepelné vlastnosti. Měli bychom upřednostnit plánování referenční roviny uzemnění, abychom zajistili nejkratší cestu pro zpětný proud, a zároveň položit měď pod součástky generující teplo a vyvrtat tepelné průchozí otvory. Nakonec nezapomeňte rezervovat referenční body pro umístění, otvory pro nástroje a testovací body. Tato základní nastavení přímo určí obtížnost následného směrování a výkon hotového produktu.
5. Směrování tras
Směrování je proces fyzického propojení součástek za účelem vytvoření obvodu. Sekvence směrování má priority: první jsou vysokoproudé napájecí zdroje a uzemnění, následované vysokorychlostními hodinovými signály a diferenciálními signály, poté analogově citlivými signály a nakonec nízkorychlostními univerzálními I/O.
Mezi základní techniky směrování patří:
Snažte se udržovat čáry krátké a rovné a minimalizujte používání 90stupňových rohů.
Při změně vrstev se snažte umístit zemnící průchodky blízko místa změny vrstev, aby byla zajištěna nepřetržitá zpětná cesta.
Maximalizujte šířku napájecích a zemnících vodičů nebo použijte celý měděný plech.
U vysokorychlostních diferenciálních stop zachovávejte stejnou délku, stejné rozteče a stejnou referenční rovinu.
Vyhněte se křížení přes přepážky a proveďte porovnávání terminálů v koncových bodech.
Oddělte analogové a digitální signály, abyste zabránili vzájemnému rušení.
Mezi běžné chyby v zapojení patří přerušení zemnícího referenčního vodiče, dlouhé smyčky, nadměrná šířka trasy nebo nadměrně dlouhé cesty zpětného napájení. Zvládnutí těchto technik zapojení je velmi užitečné pro zlepšení kvality návrhu desek plošných spojů.
6. Vrstvy v desce plošných spojů
Počet vrstev a struktura desky plošných spojů (PCB) určují její možnosti zapojení a integritu signálu. Jednovrstvá deska má nejnižší cenu a je nejvhodnější pro jednoduché obvody a vzdělávací účely; dvouvrstvá deska je preferovanou volbou pro základní návrhy. Vícevrstvé desky se čtyřmi nebo více vrstvami se široce používají ve vysokorychlostních a složitých produktech, jako jsou mobilní telefony a servery.
Pokud navrhujete pro vysokorychlostní nebo RF aplikace, musíte si také ověřit dielektrickou konstantu a parametry vrstvení s výrobcem desky plošných spojů. Dále mějte na paměti, že pod vysokorychlostními signály by měla být udržována souvislá zemnící vrstva a v klíčových oblastech by měly být použity propojovací otvory. Tento rozumný návrh vrstvení může snížit šum a výrazně zjednodušit zapojení.
7. Napájení a pozemní letadla
Napájecí zdroj a zemnící rovina tvoří základ pro stabilní provoz obvodu. Z hlediska strategie uzemnění je vhodnější uzemnit celou plochu rovnoměrně bez libovolného dělení. U obvodů s velkým proudem by měla být plocha minimalizována a těsně připojena k vodičům, aby se snížilo elektromagnetické záření. Pokud jde o strategii napájení, vyžaduje umístění oddělovacích kondenzátorů v blízkosti napájecích pinů integrovaného obvodu, použití kombinace malých a velkých kondenzátorů a udržení co nejkratšího obvodu.
Citlivé analogové a digitální napájecí zdroje lze před spojením s hlavním napájecím zdrojem izolovat pomocí magnetických kuliček nebo LC obvodů. U vysokoproudých kolejnic by se měly použít širší trasy nebo vyhrazené napájecí roviny a proud se rozptyluje přes více propojovacích otvorů. Velké měděné plechy vyžadují pro snadné pájení „tepelné podložky“ a na napájecí a zemnící rovině by měl být umístěn dostatek propojovacích otvorů. Zvládnutí těchto technik je také velmi užitečné pro návrh desek plošných spojů.
8. Zkontrolujte návrh
Před zahájením výroby desek plošných spojů se doporučuje provést systematickou kontrolu, která může výrazně snížit potřebu oprav. Kontrola zahrnuje kontroly DRC a ERC.
DRC se zaměřuje na to, zda šířka/rozteč čar, propojky/plochy, vzdálenost mezi mědí a okrajem desky, můstky pájecí masky atd. odpovídají možnostem výrobce; ERC potvrzuje, zda jsou napájecí síť, nezapojené piny, polarita rozhraní a pojmenování sítě přiměřené. Důležité jsou také kontroly výroby a montáže, například sítotisk by měl být čirý, nezakrývat plošky, testovací body by měly být dostatečné a snadno se jich dotknou sondy. Je také nutné zajistit konzistenci v kusovníku, balení, číslech dílů a souřadnicích umístění atd. Důkladná kontrola návrhu desky plošných spojů před výrobou může zajistit hladkou výrobu následných desek plošných spojů.
9. Připravte se na výrobu
Posledním krokem v návrhu desek plošných spojů je převod návrhu do podoby materiálů připravených pro výrobu.
Nejprve musíme exportovat soubory Gerber, soubory pro vrtání a také informace o sestavě (kusovník, soubory Pick-and-Place, montážní výkresy atd.). V případě potřeby musíme také poskytnout netlist a pokyny pro výrobu desky. Během tohoto procesu musíme jasně uvést tloušťku desky, tloušťku mědi, vrstvení, povrchovou úpravu, barvu pájecí masky a požadavky na impedanci. Po exportu je nejlepší vše pečlivě zkontrolovat pomocí prohlížeče Gerber, abyste se vyhnuli chybám, jako jsou chybějící vrstvy, zrcadlové obrazy nebo přitlačení pájecí masky na kontaktní plošky.
Poznámka: Pokud objednáváte výrobu z továrny, je nejlepší si před zadáním objednávky ověřit jejich výrobní možnosti, včetně minimální šířky/rozteče čar, průměru otvoru, tloušťky desky a data dodání. Obecně bychom měli nejprve vyrobit prototyp malé série a před zahájením hromadné výroby ověřit, zda neobsahuje chyby.
Proč investovat do čističky vzduchu?
Návrh desek plošných spojů je systematický inženýrský proces, který vyžaduje plánování, ověřování a opakované zdokonalování. Každý krok má přímý dopad na konečný výkon a spolehlivost desky plošných spojů. Začátečníkům zvládnutí těchto základních postupů a klíčových bodů obvykle umožňuje vyhnout se běžným chybám při návrhu.
O PCBasicu
Čas jsou ve vašich projektech peníze – a PCBasic chápe PCBasic je Firma pro montáž desek plošných spojů který pokaždé přináší rychlé a bezchybné výsledky. Náš komplexní Montážní služby PCB zahrnují odbornou technickou podporu v každém kroku, což zajišťuje špičkovou kvalitu každé desky. Jako přední Výrobce sestav plošných spojů, Nabízíme komplexní řešení, které zefektivní váš dodavatelský řetězec. Spolupracujte s naší pokročilou Továrna na prototypy plošných spojů pro rychlé vyřízení a vynikající výsledky, na které se můžete spolehnout.
