Dans la conception et l’l’ingénierie inverse des produits électroniques, la conception de la disposition du PCB est une étape importante, qui affecte directement les performances du circuit. Créer une disposition de PCB efficace est une tâche difficile, surtout si vous n’avez pas suffisamment d’expérience dans ce domaine. Dans cet article, vous pouvez découvrir nos directives de conception de PCB pour suivre toutes les meilleures pratiques et normes.
Quelle est la disposition idéale d'un PCB ?
Qu’est-ce qui constitue exactement le schéma de PCB idéal ? Eh bien, ce n’est pas une conception fixe ; c’est un processus en constante évolution. Chaque conception de circuit est différente, et donc l’est aussi le schéma. Cependant, il existe certains aspects que tous les schémas réussis ont en commun. Examinons quelques-uns d’entre eux.
– Largeur et longueur des pistes – Si vous voulez que votre circuit fonctionne correctement, vous devez vous assurer que vos pistes ont la largeur et la longueur appropriées. Cela signifie également que vous devez décider où les placer. La largeur est essentielle pour l’intégrité du signal numérique. Plus la largeur est petite, moins il est probable qu’elle capte du bruit et des interférences.
– Placement de la masse – Le placement de la masse dans votre conception de circuit est essentiel. Tout d’abord, assurez-vous que vous avez suffisamment de connexions à la masse. Ensuite, assurez-vous qu’elles sont toutes connectées à la masse analogique commune.
– Placement des signaux – Le placement des signaux dans votre conception est également extrêmement important. Assurez-vous que les signaux sont acheminés dans une direction « de l’intérieur vers l’extérieur ». Cela signifie que vous commencez par les signaux les plus importants et que vous progressez vers les moins importants. Si vous utilisez un diagramme hiérarchique pour la conception, cela sera beaucoup plus facile.
– Distribution de l’alimentation – La distribution de l’alimentation est également importante. Vous devez vous assurer que toutes les zones à forte puissance et à fort courant ont une connexion à la masse. Cela inclut les circuits d’alimentation, ainsi que les pistes à fort courant.
#1 Sélectionner une stratégie de conception avant le schéma
Avant de commencer la disposition, vous devez décider de votre stratégie de conception. Cela inclut des éléments tels que le nombre de couches, la largeur des pistes et la quantité de cuivre que vous utiliserez. Pour ce faire, vous devez avoir une idée claire de ce que fait le circuit et de ce que vous devez qu’il fasse. De plus, vous devez également connaître les limitations du processus de fabrication de PCB. Voici quelques stratégies différentes que vous pouvez utiliser dans la disposition de votre carte de circuit imprimé :
– Routage standard – Le routage standard est la stratégie de conception la plus courante. Vous l’utilisez lorsque vous n’avez pas d’exigences particulières pour votre carte de circuit imprimé.
– Micro-routage – Si vous avez besoin de pistes très petites et de connexions très courtes, vous voudrez utiliser le micro-routage.
– Routage arborescent – Si vous avez besoin d’un grand nombre de connexions qui doivent être distribuées efficacement, vous voulez utiliser le routage arborescent. Le routage arborescent est couramment utilisé sur les cartes haut de gamme avec un grand nombre de signaux.
#2 Établir les stratégies d'empreinte
Après avoir décidé de votre stratégie de conception, vous devez établir les stratégies d’empreinte pour votre carte. Vous devez décider où vous allez placer les composants sur la carte. Vous devez créer une empreinte pour chaque composant, et vous devez les placer sur la carte d’une manière qui a du sens. Cela inclut de s’assurer que les composants sont placés à proximité des connexions. Vous ne voulez pas créer une disposition qui exige que la carte de circuit imprimé soit placée dans une position spécifique. Cela rendra l’assemblage et l’utilisation du produit plus difficiles.
#3 Règles de placement des composants PCB
1. dispositif de protection de l'interface
Pour le dispositif de protection de l’interface, vous devez le placer le plus près possible de l’interface. De plus, l’exigence de placement des différents composants :
L’ordre général des dispositifs de protection contre la foudre des circuits d’alimentation : varistances, fusibles, diodes de suppression, filtres EMI, inductances ou inductances de mode commun.
