Design af PCB-layout

Inden for elektronikudvikling er PCB-layoutdesign den kritiske bro mellem kredsløbsteori og fysisk implementering.En fremragende PCB-design sikrer ikke kun korrekt kredsløbsfunktionalitet, men forbedrer også produktets pålidelighed, reducerer produktionsomkostningerne og forenkler fremtidig vedligeholdelse.Denne artikel går i dybden med hele PCB-layoutdesignprocessen, fra det første skematiske design til den endelige inspektion, med detaljerede retningslinjer og praktiske tips til hvert trin.

1.Forberedelse før layout

Skematisk design:Tegningen til kredsløbsdesign

Skematisk design er grundlaget for PCB-layout - svarende til en arkitekts plan. Vigtige overvejelser på dette stadie omfatter:

• Komponenternes symbolnøjagtighed: Sørg for, at hvert symbol matcher sit fysiske fodaftryk.
• Korrekte netforbindelser: Kontrollér omhyggeligt alle elektriske forbindelser for at undgå åbninger eller kortslutninger.
• Tydeligt hierarki: Komplekse kredsløb skal modulariseres med funktionsblokke, der tegnes separat.

Almindelig fejltagelse: Mange begyndere kaster sig ud i layoutet uden at tjekke skemaerne grundigt, hvilket fører til problemer, der er svære at spore senere. Krydstjek altid skemaer mindst to gange, før du fortsætter.

Håndtering af komponentdatabaser:Detaljer er vigtige

Et velorganiseret komponentbibliotek er et kendetegn ved professionelt printkortdesign:

1. Data om fodaftryk: Inkluderer dimensioner, pudeformer og mellemrum.
2. 3D-modeller: Hjælp til mekanisk pasformskontrol.
3. Nøgleparametre: Nominel spænding, strøm, effekt osv.
4. Oplysninger om leverandøren: MPN-numre og indkøbskanaler.

Pro-tip: Oprethold et samlet bibliotek for hele virksomheden, og opdater det regelmæssigt for at forbedre designeffektiviteten og -konsistensen.

2.PCB-layout-fasen

Designforberedelse og blokplanlægning

Sørg for korrekt forberedelse, før du placerer komponenter:

• Definér bestyrelsens disposition: Overvej monteringsplads, fastgørelseshuller og placering af stik.
• Stack-up design: Bestem antal lag og materialer baseret på behov for signalintegritet.
• Opdeling af funktionelle blokke: Gruppér komponenter efter kredsløbsfunktion og planlæg signalflow.

Deling af erfaringer: At skitsere et groft layout på papir først - og markere kritiske komponentplaceringer og signalveje - viser sig ofte at være mere effektivt end at springe direkte til CAD-software.

Gitterindstillinger: En nøgle til effektivt layout

Smarte netkonfigurationer forbedrer layoutkvaliteten og -hastigheden:

• Store komponenter: 50-100 mil gitter (IC'er, stik).
• Små passive: 25 mil gitter (modstande, kondensatorer).
• Finjustering: 5-10 mil gitter (endelige justeringer).

Advarsel: Hyppige ændringer af gitterindstillingerne forstyrrer komponentjusteringen. Layout efter komponenttype i faser.

Regler og teknikker for komponentplacering

Generelle principper for placering

1. Prioritet på én side: Placer alle komponenter i ét lag, medmindre tætheden kræver andet.
2. Justering og orientering: Arranger komponenterne ortogonalt, så de bliver pæne.
3. Kontrol af afstand: Minimum 1 mm mellem komponenter, 2 mm fra pladekanter.
4. Termisk styringFordel varmeudviklende dele væk fra temperaturfølsomme enheder.

Casestudie: I et strømforsyningsmodul kunne man ved at justere højstrømskomponenterne lineært reducere sporlængderne og forbedre kølingen, så temperaturen faldt med 15 %.

Placering af kritiske komponenter

• Højfrekvente dele: Minimér forbindelseslængderne for at reducere parasitære effekter.
• Højspændingskomponenter: Øg frihøjden, tænk på krav til krybning/frihøjde.
• Tunge dele: Brug støtter til at håndtere mekanisk stress.
• Justerbare komponenter: Position for ergonomisk adgang.

