Nella progettazione e reverse engineering di prodotti elettronici, la progettazione del layout del PCB è un passo importante, che influisce direttamente sulle prestazioni del circuito. Creare un layout del PCB efficace è un compito impegnativo, soprattutto se non hai abbastanza esperienza in questo campo. In questo post, puoi conoscere le nostre linee guida per il layout del PCB per seguire tutte le migliori pratiche e gli standard.
Qual è il layout ideale del PCB?
Qual è esattamente il layout ideale del PCB? Beh, non è un progetto fisso; è un processo in continua evoluzione. Ogni progetto di circuito è diverso, e lo è anche il layout. Tuttavia, ci sono alcuni aspetti che tutti i layout di successo hanno in comune. Diamo un’occhiata ad alcuni di essi.
– Larghezza e lunghezza delle tracce – Se vuoi che il tuo circuito funzioni correttamente, devi assicurarti che le tue tracce abbiano la larghezza e la lunghezza corrette. Ciò significa che devi anche decidere dove posizionarle. La larghezza è fondamentale per l’ integrità del segnale digitale. Più piccola è la larghezza, meno è probabile che raccolga rumore e interferenze.
– Posizionamento della massa – Il posizionamento della massa nel tuo progetto di circuito è fondamentale. Innanzitutto, assicurati di avere connessioni di massa sufficienti. Successivamente, assicurati che siano tutte collegate e alla massa analogica comune.
– Posizionamento del segnale – Il posizionamento dei segnali nel tuo progetto è anche estremamente importante. Assicurati che i segnali siano instradati in una direzione “dall’interno verso l’esterno”. Ciò significa che inizi con i segnali più importanti e procedi verso quelli meno importanti. Se utilizzi un grafico gerarchico per il progetto, sarà molto più facile.
– Distribuzione dell’alimentazione – Anche la distribuzione dell’alimentazione è importante. Devi assicurarti che tutte le aree ad alta potenza e alta corrente abbiano una connessione alla massa. Ciò include i circuiti di alimentazione, nonché le tracce ad alta corrente.
#1 Seleziona la strategia di progettazione prima del layout
Prima di iniziare il layout, devi decidere la tua strategia di progettazione. Ciò include cose come il numero di livelli, la larghezza delle tracce e la quantità di rame che utilizzerai. Per fare ciò, devi avere un’idea chiara di cosa fa il circuito e di cosa deve fare. Inoltre, devi conoscere i limiti del processo di fabbricazione del PCB. Di seguito sono riportate alcune strategie diverse che puoi utilizzare nel layout della tua scheda di circuito:
– Routing standard – Il routing standard è la strategia di progettazione più comune. Lo usi quando non hai requisiti speciali per la tua scheda di circuito.
– Micro-routing – Se hai bisogno di tracce molto piccole e connessioni molto corte, vorrai utilizzare il micro-routing.
– Tree routing – Se hai bisogno di un gran numero di connessioni che devono essere distribuite in modo efficiente, vorrai utilizzare il tree routing. Il tree routing è comunemente utilizzato su schede di fascia alta con un gran numero di segnali.
#2 Stabilisci le strategie di footprint
Dopo aver deciso la tua strategia di progettazione, devi stabilire le strategie di footprint per la tua scheda. Devi decidere dove andrai a posizionare i componenti sulla scheda. Devi creare un footprint per ogni componente e posizionarli sulla scheda in modo sensato. Ciò include assicurarsi che i componenti siano posizionati vicino alle connessioni. Non vuoi creare un layout che richieda che la scheda del circuito sia posizionata in una posizione specifica. Ciò renderebbe più difficile l’assemblaggio e l’utilizzo del prodotto.
#3 Regole di posizionamento dei componenti PCB
1. dispositivo di protezione dell'interfaccia
Per il dispositivo di protezione dell’interfaccia, dovresti posizionarlo il più vicino possibile all’interfaccia. Inoltre, il diverso requisito di posizionamento dei componenti:
L’ordine generale dei dispositivi di protezione da fulmini dei circuiti di alimentazione: varistori, fusibili, diodi di soppressione, filtri EMI, induttori o induttori in modo comune.
