Basisprincipes van PCB-ontwerp: een ontwerphandleiding voor beginners

Printplaten zijn overal en vormen de basis van alle elektronische producten die we gebruiken. Om deze printplaten echt functioneel te maken, is een goed PCB-ontwerp onmisbaar. Een goed PCB-ontwerp garandeert de beoogde functionaliteit van het apparaat. In wezen is het ontwerpen van een printplaat het proces van het omzetten van schema's naar maakbare lay-outs. Tijdens dit proces moeten we de basisprincipes van PCB-ontwerp goed begrijpen, want alleen op deze manier kunnen de ontworpen printplaten de apparatuur helpen de verwachte functies te bereiken en langdurig stabiel te werken. Het ontwerpen van PCB's gaat echter niet alleen over het tekenen van een paar lijnen met software.

Dit artikel helpt je de basisbeginselen van PCB-ontwerp onder de knie te krijgen. In dit artikel begeleiden we je door PCB-ontwerp met duidelijke en praktische stappen. Na het lezen van dit artikel leer je hoe je projecten plant, schema's tekent en componenten op een verstandige manier plaatst. Hieronder vind je de basiskennis over PCB-ontwerp die we hebben samengevat.

Laten we nu direct beginnen met het ontwerpen van de PCB.

1. Plan uw PCB-ontwerp

Planning is een onmisbare stap voordat u met het PCB-ontwerp begint en is een kernstap in printplaat Ontwerp. Het doel van de planning is om eerst de functionele doelen van de printplaat duidelijk te definiëren, zoals welke in- en uitgangen nodig zijn; en tegelijkertijd de werkomgeving te beoordelen, inclusief de voedingsspanning en -stroom, het bedrijfstemperatuurbereik en andere gebruiksomstandigheden. Daarnaast moeten ook de kosten en de ontwikkelingscyclus in overweging worden genomen, zoals het aantal lagen van de printplaat en de tijd die nodig is voor prototyping en materiaalvoorbereiding.

Nadat deze belangrijke punten zijn bevestigd, kan de eerste versie van de stuklijst worden voorbereid en kunnen kosten- en maakbaarheidsanalyses worden uitgevoerd. Na het voltooien van de bovenstaande planning verkrijgen we doorgaans: complete eisen en specificaties, blokdiagrammen tussen functionele modules en een stuklijst v0 met informatie over de verpakking en alternatieve materialen.

2. Maak het schema

Het schema is als het ware de "kaart" van een circuit. Eerst moeten we de juiste EDA-tools selecteren en de projectstructuur vaststellen. Vervolgens moeten we de componentenbibliotheek voorbereiden en verifiëren om ervoor te zorgen dat de symbolen en footprints kloppen. zijn één-op-één correspondentie. Vervolgens moeten we voor elke IC de benodigde randapparatuur toevoegen, zoals ontkoppelcondensatoren, resetcircuits, kristalaanpassingsnetwerken en pull-up- en pull-downweerstanden. Tegelijkertijd moeten we ook testpunten en debuginterfaces reserveren.

Tijdens de verificatiefase moeten we de ERC-tool gebruiken om te controleren of de voedingspinnen correct zijn aangesloten, of de interfacepolariteit correct is, of de differentiële paren niet verwisseld zijn en of de referentieontwerpwaarden redelijk zijn. Alleen op deze manier kunnen we een helder schema en de initiële BOM verkrijgen die de ERC-controle doorstaan.

3. Plaats de componenten

De componentindeling bepaalt de signaalstroom, warmteafvoer en assemblagemogelijkheden van de printplaat. Tijdens het lay-outproces moeten we het modulaire principe en de groepsgerelateerde componenten volgen, zoals het voedingsgedeelte, het analoge gedeelte, het digitale gedeelte en het gedeelte met de snelle interface. De signaalstroom kan het beste "stroomafwaarts" stromen, van ingang naar uitgang, om het circuitoppervlak zo klein mogelijk te houden.

We moeten ook prioriteit geven aan de plaatsing van belangrijke componenten. Zo moet de powerchip dicht bij de belastings- en stroomlus worden geplaatst, en moeten ontkoppelcondensatoren dicht bij de powerpins worden geplaatst, enz. Tijdens de lay-out moeten we ook schroefgaten en kliksystemen vermijden om een ​​redelijke afstand tussen de koperen plaat en de printplaatrand te behouden.

