Kluczowe zasady, zagadnienia i techniki projektowania i trasowania płytek PCB

Układ i trasowanie PCB to kluczowy proces projektowania sprzętu, rozmieszczania komponentów i rysowania ścieżek przewodzących na PCB, który ma bezpośredni wpływ na wydajność, niezawodność i kompatybilność elektromagnetyczną (EMC). Poniżej przedstawiono kluczowe zasady, zagadnienia i techniki projektowania PCB, podzielone na dwie części: układ i trasowanie:

I. Zasady i techniki układu

1. Planowanie zagospodarowania przestrzennego

● Podział strefowy według modułów funkcjonalnych, takich jak zasilanie, moduły analogowe, moduły cyfrowe, moduły RF itp., w celu uniknięcia wzajemnych zakłóceń.

● Planowanie przepływu sygnału: Układ zgodnie z przepływem „wejście → przetwarzanie → wyjście” w celu ograniczenia przesłuchów.

● Czuła izolacja obwodów: Trzymaj sygnały o wysokiej częstotliwości, zegara, resetu i inne z dala od źródeł zakłóceń.

2. Priorytetyzacja krytycznych i funkcjonalnych grup komponentów

● Najpierw elementy o stałej pozycji, takie jak złącza, przełączniki, lampki kontrolne itp.

● Centrowanie głównych komponentów, takich jak mikrokontrolery, układy FPGA itp., oraz umieszczanie powiązanych obwodów wokół nich.

● Elementy generujące ciepło: Weź pod uwagę rozpraszanie ciepła: zarezerwuj przestrzeń na rozpraszanie ciepła, umieszczając je w pobliżu krawędzi lub radiatorów.

3. Układ zasilania

● Kompaktowa budowa: Umieść przetwornice DC-DC, stabilizatory LDO itp. tak blisko obciążenia, jak to możliwe, aby zmniejszyć obszar pętli.

● Umiejscowienie kondensatorów filtrujących: Duże kondensatory (np. kondensatory elektrolityczne) należy umieszczać daleko, a małe kondensatory (np. kondensatory ceramiczne) blisko pinów zasilania układu scalonego.

4. Układ kondensatora odsprzęgającego 

● Umieść je jak najbliżej pinów zasilania układu scalonego (na tej samej warstwie) i podłącz przelotki bezpośrednio do płaszczyzny zasilania/uziemienia.

● Użyj wielu małych kondensatorów połączonych równolegle (np. 0,1 μF + 0,01 μF), aby pokryć szersze pasmo częstotliwości.

5. Obwody wysokiej częstotliwości i zegara

● Umieść układ zegara blisko urządzenia docelowego i skróć ścieżki.

● Umieść kwarc/oscylator blisko układu scalonego, nie pozwól, aby ścieżki pod nim znajdowały się, i zastosuj ekranowanie uziemiające.

II. Zasady i techniki trasowania

1. Szerokość śladu i prąd

● Obliczanie szerokości linii energetycznej: Oblicz szerokość odpowiednio na podstawie natężenia prądu (np. 1 A/mm szerokości), pozostawiając margines.

● Szerokość linii sygnałowej: Zwykle 4–8 mil; linie sterujące impedancją obliczane są na podstawie stosu.

2. Kąt śledzenia

● Unikaj ostrych kątów (<90°), priorytetowo traktuj kąty 45° lub zaokrąglone ścieżki, aby ograniczyć nagłe zmiany impedancji.

3. Różnicowe trasowanie par

● Stosuj ścieżki o jednakowej długości, w równych odstępach i równoległe, przy czym różnica długości powinna mieścić się w granicach 5 mil.

● Aby zachować spójność impedancji, należy unikać przecinania się płaszczyzn odniesienia.

4. Integralność sygnału

● Sygnały krytyczne (np. zegar, dane o dużej szybkości) powinny być krótkie i proste, minimalizując liczbę przejść.

● Ślady sąsiadujących warstw powinny być ortogonalne, aby ograniczyć przesłuchy.

● Zasada 3W: Odstęp ≥ 3-krotności szerokości ścieżki w celu zmniejszenia sprzężenia.

5. Płaszczyzna uziemienia i ścieżka powrotna

● Należy zachować pełną płaszczyznę uziemienia i unikać prowadzenia linii sygnałowych przez podzielone płaszczyzny uziemienia.

