La progettazione di PCB ha un impatto notevole sulle prestazioni, l'integrità del segnale e l'affidabilità del prodotto finale. Soprattutto perché le schede di circuito odierne diventano più complesse, compatte e piccole, la progettazione del layout di PCB richiede molto lavoro e tempo. Problemi come interferenze elettromagnetiche, componenti malfunzionanti, danni alla scheda o persino guasti totali della scheda possono derivare da un layout di scheda di circuito non corretto. In questo articolo, sveleremo come progettare un layout di PCB passo dopo passo, alcuni suggerimenti utili per la progettazione e strumenti di progettazione comuni. Questi ti forniranno alcune conoscenze e informazioni di base per comprendere il layout di PCB.
Che cos'è il layout PCB?
Il layout PCB è il processo di progettazione delle posizioni dei componenti, dei percorsi delle tracce conduttive, delle larghezze delle tracce e di altri elementi su un circuito stampato per garantire che l'integrità del segnale del circuito stampato sia mantenuta e soddisfi la funzionalità richiesta, ottimizzando al contempo le dimensioni della scheda. Questo è il processo di traduzione dei concetti di progettazione in documenti concreti che possono essere utilizzati nella produzione di schede. Un layout di circuito stampato di successo consente prestazioni ottimali.
Come progettare il layout del PCB: spiegato passo dopo passo
Dalla comprensione delle specifiche elettriche richieste PCB alla documentazione finale, di seguito tratteremo i 10 passaggi per la progettazione di un layout PCB.
Passo 1: Comprendere i requisiti elettrici
Prima di progettare, dobbiamo comprendere i requisiti elettrici del circuito, come la tensione, i requisiti di corrente, i componenti richiesti, la frequenza del segnale, il tipo di segnale e così via.
Fase 2: Creazione dello schema
Uno schema è il progetto di layout di un circuito stampato per il posizionamento e l'allineamento dei componenti. È un modo logico di creare la rappresentazione di un circuito elettronico. I simboli vengono utilizzati come componenti e parametri diversi che compaiono nei diagrammi schematici e collegandoli con linee si denota la connessione. Questo viene quindi utilizzato per eseguire la simulazione del circuito per dimostrare che funziona elettricamente come previsto.
Fase 3: creare il layout del PCB
Converti gli schemi in layout PCB. Seleziona la dimensione e la forma appropriate del PCB, che tengano conto dello spazio per il montaggio, dei requisiti di dissipazione del calore e della compatibilità con altri PCB. I componenti sono mostrati come impronte con pad e linee di collegamento nel layout PCB. Puoi vedere come appariranno fisicamente i componenti e come saranno montati. Il software visualizza le linee aeree che mostrano le connessioni elettriche tra i componenti. Queste linee indicano come i pin di un componente devono essere collegati a un altro componente.
Fase 4: Progettare lo stack del PCB
È possibile scegliere il numero di strati richiesti a seconda di quanto è complesso il circuito. Fanno cose leggermente diverse in ogni strato. Lo strato isolante isola lo strato conduttivo per prevenire interferenze, mentre lo strato conduttivo trasmette potenza e segnali. Di conseguenza, quando la disposizione degli strati è stata determinata in modo sensato, i materiali degli strati vengono scelti, a seconda di come funzionano.
Fase 5: definire le regole e i requisiti di progettazione
Esistono molte regole di progettazione PCB e puoi impostare in modo flessibile le regole per adattarle al PCB che vuoi progettare. È necessario garantire la spaziatura dei fili e dei fori e la larghezza della traccia appropriata per soddisfare i requisiti di capacità di trasporto di corrente e impedenza. C'è abbastanza spazio per la saldatura dei componenti e le successive riparazioni. Inoltre, è necessario impostare regole pertinenti per consentire una produzione su larga scala in base alle capacità del produttore. Queste regole devono essere adattate in base alle condizioni effettive e sono vantaggiose per l'affidabilità e le prestazioni del PCB.
Fase 6: Posizionare i componenti
Ogni componente è posizionato secondo lo schema e il layout in modo che ogni componente sia nella giusta direzione. Si deve tenere conto della dissipazione del calore dei componenti ad alta potenza. Inoltre, il circuito può essere suddiviso in aree diverse a seconda delle funzioni. Riunire componenti che svolgono funzioni simili comporta una maggiore integrità del segnale e una minore interferenza.
Fase 7: Inserire i fori
I fori di perforazione per diversi tipi di componenti richiedono dimensioni e posizioni diverse. Per questa fase, dobbiamo pensare attentamente ai requisiti di installazione dei componenti. La tecnica di perforazione del PCB e la struttura di impilamento avranno un impatto sull'affidabilità e sulla qualità del PCB.
Passaggio 8: instradare le tracce
Il routing del PCB deve ridurre al minimo le interferenze, migliorare l'integrità del segnale e soddisfare requisiti quali impedenza e gestione termica. Il routing deve essere ottimizzato nella larghezza delle tracce, evitando angoli acuti e retti e spaziatura tra le tracce corretta.
Fase 9: Aggiungere etichette e marcature
L'aggiunta di etichette, marcature e identificazione dei componenti alle schede a circuito stampato è vantaggiosa per il successivo assemblaggio del PCB e migliora l'efficienza della produzione.
