طراحی برد الکترونیکی: نکات ضروری برای یک طراحی بی نقص

درک نحوه طراحی برد الکترونیکی و مدار های چاپی PCB یکی از جنبه های اساسی قطعات الکترونیکی در سال های اخیر می باشد. اگر می خواهید یک کامپیوتر شخصی یا یک دستگاه الکترونیکی دیگر بسازید، باید با این صفحات سبز رنگ برد های الکترونیکی و نحوه کار آنها آشنا شوید.

اما وقتی نوبت به طراحی و ایجاد مدار های چاپی PCB می رسد، این روند آنطور که شما فکر می کنید ساده نخواهد بود. اگر به دنبال بهینه سازی برد خود هستید، پیچیدگی های زیادی در طراحی برد الکترونیکی وجود دارد که باید مورد توجه قرار گیرد.

خوشبختانه کارشناسان ما در این مقاله برخی از مهم ترین بخش های طراحی برد الکترونیکی را بیان کرده اند تا مجبور نباشید به تنهایی آن را انجام دهید. این راهنما نکات و ترفند های ضروری را به شما نشان می دهد که هنگام طراحی و ایجاد مدار های چاپی PCB باید به خاطر داشته باشید.

10 نکته مهم برای طراحی برد الکترونیکی

به طور کلی طراحی برد الکترونیکی به چندین مرحله تقسیم می شود که همه آنها برای رسیدن به هدفی که هر طراح برای خود تعیین می کند، مهم و ضروری است. طراحی و ایجاد مدار های چاپی که بتوانند تمام عملکرد های مورد نیاز یک طراح را انجام دهند، بسیار مطلوب است.

پس از انتخاب مواد و ساختار فیزیکی PCB یعنی تعداد لایه ها و جمع کردن، مرحله بعدی شامل موقعیت یابی اجزا، توزیع بین لایه های مختلف و مسیر یابی آثار است. در این بخش این مراحل را تجزیه و تحلیل می کنیم و نکاتی را ارائه می دهیم که می تواند یکی از ظریف ترین و از برخی جهات رضایت بخش ترین مراحل طراحی برد الکترونیکی بوده و آن را ساده تر می کند.

1.  طراحی مسیریابی دستی یا اتوماتیک؟

تمام نرم افزار های طراحی و ایجاد مدار های چاپی PCB شامل یک ویژگی مسیریابی خودکار هستند. کسانی که اولین قدم های خود را در این زمینه بر می دارند، اغلب بر این باورند که autorouter ابزاری خطاناپذیر است و قادر به حل هرگونه مشکل اتصال می باشد.

در واقع، هیچ مسیریاب خودکاری نمی تواند به طور کامل جایگزین مهارت ها، تجربه و انعطاف پذیری یک طراح دستی شود. به جای تکیه کامل بر این ویژگی نرم افزار، طراحان باید از آن برای صرفه جویی در وقت در ردیابی اتصالات ساده و مستقیم استفاده کنند یا فقط بررسی کنند که این ابزار چه راه حلی را پیشنهاد می کند. گاهی اوقات ممکن است این پیشنهاد بهترین گزینه باشد، در مواقعی دیگر ممکن است نیاز به چند اصلاح جزئی داشته باشد.

2.  به طور مناسب عرض ردیابی را انتخاب کنید.

هندسه مسیریابی یعنی ضخامت و عرض مسیر ها، برای اطمینان از عملکرد صحیح مدار در همه شرایط محیطی و بار از اهمیت اساسی در طراحی برد الکترونیکی برخوردار است. آثار PCB برای حمل سیگنال های الکتریکی استفاده می شود و بنابراین باید دارای عرض سازگار با جریان عبوری از آنها باشد.

طراحان برد های چاپی باید حداقل عرض هر ردیابی را تعیین کنند تا از گرم شدن خطرناک مدار های چاپی PCB جلوگیری شود. این پارامتر به طور مستقیم بر روند مسیریابی تاثیر می گذارد، زیرا فضای موجود در تخته PCB را کاهش می دهد؛ بنابراین حداقل عرض باید قبل از قرار دادن آثار، با استفاده از یکی از چندین ابزار های ماشین حساب تخصصی تعیین شود.

این ابزارها با وارد کردن ضخامت، جریان و حداکثر افزایش دمای قابل قبول، حداقل عرض ردیابی را برمی گردانند. ضخامت ردیابی در تخته PCB در اونس مس اندازه گیری می شود که مربوط به میزان ضخامتی است که با توزیع یکنواخت یک اونس مس در مساحت یک فوت مربع به دست می آید. این ضخامت 1.4 هزارم اینچ است.

تخته PCB های استاندارد از ضخامت های 1 یا 2 اونس مس استفاده می کنند اما برای کاربرد های با شدت بالا این مقدار می تواند تا 6 اونس نیز برسد. اگر در میزان فضای موجود برای طراحی برد الکترونیکی مشکلی نیست، توصیه می شود از آثار با عرض بیشتر از استاندارد استفاده کنید تا در نتیجه مدیریت حرارتی و قابلیت اطمینان برد بهبود حاصل شود. همچنین به خاطر داشته باشید که آثار روی لایه های بیرونی، تبادل حرارتی بهتری ایجاد می کند؛ بنابراین ممکن است عرض کوچکتری داشته باشند.

3.  آثار آنالوگ و دیجیتال را از هم جدا نگه دارید.

در طراحی برد الکترونیکی، آثار PCB که سیگنال های دیجیتالی را حمل می کنند، به ویژه اگر در فرکانس بالا باشد، باید از آنهایی که سیگنال های آنالوگ را حمل می کنند، جدا نگه داشته شود. سیگنال های دیجیتالی مانند گذرگاه آدرس یا داده، اغلب در مسیر های موازی حرکت می کنند که اغلب با خطر ایجاد اتصال های خازنی و تداخل بین سیگنال ها مواجه می شوند.