Generalmente, l’ordine dei dispositivi di protezione per i segnali di interfaccia: ESD (tubo TVS), trasformatore di isolamento, induttore in modo comune, condensatore e resistore.
2. Spaziatura dei componenti
Spaziatura minima consigliata tra i componenti:
- La spaziatura tra i bordi dei pad dei piccoli componenti RC è >0,3~0,7 mm;
- Tra gli altri componenti chip, tra SOT, tra SOIC e componenti chip è 1 ~ 1,25 mm;
- Tra SOIC e tra SOIC e QFP è 1,5-2,0 mm;
- La distanza tra PLCC e componenti chip, tra SOIC e QFP è 2-2,5 mm;
- 3~4 mm tra PLCC.
- La distanza tra l’esterno del pad del componente plug-in e l’esterno del pad del componente chip è maggiore di 1,5-2 mm;
- La spaziatura dei bordi dei pad tra i componenti plug-in che sono stati saldati ad onda è maggiore di 1-2 mm;
- La distanza tra BGA e i componenti adiacenti è maggiore di 3-5 mm.
3. Dispositivi suscettibili a interferenze
I dispositivi suscettibili a interferenze ESD, come i dispositivi NMOS e CMOS, devono essere tenuti il più lontano possibile dalle aree suscettibili a interferenze ESD (come l’area del bordo di una singola scheda).
4. Layout del dispositivo di clock
- Cristalli, oscillatori di cristallo e distributori di clock devono essere il più vicino possibile ai dispositivi IC correlati;
- Il filtro del circuito di clock (prova a utilizzare il filtro di tipo “Ω”) deve essere vicino al pin di ingresso dell’alimentazione del circuito di clock;
- Se l’uscita dell’oscillatore di cristallo e del distributore di clock è collegata in serie con una resistenza da 22 ohm;
- Se i pin di uscita inutilizzati del distributore di clock sono collegati a terra tramite resistori;
- Il layout di cristalli, oscillatori di cristallo e distributori di clock deve essere tenuto lontano da componenti ad alta potenza, dissipatori di calore e altri dispositivi che generano calore;
- Se l’oscillatore di cristallo è a più di 2,54 cm dal bordo della scheda e dal dispositivo di interfaccia.
5. Condensatori e filtri
- Il condensatore deve essere posizionato vicino al pin di alimentazione e più piccola è la capacità, più vicino al pin di alimentazione;
- Il filtro EMI deve essere vicino alla porta di ingresso dell’alimentazione del chip;
- In linea di principio, ogni pin di alimentazione ha un piccolo condensatore da 0,1 uf e uno o più condensatori di grandi dimensioni da 10 uf per un circuito integrato, che può essere aumentato o diminuito a seconda della situazione specifica.
#4 Regole di routing PCB
Le regole di routing della PCB sono le linee guida che i progettisti utilizzano per determinare il posizionamento e il routing delle tracce su una scheda a circuito stampato. Queste regole aiutano a garantire che la PCB finita funzioni correttamente e soddisfi tutte le specifiche elettriche richieste. Esistono una varietà di diverse regole di routing che possono essere utilizzate e le regole specifiche che vengono seguite dipenderanno dal particolare progetto e dai requisiti del progetto.
1. Connessione di traccia, segnale e alimentazione
Ci sono alcune cose chiave da tenere a mente quando si eseguono il routing delle PCB:
– Assicurati che le larghezze delle tue tracce siano appropriate per la corrente che trasporterai. Una traccia troppo stretta risulterà in un calore eccessivo e un potenziale guasto; una traccia troppo larga sarà inutilmente costosa.
– Sii consapevole dei diversi tipi di piani di rame e di come possono essere utilizzati a tuo vantaggio. I piani di alimentazione e di massa, ad esempio, possono essere molto utili per mantenere al minimo il rumore e le diafonia.
