تحياتي! خلال مناقشة
المقال من قبل الرفيق
KSVl ، تم
الإعراب عن الحاجة إلى دليل صغير حول تصميم لوحات الدوائر المطبوعة. في كثير من الأحيان أرى مقالات بأسلوب "5 قواعد لتصميم الكود" أو "5 خطوات لمشروع ناجح" ، أي مجموعات ملائمة للغاية من الملخصات حول موضوع معين. لسوء الحظ ، هناك عدد قليل من هذه المقالات حول تطوير الإلكترونيات وهذا أمر سيئ ...
لقد وعدت مستخدم
KSVl وبعض القراء الآخرين بمقال حول المبادئ الأساسية لتصميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) ، كما أدعو جميع المعجبين للشرب من أجل فنجان قهوة للتعرف على أنفسهم!
مقدمة
جميع القواعد الموضحة في المقالة هي الأكثر أساسية وتركز حصريًا على المطورين المبتدئين تمامًا الذين تعتبر الإلكترونيات مجرد هواية. أريد أن أشير على الفور إلى أن هذه المقالة لا تدعي أنها الحقيقة المطلقة ويتم تقديم جميع التفسيرات في شكل حر.
بالتأكيد سيكون هناك أناس يقولون: "نعم ، وهكذا يعمل ، لماذا تغيير شيء ما؟" وهنا ، للأسف ، لست على استعداد لإضاعة قوتي وإقناعكم. يريد البعض القيام بكل شيء بشكل جيد وفعال وموثوق ، بينما لا يُفهم الآخرون لفهم هذه الرغبة.
مصادر المعلومات التي تستند إليها القواعد الموضحة في المقالة:- دورة في الفيزياء العامة والهندسة الكهربائية. كل شيء في الدورة الأولى من الجامعة
- كتب هوارد جونز لتصميم الأجهزة الرقمية عالية السرعة: دورة أولية في السحر الأسود ونقل البيانات الرقمية عالية السرعة: الدورة النهائية في السحر الأسود
- معايير IPC ، مثل IPC-2221A. توجد ترجمة باللغة الروسية (الإصدار القديم) وأصل أحدث الإصدارات باللغة الإنجليزية
- الخبرة الخاصة
القاعدة رقم 1 - عرض الموصل
خطأ - غالبًا ما يستخدم المطورون المبتدئون عرض الموصلات (المسارات) ، وهو الإعداد الافتراضي في نظام CAD المستخدم. في المقال المذكور سابقًا ، استخدم المؤلف EasyEDA وهناك القيمة الأساسية للعرض هي 6 مل ، أي حوالي 0.15 مم. يتم استخدام عرض الموصلات هذا في كل مكان تقريبًا وهذا أمر سيئ ، لأنه يؤدي إلى عدد من المشاكل.
المشكلة رقم 1 هي انخفاض الجهد. نتذكر جميعًا قانون أوم الذي يستتبعه أنه كلما كانت مساحة المقطع العرضي للموصل أصغر ، زادت مقاومته. كلما زادت مقاومة الموصل ، كلما انخفض الجهد عبره.
المشكلة رقم 2 - تسخين الموصل. هنا هو نفس قانون أوم ، القوة المنبعثة على الموصل تتناسب مع مقاومتها ، أي كلما زادت المقاومة ، كلما تم إطلاق حرارة أكثر على الموصل. تبخر الطريق بتيار 0.15 ملم في 5-10A بسهولة.
المشكلة رقم 3 - الحث الطفيلي. لا تتعلق هذه اللحظة بالكاد ، ولكنك بحاجة إلى معرفة ذلك. كلما كان المقطع العرضي للموصل أصغر ، كان تحريضه أكبر. أي أن أي موصل ليس في الواقع مجرد "قطعة من النحاس" ، بل هو مكون مركب من المقاومة والمحاثة والسعة الشاردة. إذا كانت هذه المعلمات عالية جدًا ، فإنها تبدأ في التأثير سلبًا على تشغيل الدائرة. غالبًا ما تظهر على ترددات أكبر من 10 ميجاهرتز ، على سبيل المثال ، عند العمل مع SPI.
