Συμβουλές και τεχνικές για το σχεδιασμό μικρών κυκλωμάτων για τη μείωση του μεγέθους των PCB

Για οποιοδήποτε ηλεκτρονικό προϊόν, είτε πρόκειται για ένα πολύπλοκο κινητό τηλέφωνο είτε για οποιοδήποτε άλλο απλό ηλεκτρονικό παιχνίδι χαμηλού κόστους, το Printed Circuit Boards (PCB) αποτελεί βασικό συστατικό. Σε έναν κύκλο ανάπτυξης προϊόντων, η διαχείριση κόστους σχεδιασμού είναι ένα τεράστιο ζήτημα και το PCB είναι το πιο παραμελημένο και ακριβότερο στοιχείο για το BOM. Το PCB κοστίζει πολύ περισσότερο από οποιοδήποτε άλλο εξάρτημα που χρησιμοποιείται σε ένα κύκλωμα, επομένως η μείωση του μεγέθους PCB όχι μόνο θα μειώσει το μέγεθος του προϊόντος μας, αλλά θα μειώσει επίσης το κόστος παραγωγής στις περισσότερες περιπτώσεις. Αλλά, πώς να μειώσετε το μέγεθος του PCB είναι ένα πολύπλοκο ζήτημα στην παραγωγή ηλεκτρονικών, επειδή το μέγεθος του PCB εξαρτάται από μερικά πράγματα και έχει τους περιορισμούς του. Σε αυτό το άρθρο, θα περιγράψουμε τις τεχνικές σχεδιασμού για τη μείωση του μεγέθους PCB συγκρίνοντας τις αντισταθμίσεις και τις πιθανές λύσεις σε αυτό.

PCB πολλαπλών στρωμάτων για τη μείωση του χώρου του ίχνους και της απόστασης των στοιχείων

Ο κύριος χώρος σε μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος λαμβάνεται από τη δρομολόγηση. Τα στάδια του πρωτοτύπου, κάθε φορά που δοκιμάζεται το κύκλωμα, χρησιμοποιεί μια πλακέτα PCB διπλού στρώματος ή το πολύ. Ωστόσο, τις περισσότερες φορές, το κύκλωμα κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας SMD (Surface Mount Devices) που αναγκάζει τον σχεδιαστή να χρησιμοποιήσει μια πλακέτα διπλού στρώματος. Ο σχεδιασμός της πλακέτας σε ένα διπλό στρώμα ανοίγει την επιφανειακή πρόσβαση σε όλα τα εξαρτήματα και παρέχει στους πίνακες χώρους για τη δρομολόγηση των ιχνών. Ο χώρος επιφάνειας της σανίδας μπορεί να αυξηθεί ξανά εάν το στρώμα της σανίδας αυξηθεί περισσότερο από τα δύο στρώματα, για παράδειγμα, τέσσερα ή έξι στρώματα. Όμως, υπάρχει ένα μειονέκτημα. Εάν η πλακέτα έχει σχεδιαστεί με χρήση δύο, τεσσάρων ή ακόμα και περισσότερων επιπέδων, δημιουργείται τεράστια πολυπλοκότητα όσον αφορά τις δοκιμές, τις επισκευές και την επανεπεξεργασία ενός κυκλώματος.

Επομένως, πολλαπλά επίπεδα (κυρίως τέσσερα στρώματα) είναι δυνατά μόνο εάν ο πίνακας έχει δοκιμαστεί καλά στη φάση του πρωτοτύπου. Εκτός από το μέγεθος της πλακέτας, ο χρόνος σχεδίασης είναι επίσης πολύ μικρότερος από το σχεδιασμό του ίδιου κυκλώματος σε μια μεγαλύτερη πλακέτα μονής ή διπλής στρώσης.

Γενικά, τα ίχνη Ισχύος και τα επίπεδα γεμίσματος διαδρομής επιστροφής εδάφους αναγνωρίζονται ως διαδρομές υψηλού ρεύματος, επομένως απαιτούν παχιά ίχνη. Αυτά τα υψηλά ίχνη μπορούν να δρομολογηθούν στα επίπεδα TOP ή Bottom και οι διαδρομές χαμηλού ρεύματος ή τα επίπεδα σήματος μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εσωτερικά στρώματα σε τέσσερα στρώματα PCB. Η παρακάτω εικόνα δείχνει ένα PCB 4 επιπέδων.

