طراحی برد مدار چاپی PCB) به چندین مرحله تقسیم میشود که همه آنها برای دستیابی به هدفی که هر طراح برای خود تعیین میکند، مهم و ضروری هستند: ایجاد مداری در مدت زمان کوتاه که بتواند تمام عملکردهای مورد نیاز را به خوبی انجام دهد. پس از انتخاب مواد و ساختار فیزیکی PCB (تعداد لایهها و چیدمان مراحل بعدی شامل قرار دادن قطعات، توزیع آنها بین لایههای مختلف و مسیریابی مسیرها میشود. در این مقاله، این نکته آخر را تجزیه و تحلیل خواهیم کرد و نکاتی را ارائه میدهیم که میتواند یکی از ظریفترین و از برخی جهات رضایتبخشترین مراحل طراحی PCB، یعنی مسیریابی، را ساده کند (و از برخی اشتباهات رایج جلوگیری کند). بنابراین، تصادفی نیست که مهارتهای مسیریابی که با سالها تجربه در طراحی حرفهای PCB به دست میآیند، اغلب با هنر برابر دانسته میشوند.
مسیریابی دستی یا خودکار؟
هر نرمافزار طراحی PCB معتبری شامل یک ویژگی مسیریابی خودکار یا autorouting است. کسانی که اولین قدمهای خود را در این دنیا برمیدارند، اغلب به این باور میرسند که autorouter ابزاری بیعیب و نقص است که قادر به حل هر مشکل اتصالی است. در واقع، هیچ autorouter نمیتواند به طور کامل جایگزین مهارتها، تجربه و انعطافپذیری یک طراح شود. به جای تکیه کامل بر این ویژگی، طراحان باید از آن برای صرفهجویی در زمان در ردیابی اتصالات ساده و سرراست یا فقط برای بررسی اینکه چه راهحلی توسط ابزار پیشنهاد میشود، استفاده کنند – گاهی اوقات ممکن است از قبل بهترین راهحل باشد، و گاهی اوقات ممکن است فقط به چند تغییر نیاز داشته باشد.
انتخاب مناسب عرض مسیر
هندسه مسیر (ضخامت و عرض) برای اطمینان از عملکرد صحیح مدار در تمام شرایط محیطی و بار از اهمیت اساسی برخوردار است. مسیرهای یک PCB برای حمل سیگنالهای الکتریکی استفاده میشوند و بنابراین باید عرضی سازگار با جریان عبوری از آنها داشته باشند. طراح باید حداقل عرض هر مسیر را تعیین کند تا از گرم شدن بیش از حد خطرناک برد جلوگیری شود. این پارامتر مستقیماً بر فرآیند مسیریابی تأثیر میگذارد، زیرا فضای موجود در PCB را کاهش میدهد. بنابراین، حداقل عرض باید قبل از قرار دادن مسیرها، با استفاده از یکی از چندین ابزار محاسبهگر که به صورت آنلاین نیز موجود است، تعیین شود. با وارد کردن ضخامت، جریان و حداکثر افزایش دمای قابل قبول، این ابزارها حداقل عرض مسیر را برمیگردانند. ضخامت مسیر PCB بر حسب اونس مس اندازهگیری میشود که مربوط به ضخامتی است که با توزیع یکنواخت یک اونس مس در مساحت یک فوت مربع به دست میآید. این ضخامت 1.4 هزارم اینچ است. PCB های استاندارد از ضخامتهای 1 یا 2 اونسی مس استفاده میکنند، اما برای کاربردهای جریان بالا این مقدار میتواند به 6 اونس برسد. اگر فضای موجود مشکلی ندارد، توصیه میشود از مسیرهایی با عرض بیشتر از حداقل استفاده شود، که در نتیجه مدیریت حرارتی و قابلیت اطمینان برد را بهبود میبخشد. همچنین در نظر داشته باشید که مسیرهای روی لایههای بیرونی تبادل حرارتی بهتری دارند و بنابراین ممکن است عرض کمتری داشته باشند.
جدا نگه داشتن ترک های آنالوگ و دیجیتال
ترک های PCB که سیگنالهای دیجیتال را حمل میکنند، به خصوص اگر در فرکانس بالا باشند، باید از ترک های حامل سیگنالهای آنالوگ جدا نگه داشته شوند. سیگنالهای دیجیتال، مانند باسهای آدرس یا داده، اغلب روی ردپاهای موازی حرکت میکنند و خطر ایجاد کوپلینگهای خازنی و تداخل بین سیگنالها را به همراه دارند. این امر شامل تولید نویز میشود، پدیدهای موذی و اغلب دشوار که بدون ایجاد تغییرات در PCB قابل حل نیست. بنابراین توصیه میشود ردپاهای دیجیتال فرکانس بالا را از ترک هایی که نمیخواهید تحت تأثیر نویز قرار گیرند، دور نگه دارید.
صفحات زمین را فراموش نکنید
حداقل یک صفحه زمین در هر PCB مورد نیاز است زیرا برای همه مسیرها یک نقطه مرجع یکسان برای اندازهگیری ولتاژ فراهم میکند. برعکس، اگر تصمیم بگیرید که هر مسیر را به جای صفحه زمین به زمین وصل کنید، در نهایت با تعداد زیادی اتصال مختلف به زمین مواجه خواهید شد که هر کدام مقاومت و افت ولتاژ خاص خود را دارند. سادهترین و خطیترین راه حل، ایجاد یک صفحه زمین یکپارچه (بدون وقفه) است که میتواند یک ناحیه مسی کامل یا حتی یک لایه کامل در مورد بردهای چند لایه باشد. قرار دادن یک صفحه زمین زیر مسیرهایی که سیگنالها را حمل میکنند به کاهش امپدانس آنها کمک میکند و ایمنی در برابر نویز را بهبود میبخشد. توصیه این است که صفحات قدرت و زمین را در داخلیترین لایههای برد قرار دهید و آنها را متقارن و در مرکز نگه دارید. این اقدام احتیاطی از خم شدن برد، ایجاد تغییر شکل یا جدا شدن جزئی قطعات جلوگیری میکند.
