Patarimai ir metodikos, kaip sukurti mažas plokštes, kad sumažėtų plokštės dydis

Bet kokiam elektroniniam gaminiui, nesvarbu, ar tai būtų sudėtingas mobilusis telefonas, ar bet kuris kitas paprastas, nebrangus elektronikos žaislas, spausdintinių plokščių (PCB) yra būtina sudedamoji dalis. Produkto kūrimo ciklo metu projektavimo išlaidų valdymas yra didžiulė problema, o PCB yra labiausiai apleista ir brangesnė BOM sudedamoji dalis. PCB kainuoja daug daugiau nei bet kuris kitas grandinėje naudojamas komponentas, todėl sumažinus PCB dydį, ne tik sumažės mūsų gaminio dydis, bet ir daugeliu atvejų sumažės gamybos išlaidos. Tačiau, kaip sumažinti PCB dydį, yra sudėtingas elektronikos gamybos klausimas, nes PCB dydis priklauso nuo kelių dalykų ir turi savo apribojimų. Šiame straipsnyje aprašysime dizaino būdus, kaip sumažinti PCB dydį lyginant kompromisus ir galimus jų sprendimus.

Daugiasluoksnė plokštė takų erdvei ir komponentų atstumui sumažinti

Pagrindinę spausdintinių plokščių vietą užima maršrutas. Prototipo etapuose, kai bandoma grandinė, naudojama viena arba daugiausia dvigubo sluoksnio PCB plokštė. Tačiau dažniausiai grandinė gaminama naudojant SMD („Surface Mount Devices“), kuri projektuotoją priverčia naudoti dvigubo sluoksnio plokštę. Projektuojant lentą iš dvigubo sluoksnio, atveriama paviršiaus prieiga prie visų komponentų ir suteikiamos lentos vietos pėdsakams nukreipti. Lentos paviršiaus plotas gali vėl padidėti, jei plokštės sluoksnis padidinamas daugiau nei du sluoksniai, pavyzdžiui, keturi ar šeši sluoksniai. Tačiau yra trūkumas. Jei plokštė suprojektuota naudojant du, keturis ar net daugiau sluoksnių, sukuriamas didžiulis sudėtingumas grandinės bandymų, remonto ir pertvarkymo požiūriu.

Todėl keli sluoksniai (daugiausia keturi sluoksniai) yra įmanomi tik tada, jei plokštė yra gerai išbandyta prototipo fazėje. Išskyrus plokštės dydį, projektavimo laikas taip pat yra daug trumpesnis nei suprojektuojant tą pačią grandinę didesnėje vieno ar dvigubo sluoksnio plokštėje.

Paprastai galios pėdsakai ir žemės grąžinimo kelio užpildymo sluoksniai yra identifikuojami kaip didelės srovės keliai, todėl jiems reikia storų pėdsakų. Tie aukšti pėdsakai gali būti nukreipti viršutiniame arba apatiniame sluoksniuose, o silpnos srovės keliai arba signalo sluoksniai gali būti naudojami kaip vidiniai sluoksniai keturių sluoksnių PCB. Žemiau esančiame paveikslėlyje parodyta 4 sluoksnių PCB.

Tačiau yra bendrų kompromisų. Daugiasluoksnės PCB kaina yra didesnė nei vieno sluoksnio plokščių. Taigi, prieš pakeičiant vieno ar dviejų sluoksnių plokštę į keturių sluoksnių PCB, būtina apskaičiuoti sąnaudų tikslą. Bet padidinus sluoksnių skaičių, gali smarkiai pasikeisti lentos dydis.

Terminių problemų valdymas keičiant vario storį

PCB yra labai naudingas didelės srovės grandinių projektavimo atvejis, tai yra šilumos valdymas PCB. Kai didelė srovė teka per PCB pėdsakus, tai padidina šilumos išsiskyrimą ir sukuria pasipriešinimą keliuose. Tačiau, išskyrus specialius storus pėdsakus didelės srovės keliams valdyti, pagrindinis PCB privalumas yra sukurti PCB šilumos kriaukles. Taigi, jei schemoje šilumos valdymui naudojamas didelis PCB vario plotas arba skiriamos didžiulės erdvės didelės srovės pėdsakams, plokštės dydį galima sumažinti naudojant didėjantį vario sluoksnio storį.

Pagal IPC2221A dizaineris reikiamiems dabartiniams keliams turėtų naudoti mažiausią pėdsakų plotį, tačiau reikėtų atsižvelgti į bendrą pėdsakų plotą. Apskritai PCB vario sluoksnio storis buvo 1Oz (35um). Bet vario storį galima padidinti. Todėl, naudojant paprastą matematiką, padvigubinus storį iki 2Oz (70um), pėdsakų dydis gali būti sumažintas perpus tiek pat, kiek ir tas pats. Be to, 2Oz vario storis taip pat gali būti naudingas PCB pagrįstai šilumos kriauklei. Taip pat gali būti didesnė vario galia, kuri svyruoja nuo 4Oz iki 10Oz.

Taigi vario storio padidinimas efektyviai sumažina PCB dydį. Pažiūrėkime, kaip tai gali būti veiksminga. Žemiau pateiktas paveikslėlis yra internetinė skaičiuoklė, skirta apskaičiuoti PCB pėdsakų plotį.

Srovės, kuri tekės per pėdsaką, vertė yra 1A. Vario storis nustatomas kaip 1 Oz (35 um). Temperatūra ant pėdsakų pakils 10 laipsnių esant 25 laipsnių Celsijaus aplinkos temperatūrai. Pėdsakų pločio išėjimas pagal IPC2221A standartą yra

Pagal tą pačią specifikaciją, padidinus vario storį, pėdsakų plotį galima sumažinti.