En général, l’ordre des dispositifs de protection pour les signaux d’interface : ESD (tube TVS), transformateur d’isolation, inductance de mode commun, condensateur et résistance.
2. Espacement des composants
Espacement minimum recommandé entre les composants :
- L’espacement entre les bords des pastilles des petits composants RC est >0,3~0,7 mm ;
- Entre les autres composants de puce, entre SOT, entre SOIC et les composants de puce est de 1 à 1,25 mm ;
- Entre SOIC et entre SOIC et QFP est de 1,5 à 2,0 mm ;
- La distance entre PLCC et les composants de puce, entre SOIC et QFP est de 2 à 2,5 mm ;
- 3~4 mm entre PLCC.
- La distance entre l’extérieur de la pastille du composant enfichable et l’extérieur de la pastille du composant de puce est supérieure à 1,5 à 2 mm ;
- L’espacement des bords des pastilles entre les composants enfichables qui ont été soudés par ondes est supérieur à 1 à 2 mm ;
- La distance entre BGA et les composants adjacents est supérieure à 3 à 5 mm.
3. Appareils sensibles aux interférences
Les appareils sensibles aux interférences ESD, tels que les dispositifs NMOS et CMOS, doivent être maintenus aussi loin que possible des zones sensibles aux interférences ESD (telles que la zone de bord d’une carte unique).
4. Disposition de l'appareil d'horloge
- Les cristaux, les oscillateurs à quartz et les distributeurs d’horloge doivent être placés aussi près que possible des dispositifs IC associés ;
- Le filtre du circuit d’horloge (essayez d’utiliser le filtre de type « \u220f ») doit être proche de la broche d’entrée d’alimentation du circuit d’horloge ;
- Vérifier si la sortie de l’oscillateur à quartz et du distributeur d’horloge est connectée en série avec une résistance de 22 ohms ;
- Vérifier si les broches de sortie inutilisées du distributeur d’horloge sont mises à la terre via des résistances ;
- La disposition des cristaux, des oscillateurs à quartz et des distributeurs d’horloge doit être maintenue à l’écart des composants haute puissance, des dissipateurs thermiques et des autres dispositifs générant de la chaleur ;
- Vérifier si l’oscillateur à quartz est à plus de 2,54 cm (1 pouce) du bord de la carte et du dispositif d’interface.
5. Condensateurs et Filtres
- Le condensateur doit être placé près de la broche d’alimentation, et plus la capacité est petite, plus elle doit être proche de la broche d’alimentation ;
- Le filtre EMI doit être proche du port d’entrée de l’alimentation de la puce ;
- En principe, chaque broche d’alimentation dispose d’un petit condensateur de 0,1 uf et d’un ou plusieurs grands condensateurs de 10 uf pour un circuit intégré, ce qui peut être augmenté ou diminué en fonction de la situation spécifique.
#4 Règles de routage des PCB
Les règles de routage des PCB sont les directives que les concepteurs utilisent pour déterminer le placement et le routage des pistes sur un circuit imprimé. Ces règles aident à garantir que le PCB fini fonctionnera correctement et répondra à toutes les spécifications électriques requises. Il existe une variété de règles de routage différentes qui peuvent être utilisées, et les règles spécifiques qui sont suivies dépendront de la conception particulière et des exigences du projet.
1. Connexion de piste, de signal et d'alimentation
Il y a quelques points clés à garder à l’esprit lors du routage des PCB :
– Assurez-vous que la largeur de vos pistes est appropriée pour le courant que vous allez transporter. Une piste trop étroite entraînera une chaleur excessive et une défaillance potentielle ; une piste trop large sera inutilement coûteuse.
– Soyez conscient des différents types de plans de cuivre et de la façon dont ils peuvent être utilisés à votre avantage. Les plans d’alimentation et de masse, par exemple, peuvent être très utiles pour minimiser le bruit et les interférences.