این امر باعث ایجاد نویز می شود، پدیده ای موذیانه و اغلب دشوار که بدون ایجاد تغییر در PCB حل می شود؛ بنابراین توصیه می شود که آثار دیجیتالی با فرکانس بالا را از ردیابی هایی که نمی خواهید تحت تاثیر نویز قرار گیرند، دور نگه دارید.

4.  استفاده از پلن های زمینی

برای هر یک از قطعات الکترونیکی، حداقل یک تخته PCB مورد نیاز است، زیرا برای همه آثار، نقطه مرجع یکسانی برای اندازه گیری ولتاژ فراهم می شود. برعکس، اگر مسیر هر یک را در مکان های مختلف صفحه انتخاب کنید، تعداد بیشماری اتصالات مختلف به زمین خواهید داشت که هر کدام مقاومت و افت ولتاژ خود را دارند.

ساده ترین و خطی ترین راه حل برای ایجاد یک سطح کوچک و بدون تاخیر در طراحی برد الکترونیکی، قرار دادن پلن زمینی زیر آثاری که سیگنال ها را حمل می کند، است که به کاهش امپدانس آنها کمک کرده و ایمنی نویز را بهبود می بخشند.

5.  فاصله کافی بین آثار ایجاد کنید.

در طراحی برد الکترونیکی بسیار مهم است که فضای کافی بین آثار و پد های PCB ذخیره شود. این امر از وقوع اتصال کوتاه در مراحل تولید یا مونتاژ PCB جلوگیری می کند. به عنوان یک قاعده کلی، توصیه می شود بین هر اثر و پد مجاور فاصله ای بین 0.007 تا 0.0010 اینچ باقی بگذارید. همین قاعده در مورد سوراخ های نصب نیز صادق است. برای جلوگیری از خطر برق گرفتگی، همیشه باید فضای کافی در اطراف آنها، عاری از آثار یا لنت وجود داشته باشد. در حقیقت، ماسک لحیم کاری به تنهایی برای ایجاد عایق کافی برای جلوگیری از این خطر کافی نیست.

6.  جهت درست ردیابی متناوب

ما به عنوان یک طراح مدار های چاپی PCB، می دانیم که اتصالات بین اجزا باید تا حد امکان کوتاه و مستقیم ایجاد شود. اگر اکثر آثار روی یک لایه و جهت خاصی پیروی می کنند، ترجیحا باید آثار روی لایه مجاور آن در جهت عمود قرار بگیرد. این امر به کاهش پدیده های متقابل بین نویز ها کمک می کند.

7.  از اتصال خازنی خودداری کنید.

برای کاهش اتصال خازنی تولید شده در اثر سطوح بالای و پایین، لازم است اطمینان حاصل شود که آثار اختصاص داده شده به قدرت و سیگنال های آنالوگ بر روی لایه های اختصاصی چیده شده اند. در زمان طراحی برد الکترونیکی، همیشه باید امکان جدا کردن خازن ها و اجزای قوی و نسبتا ارزان، برای جداسازی خطوط برق و جبران تحمل اجزای اجتناب ناپذیر بردها وجود داشته باشد. آثار آنها باید بسیار کوتاه بوده و تا حد امکان نزدیک به پایانه های برق قطعات قرار گیرد.

8.  استفاده از ویاس و پد های حرارتی

پد های حرارتی نقش مهمی در کاربرد های لحیم کاری موج روی قطعات الکترونیکی با محتوای بالای مس یا روی تخته های چند لایه ایفا می کنند. به منظور بهبود مدیریت حرارتی، همیشه توصیه می شود از پد های حرارتی روی اجزای تخته PCB استفاده کنید، بنابراین فرآیند لحیم کاری را ساده کرده و اتلاف گرما را بهبود می بخشد.

 به عنوان یک قاعده کلی توصیه می شود هر زمان که اثری یا حفره ای به زمین یا صفحه قدرت متصل می شود، یک پد حرارتی وارد کنید. ویاس حرارتی نیز بسیار مهم است، زیرا آنها می توانند نه تنها یک اتصال الکتریکی بین لایه ها، بلکه ابزاری برای انتقال گرما از داغ ترین اجزا به خارج ارائه دهند. با قرار دادن ویاس های حرارتی زیر یک تراشه، دمای کارکرد قطعه کاهش می یابد و قابلیت اطمینان و دوام مدار را بهبود می بخشد.

9.  آثار زمین و نیرو

در طراحی برد الکترونیکی، باید آثار مرتبط با سیگنال های قدرت و زمین باید ضخیم تر از آثار حامل سیگنال های دیجیتال یا آنالوگ در نظر گرفته شود. این کار به آنها اجازه می دهد تا مقدار بیشتری جریان را حمل کنند و حتی با یک آزمایش ساده نیز به راحتی قابل تشخیص هستند و احتمال اتصال نادرست بین سیگنال ها و خطوط برق را کاهش می دهند.

10.  از زوایای 90 درجه اجتناب کنید.

طراحان برد های چاپی می دانند که چگونه زوایای حاد و منحنی های راست زاویه در فرکانس های بالا دارای مشکل هستند و ناپیوستگی هایی ایجاد می کند که می تواند با افزایش تقاطع، تشعشع و بازتاب ها، یکپارچگی سیگنال را به خطر بیاندازند؛ بنابراین توصیه می شود که به جای استفاده از زوایای 90 درجه، از دو زاویه 45 درجه استفاده شود.