Reikalingas storis yra tik

Komponento paketo pasirinkimas

Komponentų pasirinkimas yra pagrindinis grandinės projektavimo dalykas. Elektronikoje yra tų pačių, bet skirtingų pakuočių komponentų. Pavyzdžiui, paprastą rezistorių, kurio reitingas yra.125 vatai, galima įsigyti skirtingose ​​pakuotėse, pvz., 0402, 0603, 0805, 1210 ir kt.

Dažniausiai PCB prototipas naudoja didesnius komponentus, naudojančius 0805 arba 1210 rezistorius, taip pat nepolarizuotus kondensatorius, kurių klirensas yra didesnis nei paprastai, nes juos lengviau valdyti, lituoti, pakeisti ar išbandyti. Tačiau ši taktika galiausiai turi didžiulę erdvę lentoje. Gamybos etape komponentai gali būti keičiami į mažesnę pakuotę su tuo pačiu įvertinimu ir lentos erdvė gali būti suspausta. Mes galime sumažinti tų komponentų pakuotės dydį.

Bet situacija yra tai, kurį paketą pasirinkti? Nepraktiška naudoti mažesnes pakuotes nei 0402, nes standartinėms gamybos ir gamybos mašinoms, kurios yra prieinamos gamybai, gali būti apribojimų tvarkyti mažesnes nei 0402 SMD pakuotes.

Kitas mažesnių komponentų trūkumas yra galingumas. Mažesnės pakuotės nei 0603 galėtų apdoroti daug mažesnę srovę nei 0805 arba 1210. Taigi, norint tinkamai pasirinkti komponentus, reikia atidžiai apsvarstyti. Tokiu atveju, kai mažesnių pakuočių negalima naudoti norint sumažinti PCB dydį, galima redaguoti pakuotės pėdsaką ir kiek įmanoma sumažinti komponentų kilimėlį. Dizaineris gali sugriežtinti daiktus šiek tiek griežčiau, pakeisdamas pėdsakus. Dėl dizaino nuokrypių turimas numatytasis pėdsakas yra įprastas pėdsakas, kuriame gali būti bet kokia paketų versija. Pavyzdžiui, 0805 pakuočių pėdsakas pagamintas taip, kad galėtų apimti kuo daugiau 0805 variantų. Variacijos įvyksta dėl skirtingo gamybos pajėgumo.Skirtingos įmonės naudoja skirtingas gamybos mašinas, kurios anksčiau tam pačiam 0805 paketui turėjo skirtingus nuokrypius. Taigi numatytieji paketo pėdsakai yra šiek tiek didesni, nei reikia.

Galima rankiniu būdu redaguoti pėdsaką naudojant konkrečių komponentų duomenų lapus ir, jei reikia, galima sumažinti trinkelių dydį.

Plokštės dydį galima sumažinti ir naudojant SMD pagrindu pagamintus elektrolitinius kondensatorius, nes atrodė, kad jų skersmuo yra mažesnis nei to paties įvertinimo skylių komponentų.

Kompaktiški „New Age“ jungtys

Kitas kosmoso ištroškęs komponentas yra jungtys. Jungtys naudoja didesnę lentos erdvę, o pėdsakui taip pat naudojamos didesnio skersmens pagalvėlės. Jungčių tipų keitimas gali būti labai naudingas, jei leidžia srovė ir įtampa.

Jungčių gamybos įmonė, pavyzdžiui, „Molex“ ar „Wurth Electronics“ ar kitos didelės kompanijos, visada teikia kelių dydžių to paties tipo jungtis. Taigi, pasirinkus tinkamą dydį, būtų galima sutaupyti ir išlaidas, ir lentos vietą.

Rezistorių tinklai

Daugiausia mikrokontrolerio pagrindu suprojektuoti serijiniai praeinamieji rezistoriai yra tai, ko visada reikia norint apsaugoti mikrovaldiklį nuo didelės srovės tekėjimo per IO kaiščius. Todėl reikia naudoti daugiau nei 8 rezistorius, kartais daugiau nei 16 rezistorių, kaip serijinius praeinamuosius rezistorius. Toks didžiulis rezistorių skaičius PCB užima daug daugiau vietos. Šią problemą galima išspręsti naudojant rezistorių tinklus. Paprastas 1210 paketinis rezistorių tinklas galėtų sutaupyti vietos 4 ar 6 rezistoriams. Žemiau pateiktame paveikslėlyje yra 5 rezistorius 1206 pakuotėje.

Sudėtinės pakuotės, o ne standartinės pakuotės

Yra daugybė konstrukcijų, kurioms reikalingi keli tranzistoriai arba net daugiau nei du MOSFET skirtingiems tikslams. Pridėjus atskirus tranzistorius ar „Mosfets“, gali atsirasti daugiau vietos nei naudojant sukrautus paketus.

Yra keletas variantų, kurie naudoja kelis komponentus viename pakete. Pavyzdžiui, taip pat yra dvigubų „Mosfet“ arba „quad MOSFET“ paketų, kurie užima tik vieno „Mosfet“ vietą ir gali sutaupyti didžiulį kiekį lentos.

Šiuos triukus galima pritaikyti beveik kiekvienam komponentui. Dėl to mažesnė lentos erdvė, o premijos taškas yra tas, kad kartais tų komponentų kaina yra mažesnė nei naudojant atskirus komponentus.

Pirmiau pateikti punktai yra galima išeitis mažinant PCB dydį. Tačiau kaina, sudėtingumas ir PCB dydis visada turi keletą svarbių su sprendimais susijusių kompromisų. Reikia pasirinkti tikslų kelią, kuris priklauso nuo tikslinės programos ar konkretaus tikslinio grandinės dizaino.