– Assurez-vous de tenir compte des différentes exigences d’impédance des signaux numériques et analogiques. Les signaux numériques doivent être routés avec des pistes à faible impédance pour minimiser les réflexions et les interférences, tandis que les signaux analogiques peuvent être routés avec des pistes plus épaisses et à impédance plus élevée.
– Faites attention à l’espacement entre les pistes, en particulier lors du routage des signaux à grande vitesse. L’espacement entre les pistes affecte la capacité des pistes, ce qui à son tour affecte l’intégrité du signal.
– Envisagez d’utiliser des vias pour router les signaux entre les différentes couches du PCB. Cela peut être utile pour minimiser la longueur des pistes et réduire les interférences.
– Assurez-vous d’avoir un dégagement adéquat autour des broches d’alimentation et de masse. Ces zones peuvent être sensibles aux arcs électriques et aux problèmes thermiques, il est donc important de les maintenir dégagées.
En suivant ces directives simples, vous pouvez vous assurer que vos PCB sont correctement routés et fonctionneront comme prévu.
2. Connexion Kelvin
Les connexions Kelvin, également connues sous le nom de connexions force et détection, sont un moyen pratique d’éliminer les effets des chutes de tension sur les fils dans les circuits.
Bien que sur un schéma, il puisse sembler identique de placer la connexion sur un plot de résistance ou à un point arbitraire, la piste elle-même a une inductance et une résistance et peut faire échouer vos mesures si vous n’utilisez pas une connexion Kelvin.
#5 Problème de chauffage
1. Agencement thermique
Il existe trois aspects principaux de la chaleur dans un PCB :
- dissipation thermique par les plaques des composants ;
- la chaleur du PCB lui-même ;
- la chaleur provenant d’autres parties.
Placer du cuivre supplémentaire autour des composants de montage en surface offre une surface supplémentaire pour dissiper la chaleur plus efficacement. Certaines fiches techniques de composants (en particulier les diodes de puissance et les MOSFET de puissance ou les régulateurs de tension) contiennent des directives pour utiliser la surface du PCB comme dissipateur thermique.
2. Vias thermiques et décharge thermique
Les vias peuvent être utilisés pour transférer la chaleur d’un côté du PCB à l’autre. Ceci est particulièrement utile lorsque le PCB est monté sur un dissipateur thermique sur un châssis qui peut dissiper davantage la chaleur. Les vias larges transfèrent la chaleur plus efficacement que les vias petits. De nombreux vias transfèrent la chaleur plus efficacement qu’un seul via et réduisent la température de fonctionnement du composant. Des températures de fonctionnement plus basses contribuent à améliorer la fiabilité.
La décharge thermique réduit la taille des connexions entre les pistes ou les pastilles et les broches des composants pour faciliter le processus de soudure à la vague. Cette petite connexion est courte pour réduire l’effet sur la résistance. Si vous n’utilisez pas de dissipateurs thermiques sur les broches des composants, les composants peuvent être plus frais car il existe de meilleures connexions thermiques aux pistes ou aux charges qui peuvent dissiper la chaleur, mais il sera plus difficile de souder et de dessouder.
#6 Vérifiez votre agencement par les règles de conception
Après avoir terminé l’agencement du PCB, il est important de s’assurer que votre vérification des règles électriques (ERC) et votre vérification des règles de conception (DRC) sont correctes pour vérifier que vous avez satisfait à toutes vos contraintes établies. Elles permettent de spécifier facilement les largeurs d’espacement, les largeurs de piste, les exigences de fabrication courantes, les exigences électriques à haute vitesse et les autres exigences physiques pour votre application particulière.
La vérification DRC est le programme au sein des logiciels EDA qui est responsable de la vérification de la conception par rapport aux règles définies dans le logiciel. C’est la dernière chance de détecter les problèmes de conception avant le début du processus de fabrication.
Erreurs de disposition de PCB à éviter
Il existe de nombreuses erreurs courantes que les gens commettent lors des directives de conception de PCB. Cependant, si vous les évitez, vous aurez beaucoup plus de chances de créer une disposition qui respecte les normes de l’industrie, qui est facile à assembler et qui a un faible risque de défaillance. Examinons les erreurs les plus courantes que les gens commettent lors de la conception d’une disposition de PCB.