المشكلة رقم 4 - قوة ميكانيكية منخفضة. أعتقد أنه ليست هناك حاجة لشرح أن المسار الذي يبلغ عرضه 2 مم مرتبط بقوة أكبر بقاعدة من القماش النصي من مسار 0.15 مم. من أجل المتعة ، خذ لوحة المصنع غير الضرورية واخترها.
الحل - استخدم أقصى عرض ممكن للموصلات. إذا كان من الممكن رسم الموصل بعرض 0.6 مم ، فهذا أفضل من حمله بعرض 0.15 مم.
مثال:1) سيء
2) جيد
القاعدة رقم 2 - الارتباط بالاستنتاجات
تعني الاستنتاجات منطقة الاتصال للمكون (الوسادة) ، والفتحات (عبر) والكائنات الأخرى التي نربطها باللوحة باستخدام الموصلات (المسارات).
خطأ - هناك نوعان من التطرف. في واحدة ، يرتكب المطور خطأ من القاعدة رقم 1 ويربط المسار 0.15 ملم بإخراج المقاوم smd 1206. في الحالة الأخرى ، على العكس من ذلك ، يستخدم موصلًا يساوي عرضه عرض لوحة الاتصال. كلا الخيارين سيئان.
المشكلة رقم 1 - قوة ميكانيكية منخفضة. مع عدة محاولات لحام المكون ، تقشر اللوحة أو الجنزير ببساطة من القاعدة القماشية للوحة الدوائر المطبوعة.
المشكلة رقم 2 - المشاكل التكنولوجية مع تركيب اللوح. على الرغم من أن هذا سيصبح مشكلة إذا بدأت في طلب ليس فقط المجالس في الصين ، ولكن أيضًا التجميع. بالطبع سيجمعونك ، لكن النسبة المئوية للزواج تنمو.
الحل - يجب أن يكون عرض الموصل المتصل بلوحة الاتصال حوالي 80٪ من عرض هذه الوسادة.
مثال:1) سيء
2) جيد
يبلغ حجم وسادة المكثف 1206 في هذه الحالة
1.6 × 1 مم . وفقًا لذلك ، لتلخيص الإشارة من الأسفل ، يتم استخدام مسار يساوي 80٪ من عرض المنصة ، أي 0.8 مم (80٪ من 1 مم). لتلخيص الإشارة على اليمين ، يتم استخدام مسار 1.2 مم (حوالي 80 ٪ من 1.6 مم). يبلغ عرض منصة الدائرة المصغرة في حزمة SOIC-8 0.6 مم ، لذلك تحتاج إلى توفير إشارة بمسار يبلغ حوالي 0.5 مم.
يجب أن يُفهم أن هذا الخيار مثالي. ربما لن تحب الانتقال من 1.2 مم إلى 0.5 مم - ضجة إضافية. يمكن تجنبه. للقيام بذلك ، عادة ما تأخذ عرض المسار بالنسبة إلى الحد الأدنى للوسادة ، أي في هذه الحالة ، يمكنك القيام بذلك:
كما ترون ، اخترت عرض الموصل في المنطقة الدنيا ، أي في منطقة خرج الدائرة المصغرة في حزمة SOIC-8. هذا التبسيط مقبول ، ولكن يجب استخدامه بحكمة.
القاعدة رقم 3 - سلاسل الطاقة
الآن ، ضع في اعتبارك الحالة التي يكون فيها التبسيط فيما يتعلق بالقاعدة رقم 2 غير مقبول ببساطة ، أي تصميم دوائر الطاقة. تستند هذه القاعدة على القاعدتين السابقتين وهي حالة خاصة ، ولكنها ربما تكون الحالة الأكثر خطورة.
خطأ - إهمال القاعدتين رقم 1 ورقم 2 عند تصميم دوائر الطاقة.
المشكلة رقم 1 - ناتج منظم الجهد الخاص بك هو بدقة + 3.3 فولت. تقوم بتشغيل الجهاز وتلاحظ أن الدائرة المصغرة تتصرف بشكل غير لائق ، ولا يتم قياس ADC بدقة ويتم إيقاف تشغيله بشكل دوري. يمكنك قياس الجهد على أرجل المستهلك (الدائرة المصغرة) وتجد بدلاً من + 3.3 فولت فقط + 2.6 فولت.