● Zapewnij ciągłą warstwę odniesienia uziemienia pod sygnałami dużej prędkości, aby zagwarantować najkrótszą ścieżkę powrotną.

6. Poprzez użycie

● Aby zmniejszyć impedancję, należy zastosować wiele przewodów zasilających równolegle.

● Zmniejsz liczbę przejść dla sygnałów o dużej prędkości (zwykle ≤ 2).

● Unikaj przelotek na padach (poza BGA); przelotki w padach wymagają obróbki wypełniającej.

7. Trasowanie Power Tree

● Topologia routingu typu drzewa w celu uniknięcia typowych zakłóceń impedancji.

● Pojedyncze połączenie uziemienia analogowego/cyfrowego (zwykle przy użyciu rezystora 0Ω lub koralika ferrytowego).

III. Zagadnienia dotyczące projektowania EMC/EMI

● Ekranowanie i filtrowanie: Aby odizolować sygnały RF, zegar itp., należy stosować osłony ekranujące lub otwory uziemiające.

● Zabezpieczenie krawędzi płytki: Aby zapobiec promieniowaniu, należy trzymać wrażliwe sygnały z dala od krawędzi płytki.

● Strategia uziemienia: W przypadku płytek wielowarstwowych należy stosować pełną płaszczyznę uziemienia i prawidłowo segmentować masy sygnałów mieszanych.

IV. Lista kontrolna (po rozplanowaniu i wytyczeniu tras)

● Kontrola DRC: szerokość ścieżki, odstępy, średnica przelotki itp. spełniają wymagania procesu.

● Sprawdzenie łączności: Brak niepołączonych sieci.

● Integralność zasilania: ścieżki zasilania o niskiej impedancji, spadek napięcia spełnia wymagania.

● Integralność sygnału: ciągła impedancja dla sygnałów o dużej prędkości, brak znaczących odbić lub przesłuchów.

● Konstrukcja termiczna: Niezakłócone ścieżki odprowadzania ciepła dla elementów generujących ciepło.

● DFM: Odstępy między komponentami spełniają wymagania dotyczące lutowania, punkty oznaczeń, krawędzie procesu itp. są kompletne.

V. Techniki zaawansowane

● Użyj przelotek uziemiających: Umieść przelotki uziemiające w pobliżu przejść warstwy sygnałowej, aby zapewnić ścieżkę powrotną.

● Przelotki ślepe/zakopane i technologia HDI: płytki o dużej gęstości pozwalają na redukcję liczby warstw i poprawę wydajności.

● Pomoc w symulacji: przeprowadzanie symulacji SI/PI na sygnałach krytycznych w celu optymalizacji parametrów routingu.

Streszczenie: 

Układ i trasowanie płytek PCB wymagają znalezienia równowagi między parametrami elektrycznymi, kosztami produkcji i złożonością projektu. W praktyce należy przestrzegać kolejności „najpierw układ, potem trasowanie; najpierw sygnały krytyczne, a potem sygnały ogólne”, a korekty należy wprowadzać elastycznie, w zależności od specyfiki danego układu. W przypadku układów o dużej szybkości, częstotliwości lub precyzji zaleca się zapoznanie się z wytycznymi projektowymi producenta układu scalonego i przeprowadzenie weryfikacji symulacyjnej.

Jeśli potrzebujesz płytek PCB i PCBA, skontaktuj się z Benlidą! Benlida to profesjonalny producent płytek PCB i PCBA, świadczący usługi EMS (Electronic Manufacturing Service) od 14 lat. Dysponując zaawansowanym sprzętem i doświadczonym zespołem inżynierów, Benlida zobowiązała się do świadczenia najwyższej jakości usług klientom na całym świecie!

O autorze:

Sonic Yang

Jako specjalista w dziedzinie elektroniki i automatyki mechanicznej, Sonic zajmuje się projektowaniem płytek PCB, pracami badawczo-rozwojowymi oraz produkcją elektroniki od około 22 lat, pełniąc funkcję dyrektora ds. inżynierii i koordynując działania z łańcuchem dostaw (podzespoły i części CNC), zapewniając profesjonalne wsparcie i konsultacje klientom na całym świecie.