– Traces croisées – L’une des plus grandes erreurs que les gens commettent lors de la conception d’une disposition de PCB est de croiser des traces. Vous devez éviter cela à tout prix. Si vous créez une trace qui croise une autre trace, cela provoquera un court-circuit.
– Traces extra longues – Vous devez également éviter de créer des traces qui sont beaucoup plus longues qu’elles ne le doivent. Cela rendra votre disposition moins efficace et peut causer des problèmes si la trace est trop longue.
– Traces courtes et distribuées – Une autre erreur que les gens commettent est de créer un grand nombre de traces courtes connectées les unes aux autres d’une manière qui crée une « île ». C’est inefficace et peut causer des problèmes.
– Placement de masse manquant – Vous devez également vous assurer que vous avez un placement de masse approprié dans votre conception. Cela inclut de vous assurer que tous les réseaux sont connectés au plan de masse.
– Avoir trop de plans d’alimentation – Une autre erreur courante est de créer trop de plans d’alimentation. Ceci est particulièrement courant dans les conceptions haut de gamme. Cependant, plus de plans d’alimentation augmenteront vos coûts et votre complexité.
Outils pour la conception de circuits imprimés
Comme vous pouvez le constater, la création d’une disposition de PCB réussie est une tâche difficile. Vous devez prendre en compte de nombreux facteurs différents et savoir comment résoudre de nombreux types de problèmes différents. Vous avez également besoin de quelques outils différents pour vous aider. Voici quelques-uns des plus importants.
– Schématique – Le schéma de votre circuit détermine à quoi ressemblera la disposition de votre PCB. Si vous vous trompez dans le schéma, vous vous tromperez dans la disposition du PCB. Vous devez être prudent lors de la création du schéma. Plus le circuit est compliqué, plus il est difficile de créer un schéma correct.
– Système CAO – Il s’agit d’un processus de conception de cartes de circuits imprimés. Le contour d’une carte de circuits imprimés est disposé en fonction des exigences. Divers symboles sont utilisés pour représenter différents composants sur la carte. Le contour de la carte est ensuite converti en fichier de fabrication assistée par ordinateur (FAO). Le logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) utilisé à cette fin a la capacité d’importer et d’exporter des fichiers FAO.
Conclusion
Créer une disposition de carte de circuit imprimé efficace est une tâche difficile et compliquée. Si vous ne faites pas attention, vous pouvez faire beaucoup d’erreurs et perdre beaucoup de temps. Cependant, en suivant ces directives de disposition de PCB, vous pouvez créer une conception solide, facile à assembler et ayant un faible risque de défaillance.
FAQ
- Adaptation d’impédance des lignes de signal ;
- Isolation spatiale des autres lignes de signal ;
- Pour les signaux numériques haute fréquence, les lignes différentielles fonctionnent mieux.
Non, les condensateurs de découplage doivent être ajoutés avec des valeurs appropriées à des emplacements appropriés. Et il faut utiliser différentes valeurs de capacitance pour filtrer les signaux parasites de différentes fréquences.
Les vias aveugles peuvent augmenter la densité des cartes multicouches, réduire le nombre de couches et la taille de la carte, et réduire considérablement le nombre de trous traversants plaqués.
Cependant, en comparaison, les trous traversants sont faciles à mettre en œuvre en termes de technologie et ont un coût inférieur, de sorte que les trous traversants sont généralement utilisés dans les conceptions.
Les circuits analogiques et numériques doivent être placés dans des zones séparées afin qu’ils ne s’affectent pas mutuellement.
Lors de la conception d’une carte multicouche, assurez-vous de ne pas avoir de plans de masse ou d’alimentation flottants, car les plans d’alimentation et de masse se trouvent sur la couche interne.
De plus, assurez-vous que les vias percés vers la masse sont bien connectés au plan de masse, afin que des points de test puissent être ajoutés pour certains signaux importants, ce qui est pratique pour la mesure lors du débogage.