فاصله کافی بین مسیرها را حفظ کنید
حفظ فاصله کافی بین مسیرها و پدهای PCB بسیار مهم است (شکل 1 را ببینید). این کار از وقوع اتصال کوتاه در مراحل ساخت یا مونتاژ PCB جلوگیری میکند. به عنوان یک قاعده کلی، توصیه میشود فاصلهای بین 0.007 تا 0.0010 اینچ بین هر مسیر و پد مجاور باقی بماند. همین قانون در مورد سوراخهای نصب نیز صدق میکند: همیشه باید فضای کافی در اطراف آنها، عاری از مسیرها یا پدها، وجود داشته باشد تا از خطر برق گرفتگی جلوگیری شود. در واقع، پوشش لحیم به تنهایی برای ایجاد عایق کافی جهت جلوگیری از این خطر کافی نیست.
جهت های جایگزین ردیابی
ما از قبل میدانیم که اتصالات بین اجزا باید با ردیابیهایی انجام شود که تا حد امکان کوتاه و مستقیم باشند. اگر بیشتر ردیابیها روی یک لایه از یک جهت خاص (مثلاً افقی) پیروی میکنند، ترجیحاً ردیابیها روی لایه مجاور آن در جهت عمود (مثلاً عمودی) باشند. این به کاهش پدیده تداخل بین ردیابیها کمک میکند. شکل 2 PCB یک برد سازگار با Arduino Mega 2560 را نشان میدهد: مشاهده کنید که چگونه ردیابیها روی دو لایه هرگز در یک جهت نیستند و چگونه ردیابیهای سیگنالهای تغذیه و زمین ضخیمتر از ردیابیهای سیگنال هستند.
از کوپلینگ خازنی اجتناب کنید
برای کاهش کوپلینگ خازنی ایجاد شده توسط مسیرهایی که در بالا و پایین صفحات زمین قرار گرفتهاند، لازم است اطمینان حاصل شود که مسیرهای اختصاص داده شده به سیگنالهای برق و آنالوگ در لایههای اختصاصی قرار گرفتهاند. خازنهای جداکننده، اجزای مقاوم و نسبتاً ارزان، باید همیشه برای جدا کردن خطوط برق و جبران تلرانسهای اجتنابناپذیر اجزا وجود داشته باشند. مسیرهای آنها باید بسیار کوتاه و تا حد امکان نزدیک به ترمینالهای برق اجزا قرار گیرند.
قرار دادن مسیرها و پدهای حرارتی
پدهای حرارتی نقش حیاتی در کاربردهای لحیمکاری موجی روی محصولات با محتوای مس بالا یا روی بردهای چندلایه دارند. به منظور بهبود مدیریت حرارتی، همیشه توصیه میشود از پدهای حرارتی روی قطعات دارای سوراخ استفاده شود، در نتیجه فرآیند لحیمکاری ساده شده و اتلاف گرما بهبود مییابد. به عنوان یک قاعده کلی، توصیه میشود هر زمان که یک مسیر یا سوراخ به زمین یا صفحه قدرت متصل است، یک پد حرارتی قرار دهید. مسیرها و پدهای حرارتی نیز بسیار مهم هستند، زیرا آنها نه تنها قادر به ارائه اتصال الکتریکی بین لایهها هستند، بلکه ابزاری برای انتقال گرما از داغترین قطعات به خارج نیز میباشند. با قرار دادن مسیرها و پدهای حرارتی در زیر سطح تراشه، دمای عملیاتی قطعه کاهش مییابد و قابلیت اطمینان و دوام مدار بهبود مییابد.
مسیرهای اتصال به زمین و قدرت
ترک های مرتبط با سیگنالهای برق و زمین باید ضخیمتر از مسیرهای حامل سیگنالهای دیجیتال یا آنالوگ باشند. این امر به آنها اجازه میدهد تا جریان بیشتری را حمل کنند و حتی با یک بررسی بصری ساده، به راحتی قابل شناسایی باشند و احتمال اتصال نادرست بین سیگنالها و خطوط برق را کاهش دهند. یک قانون رایج این است که از عرض 0.040 اینچ برای مسیرهای اتصال به زمین و برق و عرض 0.025 اینچ برای سایر مسیرها استفاده شود.
از زاویه ۹۰ درجه اجتناب کنید
طراحان RF میدانند که چگونه زوایای حاده و منحنیهای قائمه در فرکانسهای بالا مشکلساز هستند و ناپیوستگیهایی ایجاد میکنند که میتوانند با افزایش تداخل، تابش و بازتاب، یکپارچگی سیگنال را به خطر بیندازند. در کاربردهای فرکانس پایین یا DC، بحث در مورد لزوم اجتناب از زوایای قائمه هنوز باز است. از آنجایی که روند فعلی، گنجاندن ریزپردازندهها و لوازم جانبی است که از سیگنالهای فرکانس بالا در هر طراحی استفاده میکنند، انتخاب عاقلانه میتواند حفظ و اعمال این قانون باشد. در شکل زیر میتوان مشاهده کرد که در چندین مسیر، زوایای قائمه با دو زاویه ۴۵ درجه جایگزین شدهاند.