Passaggio 10: Generare i file
Prima che il progetto venga effettivamente consegnato, deve anche essere verificato tramite regole di progettazione per assicurarsi che il layout del circuito stampato sia fattibile. Quando il test viene superato, i file di progettazione possono essere creati per andare in produzione. Gerber I file contengono informazioni molto dettagliate sul PCB e fungono da importante ponte, collegando il progetto fisico con il circuito stampato finale ed effettivo.
6 consigli chiave per un layout perfetto del circuito stampato
Posizionamento dei componenti
Il posizionamento dei componenti richiede molte considerazioni, come l'integrità del segnale, l'interferenza elettromagnetica e la gestione termica. Dividere il circuito in diverse aree riduce l'interferenza diretta da diversi moduli funzionali. I componenti correlati possono essere combinati insieme e il layout della scheda di circuito è più chiaro, oltre che comodo per il cablaggio e il test. Combinare componenti ad alta velocità vicino e simultaneamente vicino all'alimentatore riduce il ritardo del segnale e abbassa il rumore.
Traccia larghezza e spaziatura
Una spaziatura corretta è molto importante per prevenire interferenze, diafonia e cortocircuiti tra tracce adiacenti. In generale, maggiore è la corrente, più ampia è la larghezza della traccia. Nel software di progettazione, ci sono utility per mantenere la corretta larghezza e spaziatura della traccia nel layout del PCB.
Serigrafia chiara e marcature di assemblaggio
Fornire chiare marcature e istruzioni sulla serigrafia, inclusi il nome, i parametri e altre informazioni di ogni componente, favorisce il corretto posizionamento dei componenti da parte degli addetti alla produzione durante il processo di assemblaggio. Allo stesso tempo, può anche aiutare il personale addetto alla manutenzione a identificare ed eseguire rapidamente la manutenzione.
Considerazioni sull'integrità del segnale
L'integrità del segnale è un fattore importante nei PCB ad alta velocità. Quando c'è un problema con l'integrità del segnale del PCB, il PCB non funzionerà come previsto. L'adattamento dell'impedenza, la diafonia e le riflessioni nel PCB possono causare distorsioni del segnale. Puoi scegliere un software di progettazione professionale per rilevare la progettazione del layout del PCB e garantire l'integrità del segnale.
Gestione termica
Per i componenti che generano molto calore, è necessario un design di dissipazione del calore per garantire che siano entro un intervallo di temperatura adatto. I fori passanti possono aiutare i componenti a dissipare il calore generato. Un dissipatore di calore è anche un metodo per trasferire calore a un mezzo di raffreddamento.
Controllo delle regole di progettazione
Le regole di progettazione PCB sono le regole che devono essere seguite per il layout PCB, che includono regole di progettazione elettrica, regole di progettazione fisica e regole di progettazione della spaziatura. Il programma di progettazione controlla la progettazione per assicurarsi che soddisfi le specifiche. Laddove non sia conforme, può essere ottimizzato e regolato in tempo per migliorare l'affidabilità della progettazione.
4 strumenti popolari per il layout delle schede PCB per ingegneri e progettisti
Progettista Altium
Questo è un software molto famoso per la progettazione di PCB. Fornisce una libreria di componenti robusta, un'interfaccia utente intuitiva e potenti capacità. Gli utenti alle prime armi troveranno questo software facile da usare, ed è utilizzato anche da utenti più esperti. C'è una funzione di visualizzazione 3D che mostra il contenuto della scheda in 3D mentre la progettazione della scheda è utile per verificare l'orientamento dei componenti della scheda. Fornisce anche un'interessante funzione per collaborare tra team che semplifica il lavoro dei team di progettazione e velocizza il processo di progettazione.
Cadenza Allegro
Un programma di progettazione assistita da computer chiamato Cadence Allegro velocizza il processo di progettazione automatizzando il cablaggio, acquisendo schemi e verificando le regole di progettazione. Ha la funzione di migliorare la producibilità ottimizzando il numero di fori praticati e il posizionamento dei componenti. Le funzionalità più avanzate del software sono la visualizzazione 3D e la capacità di verificare le regole di progettazione. Queste potrebbero migliorare l'affidabilità e la qualità della progettazione.
KiCad
KiCad è un software di progettazione open source gratuito. Questo software è più comunemente utilizzato da dilettanti e piccole aziende. Può scambiare rapidamente dati con progettisti che utilizzano una varietà di sistemi operativi, tra cui Windows, Linux e macOS. KiCad ha una comunità open source attiva in cui gli utenti possono scambiare e accedere ai dati di progettazione.
Facile EDA
È uno strumento di progettazione gratuito con utilizzo di pagine Web. La libreria di componenti è potente, consentendo agli utenti di trovare rapidamente i componenti di cui hanno bisogno e quindi di terminare il loro lavoro di progettazione. Le prestazioni di questo software, tuttavia, non sono adatte a progetti PCB complessi a causa delle sue funzioni limitate.
Parole conclusive
La progettazione del layout PCB è un processo complesso e critico. In generale, nella fase di progettazione del layout avrebbero dovuto essere considerati molteplici fattori quali prestazioni, costi, producibilità e così via. Data l'attuale tendenza alla miniaturizzazione e le grandi prestazioni dei dispositivi elettronici odierni, il layout PCB è progettato su schede più piccole, che presentano sfide maggiori e requisiti più elevati. È un processo rigoroso e costantemente innovativo, che svolge un ruolo chiave nello sviluppo del PCB.
