Elektronik ürünlerin tasarımı ve tersine mühendisliğinde, PCB düzeni tasarımı devrenin performansını doğrudan etkileyen önemli bir adımdır. Etkili bir PCB düzeni oluşturmak, özellikle bu alanda yeterli deneyiminiz yoksa zorlu bir iştir. Bu yazıda, tüm en iyi uygulamaları ve standartları takip etmek için PCB düzeni kılavuzlarımız hakkında bilgi edinebilirsiniz.
İdeal PCB düzeni nasıldır?
İdeal PCB düzeni tam olarak nedir? Aslında bu sabit bir tasarım değil; sürekli gelişen bir süreçtir. Her devre tasarımı farklıdır ve düzeni de öyle. Ancak, tüm başarılı düzenlerin ortak noktası olan belirli unsurlar vardır. Bunlardan birkaçına bir göz atalım.
– İz Genişliği ve Uzunluğu – Devrenizin düzgün çalışmasını istiyorsanız, izlerinizin uygun genişlik ve uzunlukta olduğundan emin olmanız gerekir. Bu, onları nereye yerleştireceğinize de karar vermeniz gerektiği anlamına gelir. Genişlik, dijital sinyal bütünlüğü için çok önemlidir. Genişlik ne kadar küçükse, gürültü ve paraziti yakalama olasılığı o kadar azdır.
– Toprak Yerleşimi – Devre tasarımınızda toprağın yerleşimi çok önemlidir. Öncelikle, yeterli sayıda toprak bağlantınız olduğundan emin olun. Ardından, bunların hepsinin birbirine ve ortak analog toprağa bağlı olduğundan emin olun.
– Sinyal Yerleşimi – Tasarımınızdaki sinyallerin yerleşimi de son derece önemlidir. Sinyallerin "içten dışa" yönde yönlendirildiğinden emin olun. Bu, en önemli sinyallerden başlayıp en önemsiz olanlara doğru ilerlemeniz anlamına gelir. Tasarım için hiyerarşik bir şema kullanırsanız, bu çok daha kolay olacaktır.
– Güç Dağıtımı – Güç dağıtımı da önemlidir. Tüm yüksek güç ve yüksek akım alanlarının toprağa bağlı olduğundan emin olmanız gerekir. Buna güç devreleri ve yüksek akım izleri dahildir.
#1 Tasarım Stratejisini Belirleyin, Ardından Düzeni Oluşturun
Düzenlemeye başlamadan önce tasarım stratejinizi belirlemeniz gerekir. Bu, kat sayısı, iz genişliği ve kullanacağınız bakır miktarı gibi unsurları içerir. Bunun için devrenin ne işe yaradığını ve ondan ne beklediğinizi net bir şekilde bilmeniz gerekir. Ayrıca, PCB üretim sürecinin sınırlamalarını da bilmeniz gerekir. Aşağıda, devre kartınızın düzenlemesinde kullanabileceğiniz birkaç farklı strateji yer almaktadır:
– Standart Yönlendirme – Standart yönlendirme en yaygın tasarım stratejisidir. Devre kartınız için özel bir gereksiniminiz olmadığında bunu kullanırsınız.
– Mikro Yönlendirme – Çok küçük izlere ve çok kısa bağlantılara ihtiyacınız varsa, mikro yönlendirmeyi kullanmak isteyeceksiniz.
– Ağaç Yönlendirme – Verimli bir şekilde dağıtılması gereken çok sayıda bağlantıya ihtiyacınız varsa, ağaç yönlendirmeyi kullanmak isteyeceksiniz. Ağaç yönlendirme, genellikle çok sayıda sinyal içeren üst düzey kartlarda kullanılır.
#2 Etki Alanı Stratejilerini Belirleyin
Tasarım stratejinizi belirledikten sonra, kartınız için ayak izi stratejilerini oluşturmanız gerekir. Bileşenleri kart üzerinde nereye yerleştireceğinize karar vermelisiniz. Her bileşen için bir ayak izi oluşturmanız ve bunları kart üzerinde mantıklı bir şekilde yerleştirmeniz gerekir. Bu, bileşenlerin bağlantı noktalarına yakın yerleştirildiğinden emin olmayı da içerir. Devre kartının belirli bir konuma yerleştirilmesini gerektiren bir düzen oluşturmak istemezsiniz. Bu, ürünün montajını ve kullanımını zorlaştıracaktır.
#3 PCB Bileşen Yerleştirme Kuralları
1. Arayüz koruma cihazı
Arayüz koruma cihazını, arayüze mümkün olduğunca yakın bir yere yerleştirmelisiniz. Ayrıca, bileşenlerin yerleştirilmesine ilişkin farklı gereklilikler:
Güç devreleri yıldırım koruma cihazlarının genel sırası: varistörler, sigortalar, bastırma diyotları, EMI filtreleri, indüktörler veya ortak mod indüktörleri.
