PCB-ontwerp heeft een grote impact op de prestaties, signaalintegriteit en betrouwbaarheid van het eindproduct. Vooral omdat de huidige printplaten complexer, compacter en kleiner worden, vergt PCB-layoutontwerp veel werk en tijd. Problemen zoals elektromagnetische interferentie, defecte componenten, schade aan de printplaat of zelfs een totale uitval van de printplaat kunnen het gevolg zijn van een onjuiste printplaatlayout. In dit artikel onthullen we stap voor stap hoe u een PCB-layout ontwerpt, enkele nuttige tips voor het ontwerpen en algemene ontwerptools. Deze geven u wat kennis en achtergrond om PCB-layout te begrijpen.
Wat is PCB-lay-out?
PCB-layout is het proces van het ontwerpen van componentlocaties, geleidende tracepaden, tracebreedtes en andere elementen op een printplaat om ervoor te zorgen dat de signaalintegriteit van de printplaat behouden blijft en voldoet aan de vereiste functionaliteit, terwijl de grootte van de printplaat wordt geoptimaliseerd. Dit is het proces van het vertalen van ontwerpconcepten naar concrete documenten die kunnen worden gebruikt bij de productie van borden. Een succesvolle printplaatlayout zorgt voor optimale prestaties.
Hoe u een PCB-layout ontwerpt: stap voor stap uitgelegd
Vanuit het begrijpen van de elektrische specificaties van de vereiste PCB Tot slot bespreken we hieronder de 10 stappen voor het ontwerpen van een PCB-layout.
Stap 1: Begrijp de elektrische vereisten
Voordat we beginnen met ontwerpen, moeten we inzicht hebben in de elektrische vereisten van het circuit, zoals de spanning, de stroomvereisten, de benodigde componenten, de signaalfrequentie, het signaaltype, enzovoort.
Stap 2: Het schema maken
Een schema is een blauwdruk van een printplaat voor de plaatsing en uitlijning van componenten. Het is een logische manier om een weergave van een elektronisch circuit te maken. Symbolen worden gebruikt als verschillende componenten en parameters in schematische diagrammen verschijnen en door ze met lijnen te verbinden, wordt de verbinding aangegeven. Dit wordt vervolgens gebruikt om een circuitsimulatie uit te voeren om aan te tonen dat het elektrisch werkt zoals verwacht.
Stap 3: PCB-layout maken
Converteer schema's naar PCB-lay-outs. Selecteer de juiste PCB-grootte en -vorm, rekening houdend met de ruimte voor montage, warmteafvoervereisten en pasvorm met andere PCB's. Componenten worden weergegeven als footprints met pads en verbindingslijnen in de PCB-lay-out. U kunt zien hoe de componenten er fysiek uitzien en worden gemonteerd. De software geeft luchtlijnen weer die de elektrische verbindingen tussen componenten weergeven. Deze lijnen geven aan hoe de pinnen van een component moeten worden aangesloten op een andere component.
Stap 4: Ontwerp PCB-stapeling
U kunt het aantal benodigde lagen kiezen, afhankelijk van hoe complex het circuit is. Ze doen in elke laag iets andere dingen. De isolerende laag isoleert de geleidende laag om interferentie te voorkomen, terwijl de geleidende laag vermogen en signalen doorgeeft. Wanneer de rangschikking van de lagen verstandig is bepaald, worden de materialen van de lagen gekozen, afhankelijk van hoe ze presteren.
Stap 5: Stel ontwerpregels en -vereisten vast
Er zijn veel PCB-ontwerpregels en u kunt de regels flexibel instellen om ze aan te passen aan de PCB die u wilt ontwerpen. Het is noodzakelijk om de draad- en gatafstand en de juiste spoorbreedte te garanderen om te voldoen aan de vereisten van stroomdraagvermogen en impedantie. Er is voldoende ruimte voor het solderen van componenten en daaropvolgende reparaties. Daarnaast moeten relevante regels worden ingesteld om grootschalige productie mogelijk te maken op basis van de mogelijkheden van de fabrikant. Deze regels moeten worden aangepast aan de werkelijke omstandigheden en zijn gunstig voor de betrouwbaarheid en prestaties van de PCB.