Αλλά υπάρχουν γενικές αντισταθμίσεις. Το κόστος του PCB πολλαπλών στρωμάτων είναι υψηλότερο από τα πλακέτα μονής στρώσης. Επομένως, είναι απαραίτητο να υπολογιστεί ο σκοπός κόστους πριν από την αλλαγή μιας πλακέτας μονής ή διπλής στρώσης σε PCB τεσσάρων στρωμάτων. Αλλά η αύξηση του αριθμού των στρωμάτων θα μπορούσε να αλλάξει δραματικά το μέγεθος του πίνακα.

Διαχείριση των θερμικών ζητημάτων αλλάζοντας το πάχος χαλκού

Το PCB συμβάλλει σε μια πολύ χρήσιμη θήκη για σχέδια κυκλώματος υψηλού ρεύματος, που είναι η Θερμική διαχείριση στο PCB. Όταν ένα υψηλό ρεύμα ρέει μέσω ενός ίχνους PCB, αυξάνει την απαγωγή θερμότητας και δημιουργεί αντίσταση στις διαδρομές. Ωστόσο, εκτός από τα ειδικά παχιά ίχνη για τη διαχείριση διαδρομών υψηλού ρεύματος, ένα σημαντικό πλεονέκτημα του PCB είναι η δημιουργία ψύκτρων PCB. Έτσι, εάν ο σχεδιασμός κυκλώματος χρησιμοποιεί σημαντική ποσότητα περιοχής χαλκού PCB για θερμική διαχείριση ή εκχωρεί τεράστιους χώρους για ίχνη υψηλού ρεύματος, μπορεί κανείς να συρρικνώσει το μέγεθος της πλακέτας χρησιμοποιώντας αυξανόμενο πάχος στρώσης χαλκού.

Σύμφωνα με το IPC2221A, ένας σχεδιαστής θα πρέπει να χρησιμοποιεί ένα ελάχιστο πλάτος ίχνους για τις απαιτούμενες τρέχουσες διαδρομές, αλλά πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η συνολική περιοχή ιχνών. Γενικά, τα PCB είχαν πάχος στρώσης χαλκού 1 Oz (35um). Αλλά το πάχος του χαλκού μπορεί να αυξηθεί. Επομένως, με τη χρήση απλών μαθηματικών, ο διπλασιασμός του πάχους στα 2Oz (70um) θα μπορούσε να μειώσει το μέγεθος του ίχνους στο μισό με την ίδια ίδια ισχύ ρεύματος. Εκτός από αυτό, το πάχος χαλκού 2Oz μπορεί να είναι επωφελές και για την ψύκτρα με βάση το PCB. Υπάρχει επίσης η βαρύτερη χωρητικότητα χαλκού που μπορεί επίσης να είναι διαθέσιμη που κυμαίνεται από 4Oz έως 10Oz.

Έτσι, η αύξηση του πάχους του χαλκού μειώνει αποτελεσματικά το μέγεθος του PCB. Ας δούμε πώς μπορεί να είναι αποτελεσματικό. Η παρακάτω εικόνα είναι μια ηλεκτρονική αριθμομηχανή για τον υπολογισμό του πλάτους ίχνους PCB.

Η τιμή του ρεύματος που θα ρέει μέσω του ίχνους είναι 1A. Το πάχος του χαλκού ορίζεται ως 1 Oz (35 um). Η άνοδος της θερμοκρασίας στο ίχνος θα είναι 10 βαθμούς στους 25 βαθμούς Κελσίου θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η έξοδος του πλάτους ιχνών σύμφωνα με το πρότυπο IPC2221A είναι-

Τώρα, στην ίδια προδιαγραφή, εάν αυξηθεί το πάχος του χαλκού, το πλάτος ίχνους μπορεί να μειωθεί.