Genel olarak, arayüz sinyalleri için koruma cihazlarının sırası şöyledir: ESD (TVS tüpü), izolasyon transformatörü, ortak mod indüktörü, kondansatör ve direnç.
2. Bileşenler Arasındaki Mesafe
Bileşenler arasında önerilen minimum mesafe:
- Küçük RC bileşenlerinin ped kenarları arasındaki mesafe >0,3~0,7 mm'dir;
- Diğer yonga bileşenleri arasında, SOT arasında, SOIC ile yonga bileşenleri arasında 1 ~ 1,25 mm;
- SOIC ile SOIC ve QFP arasında 1,5-2,0 mm;
- PLCC ile yonga bileşenleri arasında, SOIC ile QFP arasında mesafe 2-2,5 mm'dir;
- PLCC arasında 3～4 mm'dir.
- Takılabilir bileşen pedinin dış kısmı ile yonga bileşen pedinin dış kısmı arasındaki mesafe 1,5 ila 2 mm'den fazladır;
- Dalga lehimlemesi yapılmış takılabilir bileşenler arasındaki pedlerin kenar aralığı 1 ila 2 mm'den fazladır;
- BGA ile bitişik bileşenler arasındaki mesafe 3-5 mm'den fazladır.
3. Parazite Maruz Kalan Cihazlar
NMOS ve CMOS gibi ESD parazitine duyarlı cihazlar, mümkün olduğunca ESD parazitine maruz kalabilecek alanlardan (örneğin tek bir kartın kenar bölgesi) uzak tutulmalıdır.
4. Saat Cihazı Düzeni
- Kristaller, kristal osilatörler ve saat dağıtıcıları, ilgili IC devrelerine mümkün olduğunca yakın olmalıdır;
- Saat devresinin filtresi ("∏" tipi filtre kullanmaya çalışın) saat devresinin güç hatları giriş pimine yakın olmalıdır;
- Kristal osilatörün ve saat dağıtıcı çıkışının 22 ohm'luk bir dirençle seri olarak bağlanıp bağlanmadığı;
- Saat dağıtıcı cihazının kullanılmayan çıkış pinleri dirençler aracılığıyla topraklanmış mıdır;
- Kristallerin, kristal osilatörlerin ve saat dağıtıcılarının yerleşimi, yüksek güçlü bileşenlerden, ısı emicilerden ve diğer ısı üreten cihazlardan uzak tutulmalıdır;
- Kristal osilatörün kartın kenarından ve arayüz cihazından 1 inçten daha uzakta olup olmadığı.
5. Kondansatörler ve Filtreler
- Kondansatör, güç pininin yakınına yerleştirilmelidir; kapasitans ne kadar küçükse, güç pininin o kadar yakınına yerleştirilmelidir;
- EMI filtresi, yonga güç kaynağının giriş bağlantı noktasına yakın olmalıdır;
- Prensip olarak, her güç pini, entegre devre için 0,1 uF'lik küçük bir kondansatör ve 10 uF'lik bir veya daha fazla büyük kondansatöre sahiptir; bu değerler, duruma göre artırılabilir veya azaltılabilir.
#4 PCB Yolu Çizim Kuralları
PCB yönlendirme kuralları, tasarımcıların baskılı devre kartı üzerindeki izlerin yerleşimini ve yönlendirilmesini belirlemek için kullandıkları kılavuzlardır. Bu kurallar, bitmiş PCB'nin doğru şekilde çalışmasını ve gerekli tüm elektriksel özellikleri karşılamasını sağlamaya yardımcı olur. Kullanılabilecek çok sayıda farklı yönlendirme kuralı vardır ve hangi kurallara uyulacağı, tasarımın özelliklerine ve projenin gerekliliklerine bağlıdır.
1. İzleme, sinyal ve güç bağlantısı
PCB'leri tasarlarken akılda tutulması gereken birkaç önemli nokta vardır:
– İz genişliklerinin taşıyacağınız akıma uygun olduğundan emin olun. Çok dar bir iz, aşırı ısınmaya ve olası arızalara neden olur; çok geniş bir iz ise gereksiz yere maliyetli olur.
– Farklı bakır düzlem türlerini ve bunların sizin yararınıza nasıl kullanılabileceğini bilin. Örneğin, güç ve toprak düzlemleri, gürültüyü ve çapraz konuşmayı en aza indirgemek için çok yararlı olabilir.
– Dijital ve analog sinyallerin farklı empedans gereksinimlerini dikkate aldığınızdan emin olun. Dijital sinyaller, yansımaları ve paraziti en aza indirmek için düşük empedanslı izlerle yönlendirilmelidir, analog sinyaller ise daha kalın, daha yüksek empedanslı izlerle yönlendirilebilir.