– Assicurati di tenere conto dei diversi requisiti di impedenza dei segnali digitali e analogici. I segnali digitali devono essere instradati con tracce a bassa impedenza per ridurre al minimo riflessioni e diafonia, mentre i segnali analogici possono essere instradati con tracce più spesse e a impedenza più elevata.
– Presta attenzione alla spaziatura tra le tracce, soprattutto quando si instradano segnali ad alta velocità. La spaziatura tra le tracce influisce sulla capacità delle tracce, che a sua volta influisce sull’integrità del segnale.
– Considera l’utilizzo di vias per instradare i segnali tra diversi strati della PCB. Questo può essere utile per ridurre al minimo la lunghezza delle tracce e ridurre le diafonia.
– Assicurati di avere uno spazio adeguato attorno ai pin di alimentazione e di massa. Queste aree possono essere suscettibili di archi e problemi termici, quindi è importante mantenerle libere.
Seguendo queste semplici linee guida, puoi assicurarti che le tue PCB siano instradate correttamente e funzionino come previsto.
2. Connessione Kelvin
Le connessioni Kelvin, note anche come connessioni di forza e rilevamento, sono un modo conveniente per eliminare gli effetti delle cadute di tensione sui fili nei circuiti.
Anche se su uno schema elettrico potrebbe sembrare la stessa cosa posizionare la connessione su un pad resistivo o su un punto arbitrario, la traccia effettiva ha induttanza e resistenza e può causare il fallimento delle misurazioni se non si utilizza una connessione Kelvin.
#5 Problema di riscaldamento
1. Layout termico
Ci sono tre aspetti principali del calore nella PCB:
- dissipazione del calore attraverso le piastre dei componenti;
- il calore della PCB stessa;
- calore da altre parti.
Posizionare rame extra attorno ai componenti a montaggio superficiale fornisce una superficie aggiuntiva per dissipare il calore in modo più efficiente. Alcune schede tecniche dei componenti (in particolare diodi di potenza e MOSFET di potenza o regolatori di tensione) hanno linee guida per l’utilizzo della superficie della PCB come dissipatore di calore.
2. Vias termici e scarico termico
I vias possono essere utilizzati per trasferire il calore da un lato della PCB all’altro. Questo è particolarmente utile quando la PCB è montata su un dissipatore di calore su un telaio che può dissipare ulteriormente il calore. I vias di grandi dimensioni trasferiscono il calore in modo più efficiente rispetto ai vias di piccole dimensioni. Molti vias trasferiscono il calore in modo più efficiente di un via e riducono la temperatura di esercizio del componente. Le temperature di esercizio più basse aiutano a migliorare l’affidabilità.
Il sollievo termico rende più piccole le connessioni tra le tracce o i pad e i pin dei componenti per facilitare il processo di saldatura a onda. Questa piccola connessione è breve per ridurre l’effetto sulla resistenza. Se non si utilizzano dissipatori di calore sui pin dei componenti, i componenti potrebbero essere più freddi perché ci sono connessioni termiche migliori a tracce o riempitivi che possono dissipare il calore, ma sarà più difficile saldare e dissaldare.
#6 Verifica il tuo layout tramite regole di progettazione
Dopo che il layout della PCB è stato completato, è importante assicurarsi che il controllo delle regole elettriche (ERC) e il controllo delle regole di progettazione (DRC) siano eseguiti per verificare di aver soddisfatto tutti i vincoli stabiliti. Rendono semplice specificare le larghezze degli spazi, le larghezze delle tracce, i requisiti di fabbricazione comuni, i requisiti elettrici ad alta velocità e altri requisiti fisici per la tua particolare applicazione.
Il controllo DRC è il programma all’interno del software EDA responsabile della verifica del progetto rispetto alle regole definite all’interno del software. È l’ultima possibilità per individuare problemi di progettazione prima dell’inizio del processo di fabbricazione.
