Häufige Probleme und Lösungen beim PCB-Design

Auf dem Gebiet der Elektrotechnik ist die Leiterplatte (Gedruckte Schaltung) als Kernkomponente elektronischer Geräte steht die Qualität ihres Designs in direktem Zusammenhang mit der Leistung, Zuverlässigkeit und Produktivität der Geräte. Während des Entwurfsprozesses stoßen Ingenieure oft auf eine Vielzahl von Herausforderungen, die sich bei unsachgemäßer Handhabung negativ auf das gesamte System auswirken. Im Folgenden werden häufige Probleme beim Leiterplattendesign eingehend analysiert, und es werden gezielte Lösungen angeboten, die den Designern helfen, potenzielle Risiken zu vermeiden und die Designqualität zu verbessern.

1. die Anordnung der Komponenten ist nicht sinnvoll

Probleme

Eine zu dichte Anordnung der Komponenten erhöht die Wahrscheinlichkeit von Interferenzen zwischen den Signalen und behindert gleichzeitig die Wärmeverteilung, was zu hohen lokalen Temperaturen führt; eine zu verstreute Anordnung führt zu einer Verlängerung der Verdrahtung, was nicht nur eine Verschwendung von Platz auf der Platine bedeutet, sondern auch die mögliche Einführung zusätzlicher Signalverzögerungen und Störungen. Darüber hinaus erschwert ein unangemessenes Layout auch die spätere Verdrahtung, um die Designanforderungen zu erfüllen.

Die Lösung

Funktionales modulares Layout: Das Layout wird entsprechend den Funktionsmodulen der Schaltungen aufgeteilt, und Hochfrequenzschaltungen werden streng von Niederfrequenzschaltungen getrennt. Beim Leiterplattendesign von drahtlosen Kommunikationsgeräten werden beispielsweise HF-Module und Basisband-Verarbeitungsmodule in verschiedenen Bereichen der Leiterplatte angeordnet, um die Interferenz von Hochfrequenzsignalen mit Niederfrequenzsignalen zu reduzieren.
Optimieren Sie die Anordnung der Wärmeableitung:Halten Sie die wärmeerzeugenden Komponenten in einem angemessenen Abstand zu den empfindlichen Geräten, um eine Leistungsverschlechterung der wärmeempfindlichen Komponenten aufgrund hoher Temperaturen zu vermeiden. Gleichzeitig sollten Sie ausreichend Platz für die Wärmeabgabe der wärmeerzeugenden Komponenten vorsehen und zusätzliche Maßnahmen zur Wärmeabgabe wie z. B. Wärmeabgabeöffnungen und Kühlkörper vorsehen.
Vorrangige Anordnung der wichtigsten Geräte: Im Layout, die Priorität, um die Lage der wichtigsten Geräte (wie CPU, Speicher-Chips, etc.) zu bestimmen, das Layout dieser Geräte wirkt sich direkt auf die Signalintegrität und Systemleistung. Nehmen Sie die Computer-Motherboard-Design als Beispiel, die Lage der CPU bestimmt die Richtung der High-Speed-Signal Verdrahtung wie Speicher, Grafikkarte, etc. Ein vernünftiges Layout der CPU kann Signalverzögerungen und -störungen wirksam reduzieren. Bestimmen Sie die Position der wichtigsten Geräte und ordnen Sie dann nach und nach die peripheren Komponenten an, um sicherzustellen, dass das Gesamtlayout kompakt und vernünftig ist.

2) Probleme mit der Signalintegrität

Problem Leistung

Signalreflexion, Übersprechen oder Verzögerungsphänomene können bei der Signalübertragung aufgrund von Impedanzfehlanpassungen, zu langer Ausrichtung, zu vielen Überbohrungen und anderen Faktoren auftreten und zu Signalverzerrungen führen, die wiederum Kommunikationsfehler auslösen.
Diese Probleme treten vor allem bei digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen auf, die zu Datenübertragungsfehlern, Systemabstürzen und anderen schwerwiegenden Folgen führen können.