المشكلة رقم 2 - لا يبدأ محول DC-DC ، أو لديه تموجات كبيرة عند الإخراج.
المشكلة رقم 3 - في محاولة العثور على عطل ، تضع مسبار الذبذبات على خط + 3.3 فولت وتجد هناك بعض التموجات والضوضاء الرهيبة بدلاً من الجهد المستمر.
الحل - نلاحظ بشكل خاص القواعد الصارمة والمتعصبة رقم 1 ورقم 2. المسارات واسعة قدر الإمكان. يجب أن تأتي الطاقة إلى الرقاقة من خلال مكثف من السيراميك ، والذي ، إذا أمكن ، يتم وضعه بالقرب من إخراج هذه الرقاقة.
مثال:1) سيء
2) جيد
ما فعلته لجعله جيدًا:1)
مسار الطاقة
VCC3V3 مناسب الآن لا يتجاوز المكثف ، ولكن من خلاله. أي أولاً إلى المكثف ، ثم إلى خرج الدائرة المصغرة
2) استخدمت ثقبًا (عبر) بحجم 1.2 / 0.6 مم. نعم ، وفقًا لمتطلبات فئة الدقة 4 (القياسية) ، يمكنني استخدام فتحة vias بحجم 0.7 / 0.3 مم ، لكنني لم أفعل ذلك وقمت بتطبيق انتقال أكبر. هذا جعل من الممكن تقليل مقاومته والسماح بمرور تيار أكبر.
3) حافلة الطاقة التي تأتي من المثبت الآن ليست 0.3 مم ، ولكن 2 مم! لا تخف من تقديم أدلة واسعة. يقلل هذا النهج من انخفاض الجهد في الدائرة ويقلل من محاثة الموصل.
القاعدة رقم 4 - الأرض
يمكنك التحدث عن تأثير الجودة على تصميم حافلة الأرض (GND) إلى الأبد ، ولكن أي محادثة تأتي إلى نقطة بسيطة:
يعتمد استقرار وتشغيل الجهاز إلى أقصى حد على تصميم الأرض . هذه المشكلة كبيرة جدًا وتتطلب دراسة عميقة ، لذلك سأقدم التوصيات الأساسية.
الخطأ هو تتبع دارة GND (الأرض) مع موصل عادي ، وحتى الحد الأدنى للعرض. إنها مجرد كومبو!
المشكلة رقم 1 هي عدم استقرار الجهاز والتدخل القوي في الدوائر ، خاصة في دوائر الطاقة.
المشكلة رقم 2 - التسخين وغالبًا ما ينكسر موصل رفيع ، لأنه لها تيار كبير.
الحل هو استخدام المضلع لتوجيه دائرة GND ، وبشكل مثالي طبقة منفصلة مخصصة بالكامل لهذه الدائرة ، على سبيل المثال ، الطبقة السفلية.
مثال:1) سيء
2) جيد
كما ترى ، بدلاً من الموصل المعتاد ، قمت بتطبيق تعبئة مضلع صلبة. قدم لي هذا الحل مساحة كبيرة مستعرضة ، لأن المكب هو مجرد موصل كبير جدًا. في بعض الأحيان فقط يكون لهذا الحل عيب ، على سبيل المثال ، عندما تكون كثافة التثبيت عالية وتكسر الموصلات الأخرى مضلعًا صلبًا ، كما هو الحال هنا
تكسر دائرة
LED1..3 أقصر مسار بين خرج الدائرة
المصغرة والمكثف (GND):
هنا سوف تساعدنا طبقة GND المنفصلة المذكورة سابقًا. في لوحة من طبقتين ، بشكل مثالي ، تحتها ، حدد الطبقة السفلية ، وفي لوحة متعددة الطبقات ، إحدى الطبقات الداخلية:
وهكذا ، قمنا باستعادة أقصر مسار للتيار من خلال دائرة GND ، وفي هذه الحالة ، ساعدنا الطبقة السفلية (اللون الأزرق) ، وهي مضلع ترابي تمامًا. قدمت الفياوس (عبر) بالقرب من الفوط لهم أقصر اتصال ممكن بالطبقة السفلية من الأرض.