Om detectie en montage te vergemakkelijken, moeten vergelijkbare componenten uniform worden georiënteerd, zodat er voldoende ruimte overblijft voor las- en pick-and-place-mondstukken. Dit kan veelvoorkomende fouten voorkomen, zoals een te grote afstand tussen de voeding en de hogesnelheidscomponenten, een te grote afstand tussen ontkoppelingscondensatoren of een te grote componenthoogte ten opzichte van de behuizing.

4. Basisprincipes van PCB-layout

Nadat de lay-out is voltooid, gaat deze naar de PCB-layoutfase, die onder meer het boardframe, de stapeling van lagen en de regelinstellingen omvat. Eerst moeten we de vorm van de printplaat, de afschuining, de sleufindeling en of V-CUT of paneelwerk nodig is, bepalen. Vervolgens stellen we het Keepout-gebied in. Elektromagnetisch en thermisch ontwerp zijn even cruciaal. We moeten prioriteit geven aan het plannen van het aardingsvlak om de kortste weg voor de retourstroom te bieden en tegelijkertijd koper onder de warmtegenererende componenten te leggen en thermische doorvoergaten te boren. Vergeet tot slot niet om positioneringsreferentiepunten, gereedschapsgaten en testpunten te reserveren. Deze basisinstellingen bepalen direct de moeilijkheidsgraad van de verdere routing en de prestaties van het eindproduct.

5. Het routeren van de sporen

Routing is het proces waarbij componenten fysiek met elkaar worden verbonden om een ​​circuit te vormen. De volgorde van routing kent prioriteiten: eerst de voedingen met hoge stroomsterkte en aarding, gevolgd door snelle, klok- en differentiële signalen, vervolgens analooggevoelige signalen en tot slot de algemene I/O met lage snelheid.

De basistechnieken voor routering omvatten:

    Probeer de lijnen kort en recht te houden en beperk het gebruik van hoeken van 90 graden.

    Wanneer u lagen verandert, probeer dan de aardingsvia's zo dicht mogelijk bij de laagverandering te plaatsen om een ​​continu retourpad te garanderen.

    Maak de stroom- en aardingssporen zo breed mogelijk of gebruik een volledige koperplaat.

    Voor differentiële sporen met hoge snelheid moeten de lengte, de afstand en het referentievlak gelijk zijn.

    Vermijd het passeren van partitie-oppervlakken en voer terminal matching uit op de eindpunten.

    Scheid analoge en digitale signalen om wederzijdse interferentie te voorkomen.

Veelvoorkomende fouten bij bedrading zijn onder meer onderbreking van de aardreferentie, lange lussen, spoorbreedte of te lange retourpaden. Het beheersen van deze bedradingstechnieken is zeer nuttig voor het verbeteren van de kwaliteit van het printplaatontwerp.

6. Lagen in een PCB

Het aantal lagen en de stapelstructuur van een printplaat bepalen de bedradingscapaciteit en signaalintegriteit. Een enkellaags printplaat is het goedkoopst en het meest geschikt voor eenvoudige schakelingen en educatieve doeleinden; een dubbellaags printplaat is de voorkeurskeuze voor instapmodellen. Meerlaagse printplaten met vier of meer lagen worden veel gebruikt in snelle en complexe producten zoals mobiele telefoons en servers.

Als u ontwerpt voor hogesnelheids- of RF-toepassingen, moet u ook de diëlektrische constante en stack-upparameters controleren bij uw PCB-fabrikant. Houd er bovendien rekening mee dat er een continue aardingslaag moet worden gehandhaafd onder hogesnelheidssignalen en dat u stitching-via's moet gebruiken op belangrijke plaatsen. Dit slimme gelaagde ontwerp kan ruis verminderen en de bedrading aanzienlijk vereenvoudigen.

7. Kracht- en grondvlakken

De voeding en het aardvlak vormen de basis voor een stabiele werking van het circuit. Wat betreft de aardingsstrategie is het beter om het gehele oppervlak gelijkmatig te aarden zonder willekeurige verdelingen. Bij circuits met grote stroomsterktes moet het oppervlak zo klein mogelijk zijn en dicht tegen de bedrading worden geplaatst om elektromagnetische straling te verminderen. Wat betreft de voedingsstrategie, vereist dit de plaatsing van ontkoppelcondensatoren in de buurt van de IC-voedingspinnen, een combinatie van kleine en grote condensatoren, en het circuit zo kort mogelijk houden.