– Özellikle yüksek hızlı sinyalleri yönlendirirken izler arasındaki mesafeye dikkat edin. İzler arasındaki mesafe, izlerin kapasitansını etkiler ve bu da sinyal bütünlüğünü etkiler.
– PCB'nin farklı katmanları arasında sinyalleri yönlendirmek için viyalar kullanmayı düşünün. Bu, izlerin uzunluğunu en aza indirgemek ve çapraz konuşmayı azaltmak için yararlı olabilir.
– Güç ve toprak pimlerinin çevresinde yeterli boşluk olduğundan emin olun. Bu alanlar ark oluşumuna ve termal sorunlara maruz kalabilir, bu nedenle bu alanları boş tutmak önemlidir.
Bu basit yönergeleri takip ederek, PCB'lerinizin doğru şekilde yönlendirildiğinden ve amaçlandığı gibi çalışacağından emin olabilirsiniz.
2. Kelvin bağlantısı
Kelvin bağlantıları, diğer adıyla kuvvet ve algılama bağlantıları, devrelerdeki kablolardaki voltaj düşüşlerinin etkilerini ortadan kaldırmanın pratik bir yoludur.
Şematik olarak bakıldığında, bağlantıyı bir direnç pedine veya rastgele bir noktaya yerleştirmek aynı görünebilir, ancak gerçek izde endüktans ve direnç vardır ve Kelvin bağlantısı kullanmazsanız ölçümlerinizin başarısız olmasına neden olabilir.
#5 Isıtma Sorunu
1. Isı dağılımı
PCB'lerde ısı ile ilgili üç ana husus vardır:
- bileşen plakalarından geçen ısı;
- PCB'nin kendisinden kaynaklanan ısı;
- diğer parçalardan gelen ısı.
Yüzeye monte bileşenlerin etrafına ilave bakır yerleştirilmesi, ısıyı daha verimli bir şekilde dağıtmak için ek yüzey alanı sağlar. Bazı bileşen teknik özellik belgelerinde (özellikle güç diyotları, güç MOSFET’leri veya voltaj regülatörleri), PCB yüzey alanının ısı emici olarak kullanılmasına ilişkin yönergeler yer almaktadır.
2. Termal Geçitler ve Isı Dağıtımı
Viyalar, PCB'nin bir tarafından diğer tarafına ısı aktarımı sağlamak için kullanılabilir. Bu, PCB'nin ısıyı daha da dağıtabilecek bir kasadaki soğutucuya monte edildiği durumlarda özellikle yararlıdır. Büyük viyalar, küçük viyalara göre ısıyı daha verimli bir şekilde aktarır. Birden fazla viya, tek bir viyaya göre ısıyı daha verimli bir şekilde aktarır ve bileşenin çalışma sıcaklığını düşürür. Daha düşük çalışma sıcaklıkları, güvenilirliğin artırılmasına yardımcı olur.
Isıl boşluk, dalga lehimleme işlemini kolaylaştırmak için izler veya dolgu alanları ile bileşen pimleri arasındaki bağlantıları daha küçük hale getirir. Bu küçük bağlantı, direnç üzerindeki etkiyi azaltmak için kısa tutulur. Bileşenlerin pimlerinde ısı emiciler kullanmazsanız, ısıyı dağıtabilecek izler veya dolgu alanlarıyla daha iyi termal bağlantılar olduğu için bileşenler daha serin kalabilir; ancak lehimleme ve lehim sökme işlemleri daha zor hale gelir.
#6 Tasarım Kurallarına Göre Düzeninizi Doğrulayın
PCB düzeni tamamlandıktan sonra, belirlediğiniz tüm kısıtlamaları karşıladığınızdan emin olmak için elektrik kuralları denetimi (ERC) ve tasarım kuralları denetimi (DRC) işlemlerini gerçekleştirmeniz önemlidir. Bu denetimler, boşluk genişliklerini, yol genişliklerini, genel üretim gerekliliklerini, yüksek hızlı elektriksel gereklilikleri ve özel uygulamanız için diğer fiziksel gereklilikleri belirlemeyi kolaylaştırır.
DRC denetimi, EDA yazılımı içinde yer alan ve tasarımı yazılımda tanımlanan kurallara göre kontrol etmekten sorumlu olan programdır. Bu, üretim süreci başlamadan önce tasarım sorunlarını tespit etmek için son şanstır.
Kaçınılması Gereken PCB Tasarım Hataları
PCB tasarım kılavuzlarında sıkça yapılan birçok hata vardır. Ancak, bu hatalardan kaçınırsanız, endüstri standartlarına uygun, montajı kolay ve arıza olasılığı düşük bir düzen oluşturma şansınız çok daha yüksek olacaktır. PCB düzeni tasarlarken yapılan en yaygın hatalara bir göz atalım.