بالطبع ، هذه حالة مثالية وأحيانًا لن يكون من الممكن تنفيذها دون رفع سعر المجلس ، لذلك القرار لك. في بعض الأحيان لا تكون هناك حاجة إلى الموثوقية "الفائقة" ، فمن المهم إيجاد حل وسط بين القيمة والجودة لمهمتك.
القاعدة رقم 5 - عرض الفجوة
القيمة الدنيا للفجوة بين الموصلات النحاسية على لوحة الدوائر المطبوعة ، المتطلبات التقنية تملي علينا. بالنسبة للفئة الرابعة (القياسية) ، تكون القيمة 0.15 / 0.15 ملم أو 6/6 مل. الحد الأقصى للعرض محدود فقط من خلال خيالك وأبعاد اللوحة والحس السليم.
خطأ - الفجوة ليست كبيرة بما يكفي ، وعادة ما تترك القيمة الافتراضية حوالي 0.15 ملم.
المشكلة رقم 1 - الانهيار الكهربائي. تحدث دائرة قصر عندما يتم إغلاق اثنين من الموصلات ذات الإمكانات المختلفة ، على سبيل المثال ، مع جسم معدني والتيار يزداد بشكل حاد. لسوء الحظ ، لا توجد مواد عازلة مثالية وفي أي مرحلة تبدأ أي مادة في إجراء التيار. مثال على ذلك هو العوازل على خطوط الكهرباء ، وخارقة لها في بعض الأحيان. تحدث هذه الظاهرة عندما
يتم تجاوز
جهد الانهيار الحرج . وللسبب نفسه ، قد يبدأ الألياف الزجاجية ، التي تمثل الغالبية العظمى من لوحات الدوائر المطبوعة ، في مرحلة ما في تمرير التيار.
الحل هو زيادة المسافة بين الموصلات. يعتمد جهد الانهيار على نوع المادة وسمك / عرض العازل. في حالة لوحات الدوائر المطبوعة - المسافة (الفجوة) بين الموصلات هي تلك المعلمة التي تؤثر على القيمة الحرجة لجهد الانهيار.
كلما زادت المسافة بين الموصلات ، زاد الجهد اللازم لكسرها .
أريد أيضًا أن أقول إن انهيار الألياف الزجاجية ليس دائمًا المشكلة الأكثر إلحاحًا. الهواء المحيط باللوحة هو أيضًا عازل ، ولكن في ظل ظروف معينة يصبح موصلًا ، تذكر عاصفة رعدية. يعد الانهيار الكهربائي المحمول جواً مشكلة كبيرة في الإلكترونيات ، خاصة عندما تفكر في أن الهواء يمكن أن يكون جافًا ، أو يمكن أن تكون رطوبته 90-100٪ ، على سبيل المثال ، في المناطق الاستوائية أو في الشمال.
مثال:دعنا نتفق على أنه يوجد في هذا المثال 3 موصلات: جهد شبكة معدل + 310 فولت ، خط طاقة منخفض الجهد لوحدة التحكم الدقيقة + 3.3 فولت وحافلة أرضية (GND).
1) سيء
2) جيد
لماذا 0.3 مم سيئ و 0.8 مم جيد بالفعل تسألون وكإجابة سأقدم لك مصدرين:
1) الفيزياء العادية والهندسة الكهربائية. تختلف البيانات الموجودة بها بسبب طرق القياس المختلفة وأشياء أخرى ، ولكن الرقم الأكثر واقعية
للهواء الجاف هو
2 كيلو فولت / مم . هنا ، سيخشى الكثير من الأرقام ويفكرون: "ليس لدي مثل هذه التوترات" وهذا سيكون خطأ. هذه القيمة مميزة فقط للهواء الجاف ، الذي نادرًا ما يصادف في الظروف الحقيقية. وهنا تكون الأرقام أكثر تواضعا ، على سبيل المثال ، عند رطوبة 100 ٪ ، جهد انهيار الهواء هو
250 فولت / مم فقط ! وأيضًا يؤثر محتوى الغبار من الهواء والألواح ، بالإضافة إلى الضغط الجوي (منحنى وقانون باشين) على قيمة جهد الانهيار.