Errori di layout PCB da evitare
Ci sono molti errori comuni che le persone commettono nelle linee guida di progettazione PCB. Tuttavia, se li eviti, avrai molte più possibilità di creare un layout che segua gli standard del settore, sia facile da assemblare e abbia una bassa probabilità di guasto. Diamo un’occhiata agli errori più comuni che le persone commettono quando progettano un layout PCB.
– Tracce incrociate – Uno degli errori più grandi che le persone commettono quando progettano un layout PCB è incrociare le tracce. Vuoi evitare questo a tutti i costi. Se crei una traccia che incrocia un’altra traccia, causerà un cortocircuito.
– Tracce extra lunghe – Vuoi anche evitare di creare tracce che siano molto più lunghe del necessario. Questo renderà il tuo layout meno efficiente e può causare problemi se la traccia è troppo lunga.
– Tracce distribuite corte – Un altro errore che le persone commettono è creare un gran numero di tracce corte collegate tra loro in un modo che crea un “isola”. Questo è inefficiente e può causare problemi.
– Mancanza di posizionamento della massa – Vuoi anche assicurarti di avere un corretto posizionamento della massa nel tuo progetto. Ciò include assicurarsi che tutte le reti siano collegate al piano di massa.
– Avere troppi piani di alimentazione – Un altro errore comune è creare troppi piani di alimentazione. Questo è particolarmente comune nei progetti di fascia alta. Tuttavia, più piani di alimentazione aumenteranno i tuoi costi e la tua complessità.
Strumenti per il layout PCB
Come puoi vedere, creare un layout PCB di successo è un compito impegnativo. Devi prendere in considerazione molti fattori diversi e devi sapere come risolvere molti tipi diversi di problemi. Hai anche bisogno di alcuni strumenti diversi per aiutarti. Ecco alcuni dei più importanti.
– Schematic – Lo schema elettrico per il tuo circuito determina l’aspetto del tuo layout PCB. Se sbagli lo schema elettrico, sbaglierai il layout PCB. Devi essere cauto quando crei lo schema elettrico. Più complicato è il circuito, più difficile è creare uno schema elettrico corretto.
– CAD system – Questo è un processo per la progettazione di circuiti stampati. Il contorno di una scheda a circuito stampato viene disposto in base ai requisiti. Vari simboli vengono utilizzati per rappresentare diversi componenti sulla scheda. Il contorno della scheda viene quindi convertito in un file di produzione assistita da computer (CAM). Il software di progettazione assistita da computer (CAD) utilizzato a tale scopo ha la capacità di importare ed esportare file CAM.
Conclusione
Creare un layout di scheda a circuito stampato efficace è un compito impegnativo e complicato. Se non fai attenzione, puoi commettere molti errori e sprecare molto tempo. Tuttavia, seguendo queste linee guida per il layout PCB, puoi creare un progetto solido, facile da assemblare e con una bassa probabilità di guasto.
FAQ
- Corrispondenza di impedenza delle linee di segnale;
- Isolamento spaziale da altre linee di segnale;
- Per i segnali digitali ad alta frequenza, le linee differenziali funzionano meglio.
No, i condensatori di disaccoppiamento devono essere aggiunti con valori appropriati in posizioni appropriate. E devono essere utilizzati diversi valori di capacità per filtrare i segnali spuri di diverse frequenze.
Le microvias possono aumentare la densità delle schede multistrato, ridurre il numero di strati e le dimensioni della scheda e ridurre notevolmente il numero di fori placcati.
Tuttavia, in confronto, i fori passanti sono facili da implementare in termini di tecnologia e hanno un costo inferiore, quindi i fori passanti vengono generalmente utilizzati nei progetti.
I circuiti analogici e digitali devono essere posizionati in aree separate in modo che non si influenzino a vicenda.
Quando si dispone una scheda multistrato, assicurarsi di non avere piani di massa o di alimentazione fluttuanti, perché i piani di alimentazione e di massa si trovano sullo strato interno.
Inoltre, assicurarsi che le microvias praticate a massa siano effettivamente collegate al piano di massa, in modo da poter aggiungere alcuni punti di test per alcuni segnali importanti, il che è comodo per la misurazione durante il debug.