Die Lösung

Differentielles Paar-Design: Für Hochgeschwindigkeitssignalleitungen (z. B. USB, HDMI usw.) wird ein Differenzialpaar verwendet. Differentialsignale werden über zwei Signalleitungen mit entgegengesetzter Polarität übertragen, was eine starke Anti-Interferenz-Fähigkeit hat, Gleichtaktrauschen effektiv unterdrücken kann und die Genauigkeit und Stabilität der Signalübertragung verbessert.
Kontrolle der Impedanzanpassung: Stellen Sie sicher, dass die charakteristische Impedanz der Ausrichtung mit der Impedanz der Signalquelle und der Last übereinstimmt, um Signalreflexionen zu vermeiden. Im Designprozess kann die Impedanz durch Anpassung der Ausrichtungsbreite, der dielektrischen Dicke und anderer Parameter kontrolliert werden. Versuchen Sie gleichzeitig, eine rechtwinklige Ausrichtung zu vermeiden, da eine rechtwinklige Ausrichtung die charakteristische Impedanz der Ausrichtung verändert, was zu Signalreflexionen und Abstrahlung führt.
Optimieren Sie das Design der Referenzschicht: Durch das Hinzufügen von Abschlusswiderständen oder die Verwendung einer Grundplatte als Referenzschicht können reflektierte Signale effektiv absorbiert und das Signalrauschen reduziert werden. Die Grundplatte bietet nicht nur einen guten Rückweg für das Signal, sondern dient auch als Abschirmung gegen Störungen.

3. die Signalkaskadengestaltung ist nicht sinnvoll

Problem Leistung

Eine unsachgemäß ausgeführte Signalstapelung kann zu erhöhtem Übersprechen und einer Verschlechterung der Signalübertragungsqualität führen.Besonders in Multilayer-LeiterplattenentwurfEine unangemessene Stapelreihenfolge kann dazu führen, dass Hochgeschwindigkeitssignale gestört werden, was die Gesamtleistung des Systems beeinträchtigt.
Wenn beispielsweise die Hochgeschwindigkeitssignalebene an die Stromversorgungsebene angrenzt, kann es leicht zu Störungen der Stromversorgung kommen, die die Signalübertragung beeinträchtigen.

Lösung

Befolgen Sie das Prinzip des Layer-Stacking-Designs: Planen Sie den Lagenaufbau entsprechend dem Signaltyp und der Frequenz, platzieren Sie die Hochgeschwindigkeitssignalebene in der Regel in der mittleren Lage und isolieren Sie sie durch die Masse- oder Stromversorgungsebene. Bei einem 8-Lagen-Leiterplattendesign können beispielsweise die Lagen 2 und 7 als Masseebenen festgelegt werden, während die Lagen 3 und 6 für die Hochgeschwindigkeitssignalübertragung verwendet werden, um das Übersprechen der Signale wirksam zu reduzieren.
Kontrolle der dielektrischen Dicke und der Dielektrizitätskonstante: Angemessene Auswahl der dielektrischen Dicke und der Dielektrizitätskonstante des Leiterplattensubstrats zur Optimierung der charakteristischen Impedanz der Signalübertragung und der Übertragungsverzögerung. Für Hochgeschwindigkeitssignale können Leiterplatten mit niedriger Dielektrizitätskonstante verwendet werden, um den Signalverlust zu verringern.

4. das Design der Bohrung ist nicht standardisiert

Probleme

Unangemessene Größe, übermäßige Anzahl oder unsachgemäße Anordnung von Durchkontaktierungen erhöhen die Verluste und Reflexionen bei der Signalübertragung und beeinträchtigen die Signalintegrität.So kann z. B. die Nichtübereinstimmung zwischen der Öffnung der Durchkontaktierungen und der Größe der Pads zu einer schlechten Lötung führen; eine große Anzahl von Durchkontaktierungen, die im Hochgeschwindigkeitssignalpfad konzentriert sind, führt zu zusätzlichen parasitären Kapazitäten und Induktivitäten.

Die Lösung

Optimieren Sie über Parameter: Wählen Sie die geeignete Durchgangsöffnung, Padgröße und Bohrtiefe entsprechend der Signalfrequenz und dem Strom. Bei Hochfrequenzsignalen sollten Sie die Größe der Durchkontaktierungen minimieren und Blind- oder Buried-Hole-Designs verwenden, um den Signalverlust zu verringern.
Vernünftige Planung der Überlochung: Vermeiden Sie eine dichte Verteilung von Überbohrungen auf dem Hochgeschwindigkeitssignalweg und dezentralisieren Sie die Lage der Überbohrungen, um die Auswirkungen auf die Signalübertragung zu verringern. Stellen Sie gleichzeitig sicher, dass die Verbindung zwischen der Überbohrung und der Signalleitung glatt ist und vermeiden Sie rechtwinklige Verbindungen.

5. unzureichende Energieintegrität

Probleme

Übermäßiges Rauschen in der Stromversorgung, Spannungseinbrüche und andere Probleme können die Stabilität des Systems ernsthaft beeinträchtigen.Das Rauschen der Stromversorgung kann den normalen Betrieb empfindlicher Schaltkreise stören und zu Signalverzerrungen führen, während Spannungseinbrüche den Chip daran hindern können, ordnungsgemäß zu funktionieren, was zu Abstürzen, Neustarts und anderen Phänomenen führen kann.