Stap 6: Plaats componenten
Elk onderdeel wordt geplaatst volgens het schema en de lay-out om elk onderdeel in de juiste richting te hebben. Er moet rekening worden gehouden met de warmteafvoer van componenten met een hoog vermogen. Ook kan het circuit worden verdeeld in verschillende gebieden, afhankelijk van de functies. Het samenbrengen van componenten die vergelijkbare functies uitvoeren, resulteert in een verhoogde signaalintegriteit en verminderde interferentie.
Stap 7: Boorgaten plaatsen
De boorgaten voor verschillende soorten componenten vereisen verschillende maten en locaties. Voor deze stap moeten we goed nadenken over de installatievereisten voor componenten. PCB-boortechniek en stapelstructuur hebben invloed op de betrouwbaarheid en kwaliteit van de PCB.
Stap 8: Routeer de sporen
PCB-routering moet interferentie minimaliseren, signaalintegriteit verbeteren en voldoen aan vereisten, zoals impedantie en thermisch beheer. Routing moet worden geoptimaliseerd in de breedte van de sporen, scherpe hoeken en rechte hoeken vermijden en de afstand tussen sporen rechts.
Stap 9: Labels en markeringen toevoegen
Het toevoegen van labels, markeringen en componentidentificatie aan printplaten is gunstig voor de latere PCB-assemblage en verbetert de productie-efficiëntie.
Stap 10: Bestanden genereren
Voordat het ontwerp daadwerkelijk wordt afgeleverd, moet het ook worden gecontroleerd door middel van ontwerpregels om er zeker van te zijn dat de lay-out van het circuitbord haalbaar is. Wanneer de test is geslaagd, kunnen ontwerpbestanden worden gemaakt om in productie te gaan. Gerber Bestanden bevatten zeer gedetailleerde informatie over de PCB en fungeren als een belangrijke brug die het fysieke ontwerp verbindt met de uiteindelijke, daadwerkelijke printplaat.
6 belangrijke tips voor een perfecte printplaatlay-out
Componentplaatsing
Componentplaatsing vereist veel overwegingen, zoals signaalintegriteit, elektromagnetische interferentie en thermisch beheer. Het verdelen van het circuit in verschillende gebieden vermindert directe interferentie van verschillende functionele modules. Verwante componenten kunnen worden gecombineerd en de lay-out van de printplaat is duidelijker en handig voor bedrading en testen. Het combineren van hogesnelheidscomponenten dicht bij en tegelijkertijd dicht bij de voeding vermindert signaalvertraging en verlaagt ruis.
Spoorbreedte en afstand
De juiste afstand is erg belangrijk om interferentie, overspraak en kortsluitingen tussen aangrenzende sporen te voorkomen. Over het algemeen geldt: hoe groter de stroom, hoe breder de spoorbreedte. In ontwerpsoftware zijn er hulpprogramma's om de juiste spoorbreedte en afstand in de PCB-lay-out te behouden.
Duidelijke zeefdruk- en montagemarkeringen
Het verstrekken van duidelijke markeringen en instructies op de zeefdruk, inclusief de naam, parameters en andere informatie van elk onderdeel, is bevorderlijk voor de juiste plaatsing van onderdelen door productiemedewerkers tijdens het assemblageproces. Tegelijkertijd kan het onderhoudspersoneel helpen om snel onderhoud te identificeren en uit te voeren.