2) معيار IPC-2221 ، الرابط الذي أعطيته في البداية. نحن مهتمون بالجدول 6-1 ، الذي يبدو كما يلي:
كما ترى في الجدول لعدد كبير من القيم ، حتى بالنسبة
لحالتنا المحددة ،
301-500 فولت . إذا نظرنا ، سنرى قيمة 0.25 ملم للموصلات المغلقة على الطبقات الداخلية ، أي في ظروف "مثالية" دون الوصول إلى الغبار والأوساخ والرطوبة. إذا كان الجهاز سيعمل في مكان ما في الجبال وكان الموصل على الطبقات الخارجية (جميع الموصلات في حالة لوح من طبقتين) على ارتفاع يصل إلى 3000 متر ، فإن الحد الأدنى للخلوص هناك 2.5 مم بالفعل ، أي 10 مرات أكثر. إذا قمنا بتشغيل الجهاز على ارتفاع أعلى ، فإن الفجوة مطلوبة بالفعل عند 12.5 ملم! يجدر إبداء تعليق - مطلوب مثل هذه الفجوة الكبيرة إذا لم يكن مجلسنا مغطى بمركبات واقية ، على سبيل المثال ، الورنيش أو المركب. بمجرد ظهور الطلاء الواقي ، نرى بالفعل قيمًا أكثر ملاءمة:
0.8 و
1.5 مم.
لذلك ، في مثال "جيد" ، بالإضافة إلى توفير خلوص يبلغ 0.8 مم ، من الضروري أيضًا تغطية اللوح بمركب وقائي ، على سبيل المثال ، الورنيش بعد الانتهاء من تركيب الجهاز ، وغسله وتجفيفه. خلاف ذلك ، زيادة الخلوص!
القاعدة رقم 6 - إزالة الجلفنة
خطأ - معادلة الفجوة العازلة بالكلفاني. في الواقع ، إنها متشابهة جدًا ، لكن المتطلبات أكثر صرامة عندما يتعلق الأمر بالعزل الجلفاني. حالة ملفتة للنظر هي فصل دائرة التحكم ووحدة الطاقة باستخدام مرحل أو optocoupler ، عندما يتم أيضًا اختيار الفجوة بين الجوانب المنفصلة 0.8 أو 1.5 مم.
المشكلة رقم 1 - انهيار العزل وفشل نظام التحكم وغيرها من المعدات باهظة الثمن.
الحل هو زيادة عتبة الانهيار الكهربائي. عادة ما تكون القيم الافتراضية 1.5 كيلو فولت ، 2.5 كيلو فولت و 4 كيلو فولت. إذا كان جهازك يعمل مع التيار الكهربائي الرئيسي ، ولكن الشخص لا يتفاعل معه مباشرة ، فسيكون جهد العزل 1.5 كيلو فولت كافٍ. إذا كان من المفترض تفاعل الإنسان مع الجهاز ، على سبيل المثال ، من خلال الأزرار وعناصر التحكم الأخرى ، فإنني أوصي باستخدام العزل بجهد 2.5 كيلو فولت أو أكثر.
مثال:1) سيء
تسأل ما هو سيئ ، لأنه توجد فجوات على اللوحة ، يمكن أيضًا صنعها 1.5 مم. والحقيقة هي أنه حتى إذا تم عمل فجوة 2 مم ، فلن يكون ذلك كافيًا لضمان العزل. يجب أن تكون النقطة الأضعف هي المسافة بين أطراف التحكم في التتابع (1-2) وأطراف الطاقة (3-8). يجب أن يوضع في الاعتبار أيضًا أن الانهيار لا يمكن أن يكون فقط بين الموصلات على نفس الطبقة ، ولكن أيضًا على موصلات مختلفة - من خلال اللوحة ومن خلال الألياف الزجاجية.