Το πάχος που απαιτείται είναι μόνο-

Επιλογή πακέτου συστατικών

Η επιλογή εξαρτημάτων είναι ένα σημαντικό πράγμα στο σχεδιασμό κυκλώματος. Υπάρχουν τα ίδια αλλά διαφορετικά στοιχεία συσκευασίας διαθέσιμα στα ηλεκτρονικά. Για παράδειγμα, μια απλή αντίσταση με βαθμολογία 0,125 Watt μπορεί να είναι διαθέσιμη σε διαφορετικά πακέτα, όπως 0402, 0603, 0805, 1210 κ.λπ.

Τις περισσότερες φορές, το πρωτότυπο PCB χρησιμοποιεί μεγαλύτερα εξαρτήματα που χρησιμοποιούν αντιστάσεις 0805 ή 1210 καθώς και μη πολωμένους πυκνωτές με υψηλότερη απόσταση από το γενικό λόγω του ευκολότερου χειρισμού, συγκόλλησης, αντικατάστασης ή δοκιμής. Αλλά αυτή η τακτική καταλήγει να έχει τεράστιο χώρο στο διοικητικό συμβούλιο. Κατά τη διάρκεια της φάσης παραγωγής, τα εξαρτήματα μπορούν να αλλάξουν σε μικρότερο πακέτο με την ίδια βαθμολογία και ο χώρος του πίνακα μπορεί να συμπιεστεί. Μπορούμε να μειώσουμε το μέγεθος του πακέτου αυτών των στοιχείων.

Αλλά η κατάσταση είναι ποια συσκευασία να επιλέξει; Δεν είναι πρακτικό να χρησιμοποιείτε μικρότερα πακέτα από το 0402 επειδή οι τυπικές μηχανές επιλογής και τοποθέτησης που είναι διαθέσιμες για την παραγωγή ενδέχεται να έχουν περιορισμούς για τη διαχείριση πακέτων SMD μικρότερων από το 0402.

Ένα άλλο μειονέκτημα των μικρότερων εξαρτημάτων είναι η βαθμολογία ισχύος. Μικρότερα πακέτα από το 0603 θα μπορούσαν να χειριστούν πολύ χαμηλότερο ρεύμα από το 0805 ή 1210. Επομένως, απαιτούνται προσεκτικές εκτιμήσεις για την επιλογή των κατάλληλων εξαρτημάτων. Σε μια τέτοια περίπτωση, όταν τα μικρότερα πακέτα δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μείωση των μεγεθών PCB, μπορεί κανείς να επεξεργαστεί το αποτύπωμα του πακέτου και θα μπορούσε να συρρικνώσει όσο το δυνατόν περισσότερο το ταμπόν των εξαρτημάτων. Ο σχεδιαστής μπορεί να είναι σε θέση να πιέζει τα πράγματα λίγο πιο αυστηρά αλλάζοντας τα ίχνη. Λόγω των ανοχών σχεδιασμού, το διαθέσιμο προεπιλεγμένο αποτύπωμα είναι ένα κοινό αποτύπωμα που θα μπορούσε να περιέχει οποιαδήποτε έκδοση των πακέτων. Για παράδειγμα, το αποτύπωμα των πακέτων 0805 γίνεται με τέτοιο τρόπο ώστε να καλύπτει όσο το δυνατόν περισσότερες παραλλαγές για το 0805. Οι παραλλαγές συμβαίνουν λόγω της διαφοράς της κατασκευαστικής ικανότητας.Διαφορετικές εταιρείες χρησιμοποιούν διαφορετικά μηχανήματα παραγωγής που είχαν διαφορετικές ανοχές για το ίδιο πακέτο 0805. Έτσι, τα προεπιλεγμένα αποτυπώματα πακέτου είναι ελαφρώς μεγαλύτερα από ό, τι απαιτείται.

Κάποιος μπορεί να επεξεργαστεί χειροκίνητα το αποτύπωμα χρησιμοποιώντας τα φύλλα δεδομένων των συγκεκριμένων στοιχείων και θα μπορούσε να συρρικνώσει το μέγεθος του μαξιλαριού, όπως απαιτείται.