Overwegingen met betrekking tot signaalintegriteit
Signaalintegriteit is een belangrijke factor in high-speed PCB's. Wanneer er een probleem is met de signaalintegriteit van de PCB, zal de PCB niet werken zoals verwacht. Impedantieaanpassing, overspraak en reflecties in de PCB kunnen signaalvervorming veroorzaken. U kunt professionele ontwerpsoftware kiezen om het PCB-lay-outontwerp te detecteren en de signaalintegriteit te garanderen.
Thermisch beheer
Voor componenten die veel warmte genereren, is een warmteafvoerontwerp vereist om ervoor te zorgen dat ze binnen een geschikt temperatuurbereik vallen. Doorlopende gaten kunnen componenten helpen de gegenereerde warmte af te voeren. Een koellichaam is ook een methode om warmte over te brengen naar een koelmedium.
Controle van ontwerpregels
PCB-ontwerpregels zijn de regels die gevolgd moeten worden voor PCB-lay-out, waaronder elektrische ontwerpregels, fysieke ontwerpregels en afstandsontwerpregels. Het ontwerpprogramma controleert het ontwerp om er zeker van te zijn dat het voldoet aan de specificaties. Als het niet voldoet, kan het worden geoptimaliseerd en op tijd worden aangepast om de betrouwbaarheid van het ontwerp te verbeteren.
4 populaire PCB-bordlay-outtools voor ingenieurs en ontwerpers
Altium-ontwerper
Dit is een zeer bekende software voor het ontwerpen van PCB's. Het biedt een robuuste componentenbibliotheek, een intuïtieve gebruikersinterface en krachtige mogelijkheden. Beginnende gebruikers zullen deze software gemakkelijk te gebruiken vinden en het wordt ook gebruikt door meer ervaren gebruikers. Er is een 3D-visualisatiefunctie die de inhoud van het bord in 3D weergeeft terwijl het ontwerpen van het bord nuttig is om de oriëntatie van de componenten van het bord te verifiëren. Het biedt ook een interessante functie voor samenwerkende teams die het voor ontwerpteams gemakkelijker maakt om samen te werken en het ontwerpproces te versnellen.
Cadans Allegro
Een computerondersteund ontwerpprogramma genaamd Cadence Allegro versnelt het ontwerpproces door bedrading te automatiseren, schema's te verkrijgen en ontwerpregels te verifiëren. Het heeft als functie de maakbaarheid te verbeteren door het aantal geboorde gaten en de positionering van componenten te optimaliseren. De meer geavanceerde functies van de software zijn 3D-visualisatie en de mogelijkheid om ontwerpregels te verifiëren. Deze kunnen de betrouwbaarheid en kwaliteit van het ontwerp verbeteren.
kicad
KiCad is een open-source ontwerpsoftware die gratis te gebruiken is. Deze software wordt vaker gebruikt door amateurs en kleine bedrijven. Het kan snel gegevens uitwisselen met ontwerpers die verschillende besturingssystemen gebruiken, waaronder Windows, Linux en macOS. KiCad heeft een actieve open-source community waar gebruikers ontwerpgegevens kunnen uitwisselen en openen.
GemakkelijkEDA
Het is een gratis ontwerptool met webpaginagebruik. De componentbibliotheek is krachtig, waardoor gebruikers snel de componenten kunnen vinden die ze nodig hebben en hun ontwerpwerk kunnen afronden. De prestaties van deze software zijn echter niet geschikt voor complexe PCB-ontwerpen vanwege de beperkte functies.
Afsluitende woorden
PCB-layoutontwerp is een complex en kritisch proces. Al met al hadden meerdere factoren, zoals prestaties, kosten, maakbaarheid, enzovoort, in de ontwerpfase moeten worden overwogen. Gezien de huidige trend van miniaturisatie en de geweldige prestaties van elektronische apparaten vandaag de dag, wordt de PCB-layout ontworpen op kleinere borden, wat grotere uitdagingen en hogere vereisten met zich meebrengt. Het is een rigoureus en continu innovatief proces, dat een sleutelrol speelt in de ontwikkeling van PCB.