2) جيد
ما تم القيام به لتحسين الوضع:أ) هناك حدود واضحة بين أجزاء الجهد المنخفض والجهد العالي. الآن لا يمر الموصل + 3.3 فولت في منطقة الجهد العالي + 310 فولت ، ولا يتجاوز نطاق GND حدود جزء الجهد المنخفض ، على التوالي ، ولن يكون هناك أي انهيار. أيضًا ، يجب ألا يكون هناك أي شيء على الإطلاق في منطقة / حدود العزل الجلفاني.
ب) يتم تحرير المنطقة العازلة من قناع اللحام. القناع أيضًا نقطة ضعف ، واعتمادًا على الجودة ، سيخترق في وقت أبكر من الألياف الزجاجية. هذا ليس ضروريًا في الحالة العامة ، ولكن إذا تفاعل الناس مع الجهاز ، فإنني أوصي به بشدة.
ج) كما كتبت أعلاه ، فإن نقطة الضعف هي المسافة بين طرفي التحكم والطاقة في المرحل. في كل مكان كنت قادرا على جعل منطقة عازلة من 4 ملم ، وهنا فقط 2.5 ملم. قمنا بتنظيف القناع ، من الموصلات أيضًا ، والشيء الوحيد الذي يمكن من خلاله حدوث عطل على اللوح هو الألياف الزجاجية. لذلك ، نقوم بإزالته أيضًا ، لقد قمت بعمل قطع تحت التتابع بعرض 2.5 مم وإزالة الرسالة النصية بين المحطات. هذه العملية ليست ضرورية أيضًا ، ولكنها تزيد بشكل كبير من موثوقية جهازك وأمانه.
القاعدة رقم 7 - vias
خطأ - في كثير من الأحيان أرى صورة عندما تكون على لوحة دائرة مطبوعة من طبقتين من أجل توصيل لوحتي اتصال ، أستخدم 3..4 ... أو حتى 5 vias.
المشكلة رقم 1 - هناك الكثير من الفياسات (عبر) على اللوح وهذا يحد من مساحة الموصلات ، مما يؤدي إلى إطالة الدوائر ، وبالتالي زيادة مقاومتها. يقلل من مناعة الضوضاء للدوائر والإشارات.
الحل - استخدم الحد الأدنى لعدد الفتحات: إذا كنت بحاجة إلى توصيل دبابيس على طبقات مختلفة ، فلا تستخدم أكثر من 1 فتحات. إذا كان هناك دبابيس على نفس الطبقة ولا يمكنك توصيلهما مباشرة ، فاستخدم بحد أقصى فتحتين. إذا كنت بحاجة إلى المزيد من التحولات للاتصال ، فأنت تفعل شيئًا خاطئًا - درب المنطق وأعد تكاثر جزء اللوحة الذي أدى إلى المشكلة.
مثال:1) سيء
2) جيد
تم استخدام الحد الأدنى من vias (عبر) للاتصال ، مما يعطي مساحة أكبر لمزيد من الموصلات الأخرى ويوفر الحد الأدنى من المعلمات الطفيلية للموصل.
بعض النصائح العامة
- لا تستخدم autorouters! في شكل "الخام" ، وليس ضبطها ، فإنها تعطي نتيجة رهيبة ، والتي سوف تحول حتى ألمع فكرة إلى ذرق الطائر. لكي يعمل جهاز التوجيه الآلي بشكل جيد ، يحتاج إلى تحديد قواعد معينة تخبره أن الطرق لا تحتاج إلى 0.15 ، ولكن 1 مم وما إلى ذلك. للحصول على نتيجة مناسبة ، حتى على البطاقات البسيطة ، يجب عليك تسجيل مائة ، أو حتى اثنتين ، من هذه القواعد بأنفسهم. في Altium Designer ، يتم تمييز قسم كامل تحته ، على سبيل المثال. إذا كنت من الهواة وليس لديك مهمة لتصميم اللوحة الأم لجهاز كمبيوتر محمول ، فتجاهل اللوحة بيديك - ستخرج بشكل أسرع وستكون الجودة في أفضل حالاتها
- لا تكن كسولًا لإعادة تشكيل اللوحة. , 90%, «» . , ,
- , open source , , hackaday.
- , — .
الخلاصة
. , . , 4 1- , .
, — IPC , , « » . , . - , 2018 , , SPI .