– Çapraz İzler – PCB düzeni tasarlarken yapılan en büyük hatalardan biri, izlerin çaprazlamasıdır. Bunu ne pahasına olursa olsun önlemek istersiniz. Bir izi başka bir izle çaprazlayacak şekilde oluşturursanız, bu kısa devreye neden olur.
– Aşırı Uzun İzler – Ayrıca, gerekenden çok daha uzun izler oluşturmaktan da kaçınmalısınız. Bu, düzeninizi daha verimsiz hale getirir ve iz çok uzunsa sorunlara neden olabilir.
– Kısa, Dağınık İzler – İnsanların yaptığı bir başka hata da, birbirine bağlı çok sayıda kısa iz oluşturarak bir "ada" oluşturmaktır. Bu verimsizdir ve sorunlara neden olabilir.
– Eksik Toprak Yerleşimi – Tasarımınızda uygun bir toprak yerleşimi olduğundan da emin olmalısınız. Bu, tüm ağların toprak düzlemine bağlı olduğundan emin olmayı içerir.
– Çok Fazla Güç Düzlemi – Bir başka yaygın hata da çok fazla güç düzlemi oluşturmaktır. Bu, özellikle üst düzey tasarımlarda yaygındır. Ancak, daha fazla güç düzlemi maliyetinizi ve karmaşıklığı artıracaktır.
PCB Tasarımı Araçları
Gördüğünüz gibi, başarılı bir PCB düzeni oluşturmak zorlu bir iştir. Pek çok farklı faktörü göz önünde bulundurmanız ve çeşitli sorunları nasıl çözeceğinizi bilmeniz gerekir. Ayrıca size yardımcı olacak birkaç farklı araca da ihtiyacınız vardır. İşte en önemlilerinden birkaçı.
– Şematik – Devrenizin şematik çizimi, PCB düzeninizin nasıl görüneceğini belirler. Şematik çizimi yanlış yaparsanız, PCB düzeni de yanlış olur. Şematik çizimi oluştururken dikkatli olmanız gerekir. Devre ne kadar karmaşıksa, doğru bir şematik çizimi oluşturmak o kadar zor olur.
– CAD sistemi – Bu, baskılı devre kartlarını tasarlamak için kullanılan bir süreçtir. Baskılı devre kartının ana hatları, gereksinimlere göre düzenlenir. Kart üzerindeki farklı bileşenleri temsil etmek için çeşitli semboller kullanılır. Kartın ana hatları daha sonra bilgisayar destekli üretim (CAM) dosyasına dönüştürülür. Bu amaçla kullanılan bilgisayar destekli tasarım (CAD) yazılımı, CAM dosyalarını içe ve dışa aktarma özelliğine sahiptir.
Sonuç
Etkili bir baskılı devre kartı düzeni oluşturmak zorlu ve karmaşık bir iştir. Dikkatli olmazsanız, birçok hata yapabilir ve çok zaman kaybedebilirsiniz. Ancak, bu PCB düzeni kılavuzlarını takip ederek sağlam bir tasarım oluşturabilirsiniz. Montajı kolay ve arıza olasılığı düşük bir tasarım.
Sık Sorulan Sorular
- Sinyal hatlarının empedans uyumu;
- Diğer sinyal hatlarından uzamsal izolasyon;
- Dijital yüksek frekanslı sinyaller için diferansiyel hatlar daha iyi sonuç verir.
Hayır, ayrıştırma kondansatörleri uygun değerlerde ve uygun yerlere eklenmelidir. Ayrıca, farklı frekanslardaki parazit sinyalleri filtrelemek için farklı kapasitans değerleri kullanılmalıdır.
Gizli delikler, çok katmanlı kartların yoğunluğunu artırabilir, katman sayısını ve kart boyutunu azaltabilir ve kaplamalı deliklerin sayısını önemli ölçüde azaltabilir.
Bununla birlikte, karşılaştırıldığında, deliklerin uygulanması teknoloji açısından daha kolaydır ve maliyeti daha düşüktür, bu nedenle tasarımlarda genellikle delikler kullanılır.
Analog devreler ve dijital devreler birbirlerini etkilememeleri için ayrı alanlara yerleştirilmelidir.
Çok katmanlı bir kartın yerleşimini yaparken, güç ve toprak katmanları iç katmanda yer aldığı için, yüzer toprak veya güç katmanları bulunmadığından emin olun.
Ayrıca, topraklamaya açılan deliklerin gerçekten topraklama düzlemine bağlı olduğundan emin olun; böylece bazı önemli sinyaller için test noktaları eklenebilir ve bu da hata ayıklama sırasında ölçüm yapmayı kolaylaştırır.