Gevoelige analoge en digitale voedingen kunnen worden geïsoleerd met behulp van magnetische kralen of LC-circuits voordat ze worden aangesloten op de hoofdvoeding. Voor rails met hoge stroomsterkte moeten bredere sporen of speciale voedingsvlakken worden gebruikt, en de stroom wordt afgevoerd via meerdere via's. Grote koperen platen vereisen "thermische pads" voor eenvoudig solderen, en er moeten voldoende via's op de voedings- en aardvlakken worden geplaatst. Het beheersen van deze technieken is ook zeer nuttig bij het ontwerpen van printplaten.

8. Controleer het ontwerp

Voordat u met de productie van PCB's begint, is het raadzaam om een ​​systematische inspectie uit te voeren. Dit kan herbewerking aanzienlijk verminderen. De inspectie omvat DRC- en ERC-controles.

DRC richt zich op de vraag of de lijnbreedte/-afstand, via's/pads, de koper-tot-printplaat randafstand, soldeermaskerbruggen, enz. voldoen aan de specificaties van de fabrikant; ERC bevestigt of het stroomnetwerk, de niet-aangesloten pinnen, de interfacepolariteit en de netwerkbenaming redelijk zijn. Controles tijdens de productie en assemblage zijn eveneens belangrijk. Zo moet de zeefdruk bijvoorbeeld helder zijn en de pads niet bedekken, en moeten de testpunten voldoende en gemakkelijk te bereiken zijn voor de probes. Het is ook noodzakelijk om consistentie te garanderen in de materiaallijst (BOM), verpakking, onderdeelnummers en plaatsingscoördinaten, enz. Een grondige inspectie van het PCB-ontwerp vóór de productie kan een soepele productie van de volgende PCB's garanderen.

9. Voorbereiden op productie

De laatste stap in het PCB-ontwerp is het omzetten van het ontwerp naar fabrieksklare materialen.

Allereerst moeten we Gerber-bestanden, boorbestanden en assemblagegegevens (stuklijst, Pick-and-Place-bestanden, assemblagetekeningen, enz.) exporteren. Indien nodig moeten we ook een netlijst en instructies voor de productie van de printplaat aanleveren. Tijdens dit proces moeten we de printplaatdikte, koperdikte, gelaagdheid, oppervlaktebehandeling, kleur van het soldeermasker en impedantie-eisen duidelijk aangeven. Het is raadzaam om na het exporteren de gegevens zorgvuldig te bekijken met een Gerber-viewer om fouten zoals ontbrekende lagen, spiegelbeelden of het drukken van het soldeermasker op de pads te voorkomen.

Let op: Als u bij een fabriek bestelt voor productie, is het raadzaam om de productiecapaciteit te controleren voordat u de bestelling plaatst, inclusief de minimale lijnbreedte/-afstand, gatdiameter, plaatdikte en leverdatum. Over het algemeen maken we eerst een prototype in kleine oplage en controleren we of dit foutloos is voordat we overgaan tot massaproductie.

Conclusie

PCB-ontwerp is een systematisch engineeringproces dat planning, verificatie en herhaaldelijke verfijning vereist. Elke stap heeft een directe impact op de uiteindelijke prestaties en betrouwbaarheid van de printplaat. Beginners die deze basisprocedures en kernpunten beheersen, kunnen vaak veelvoorkomende ontwerpfouten vermijden.

Over PCBasic

Tijd is geld in uw projecten – en PCB-basis begrijpt het. PCBasic is een PCB-assemblagebedrijf: die elke keer snelle, vlekkeloze resultaten levert. Onze uitgebreide PCB-assemblagediensten: bieden deskundige technische ondersteuning bij elke stap, waardoor topkwaliteit in elk bord wordt gegarandeerd. Als toonaangevend Fabrikant van PCB-assemblage:, Wij bieden een totaaloplossing die uw toeleveringsketen stroomlijnt. Werk samen met onze geavanceerde PCB-prototypefabriek voor snelle doorlooptijden en superieure resultaten waarop u kunt vertrouwen.