Το μέγεθος της πλακέτας μπορεί να συρρικνωθεί χρησιμοποιώντας ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές βασισμένους σε SMD επειδή φαινόταν να έχουν μικρότερες διαμέτρους από τα εξαρτήματα διαμέσου οπών με την ίδια βαθμολογία.

Συμπαγής συνδετήρες New Age

Ένα άλλο στοιχείο που είναι πεινασμένο στο διάστημα είναι οι σύνδεσμοι. Οι σύνδεσμοι χρησιμοποιούν μεγαλύτερο χώρο πλακέτας και το αποτύπωμα χρησιμοποιεί επίσης μαξιλάρια υψηλότερης διαμέτρου. Η αλλαγή των τύπων σύνδεσης μπορεί να είναι πολύ χρήσιμη αν το επιτρέπουν οι βαθμολογίες ρεύματος και τάσης.

Η εταιρεία κατασκευής συνδετήρων, για παράδειγμα, η Molex ή η Wurth Electronics ή οποιεσδήποτε άλλες μεγάλες εταιρείες παρέχουν πάντοτε τον ίδιο τύπο συνδετήρων με πολλαπλά μεγέθη. Έτσι, η επιλογή του σωστού μεγέθους θα μπορούσε να εξοικονομήσει το κόστος καθώς και το χώρο του πίνακα.

Δίκτυα αντιστάσεων

Κυρίως στην σχεδίαση που βασίζεται σε μικροελεγκτή, οι αντιστάσεις διέλευσης σειράς είναι αυτό που απαιτείται πάντα για την προστασία του μικροελεγκτή από ροή υψηλού ρεύματος μέσω των ακίδων IO. Επομένως, περισσότερες από 8 αντιστάσεις, μερικές φορές περισσότερες από 16 αντιστάσεις απαιτούνται για να χρησιμοποιηθούν ως αντιστάσεις διέλευσης σειράς. Ένας τόσο μεγάλος αριθμός αντιστάσεων προσθέτει πολύ περισσότερο χώρο στο PCB. Αυτό το πρόβλημα μπορεί να επιλυθεί χρησιμοποιώντας δίκτυα αντίστασης. Ένα απλό δίκτυο αντιστάσεων που βασίζεται σε πακέτα 1210 θα μπορούσε να εξοικονομήσει χώρο για 4 ή 6 αντιστάσεις. Η παρακάτω εικόνα είναι μια αντίσταση 5 στο πακέτο 1206.

Συσκευασμένα πακέτα αντί για τυπικά πακέτα

Υπάρχουν πολλά σχέδια που απαιτούν πολλαπλά τρανζίστορ ή ακόμα περισσότερα από δύο MOSFET για διαφορετικούς σκοπούς. Η προσθήκη μεμονωμένων τρανζίστορ ή Mosfets θα μπορούσε να καταλήξει περισσότερο χώρο από τη χρήση πακέτων.

Υπάρχει μια ποικιλία επιλογών που χρησιμοποιούν πολλά στοιχεία σε ένα μόνο πακέτο. Για παράδειγμα, διατίθενται επίσης δύο πακέτα Mosfet ή quad MOSFET που καταλαμβάνουν το χώρο ενός μόνο Mosfet και μπορούν να εξοικονομήσουν τεράστιο χώρο.

Αυτά τα κόλπα μπορούν να εφαρμοστούν σε σχεδόν κάθε στοιχείο. Αυτό οδηγεί σε μικρότερο χώρο στο board και το σημείο μπόνους είναι, μερικές φορές το κόστος αυτών των στοιχείων είναι χαμηλότερο από τη χρήση μεμονωμένων στοιχείων.

Τα παραπάνω σημεία είναι η πιθανή διέξοδος για τη μείωση του μεγέθους PCB. Ωστόσο, το κόστος, η πολυπλοκότητα έναντι του μεγέθους του PCB έχει πάντα κάποιες σημαντικές αντισταθμίσεις που σχετίζονται με τις αποφάσεις. Κάποιος πρέπει να επιλέξει την ακριβή διαδρομή που εξαρτάται από τη στοχευμένη εφαρμογή ή για τη συγκεκριμένη στοχευμένη σχεδίαση κυκλώματος.