Lektion lært: Et fejlplaceret potentiometer tvang engang til et redesign af kabinettet og forsinkede produktlanceringen.

3. Routing-strategier og regelanvendelser

Routing-prioritetsrækkefølge

1. Kritiske signaler først: Ure, højhastighedslinjer og analoge signaler.
2. Strømnet: Tag højde for strømkapacitet og spændingsfald.
3. Generelle signaler: Rute ikke-kritiske forbindelser sidst.

Ekspertrådgivning: Dediker lag til kritiske signaler for at undgå støjkobling.

Tips og faldgruber til ruteplanlægning

• 90° bøjninger: Undgå - brug 45° eller buede spor i stedet.
• Differentielle par: Oprethold lige længde/afstand med symmetrisk routing.
• Serpentiner: Brug til længdematchning, men pas på ekstra parasitter.
• Vias: Minimér antallet af kritiske stier.

Testdata: Hver via på højhastighedslinjer kan introducere 0,3-0,5ps forsinkelse, hvilket er signifikant ved GHz-frekvenser.

4. Endelig verificering og validering

Tjekliste for layout

1. Kontrol af dimensioner: Match mekaniske tegninger.
2. Komponenternes fuldstændighed: Ingen manglende dele.
3. Gennemgang af oprydning: Afstand mellem komponenter/spor/kanter.
4. Termisk analyse: Fordeling af varmekilder.
5. Servicevenlighed: Nem adgang til sliddele.

QA-tip: Standardiser inspektionsark for at sikre systematisk gennemgang.

Fokusområder for designgennemgang

• Elektrisk ydeevneAnalyse af signal- og strømintegritet.
• Fremstillingsmuligheder: Kompatibilitet med PCB-fabrikationsprocesser.
• Testbarhed: Tilstrækkelige testpunkter.
• Kontrol af omkostninger: Optimal udnyttelse af panelet.

Tip til teamwork: Inddrag produktions- og testteams i gennemgange for at fange problemer på tværs af afdelinger tidligt.

5. FAQ om PCB-design

Q1: Hvorfor kræver mine print altid flere prototyper?

Svar: Typisk på grund af utilstrækkelig forudgående verifikation.Anbefalede rettelser:

1. Implementer strenge procedurer for skematisk gennemgang.
2. Simuler kritiske kredsløb før layout.
3. Tjek 3D-samlemodeller virtuelt.
4. Spørg PCB-fabrikanterne tidligt om deres muligheder.

Spørgsmål 2: Hvordan løser man problemer med signalintegritet ved høj hastighed?

A: Vigtige overvejelser:

1. Styr impedansen via beregnede sporbredder/stack-ups.
2. Hold de kritiske stier korte.
3. Oprethold ubrudte referenceplaner - undgå splittelser.
4. Brug afslutningsmodstande, når det er nødvendigt, for at dæmpe refleksioner.

Q3: Har du nogle tips til kompakte PCB-layouts?

A: Strategier med høj tæthed:

1. Foretrækker 0402 eller mindre komponenter.
2. Brug flerlagskort med lodret routing.
3. Brug blinde/nedgravede vias med omtanke.
4. Samarbejd tæt med maskiningeniører om rumlig planlægning.

Q4: Hvordan minimerer man EMI-problemer?

A: Effektive modforanstaltninger:

1. Hold følsomme signaler ≥5 mm fra kortets kanter.
2. Sørg for solide jordplaner under højhastighedsspor.
3. Tilføj filtre ved grænseflader.
4. Undgå skarpe hjørner og pludselige breddeændringer.

Q5: Almindelige fejl i el-layout?

A: Typiske fejl i strømforsyningen:

1. Afkoblingshætter placeret 3 mm fra IC'er.
2. Underdimensionerede strømledninger forårsager for stort IR-drop.
3. Negligerer nuværende returveje.
4. Overser termiske derating-effekter.

Anbefalet læsning

1. Hvad er et PCB-design?
2. Sådan designer du et printkort
3. Sådan forbedrer du printkortets ydeevne og pålidelighed