Lösung

Multilayer-Platinenentwurf: Es wird ein mehrlagiges Leiterplattendesign verwendet, das auf Stromversorgungs- und Erdungsebenen spezialisiert ist. Die mehrlagige Platine bietet eine große Fläche für die Stromversorgung und die Masse, wodurch die Impedanz der Stromversorgung und der Masse gesenkt und das Rauschen der Stromversorgung reduziert wird. Gleichzeitig kann die Kapazität, die sich zwischen der Stromversorgungs- und der Masseebene bildet, auch eine Rolle bei der Filterung spielen und die Stabilität der Stromversorgung weiter verbessern.
Angemessene Platzierung von Entkopplungskondensatoren: Entkopplungskondensatoren werden in der Nähe des Stromeingangs und des Chips platziert, Entkopplungskondensatoren können schnell auf den transienten Strombedarf des Chips reagieren und das Rauschen der Stromversorgung unterdrücken. Im Allgemeinen müssen für unterschiedliche Frequenzrauschen, verschiedene Kapazität Entkopplungskondensatoren für die Filterung wählen.
Optimieren Sie den Strompfad: Verwenden Sie breite Leiterbahnen oder Kupfer, um die Impedanz des Strompfads zu senken und den Spannungsabfall zu verringern. Eine breite Ausrichtung und ein Kupferpflaster können eine höhere Strombelastbarkeit bieten und sicherstellen, dass das Netzteil die einzelnen Komponenten stabil mit Strom versorgen kann.

6 Probleme mit der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV)

Problemleistung

Circuit Board Strahlung übersteigt die Norm wird Interferenzen mit den umliegenden elektronischen Geräten zu produzieren, und schlechte Störfestigkeit ist leicht zu machen, die Platine durch die externe elektromagnetische Störungen, was zu einer Verschlechterung der Systemleistung oder sogar nicht richtig funktionieren.

Lösung

Layout der Signalisolierung: Halten Sie empfindliche Signale von Takt- und Stromleitungen fern, da Takt- und Stromleitungen die Hauptquelle für elektromagnetische Störungen sind. Verringern Sie durch ein vernünftiges Layout die Kopplung zwischen empfindlichen Signalen und Störquellen, um die Auswirkungen elektromagnetischer Störungen zu reduzieren.
Abschirmende Behandlung: Abschirmung der Hochfrequenzschaltungen. Eine Metallabdeckung oder ein Abschirmungsnetz kann verwendet werden, um die Hochfrequenzschaltungen zu schließen, um das Austreten von elektromagnetischer Strahlung zu verhindern, und gleichzeitig kann es auch den externen elektromagnetischen Störungen widerstehen.
Stellen Sie die Integrität der Grundplatte sicher: Achten Sie auf die Unversehrtheit der Grundplatte, um eine Aufspaltung zu vermeiden, die einen unterbrochenen Rückweg zur Folge hat.
Eine vollständige Grundplatte kann einen guten Rückweg für das Signal bieten und elektromagnetische Strahlung reduzieren. Versuchen Sie bei der Planung zu vermeiden, dass die Grundplatte bei wichtigen Signalen geteilt wird.

7. die Kompatibilität von Hochgeschwindigkeitsschnittstellen

Problem Leistung

Mit dem weit verbreiteten Einsatz von Hochgeschwindigkeitsschnittstellen (wie PCIe, Thunderbolt usw.) werden Fragen der Schnittstellenkompatibilität immer wichtiger.Wenn das Schnittstellendesign nicht den Spezifikationen entspricht, kann dies zu Problemen führen, wie z. B. nicht erkennbare Geräte, reduzierte oder instabile Datenübertragungsraten usw.

Lösung

Halten Sie sich strikt an die Schnittstellenstandards: Bei der Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Schnittstellenschaltungen sind die einschlägigen Normen gründlich zu studieren und strikt zu befolgen, um sicherzustellen, dass die elektrischen Eigenschaften der Schnittstelle, das Signaltiming usw. den Anforderungen entsprechen. Bei der Entwicklung von PCIe-Schnittstellen müssen beispielsweise die Signaltopologie und die Anforderungen an die Impedanzanpassung, die im PCIe-Protokoll festgelegt sind, strikt beachtet werden.
Überprüfung der Signalintegrität: Verwenden Sie Simulationswerkzeuge, um die Integrität von Hochgeschwindigkeits-Schnittstellensignalen zu analysieren, die Signalübertragung unter verschiedenen Arbeitsbedingungen zu simulieren und mögliche Probleme im Voraus zu erkennen und zu lösen. Gleichzeitig werden in der eigentlichen Testphase professionelle Testgeräte eingesetzt, um die Leistung der Schnittstelle umfassend zu testen und die Kompatibilität und Stabilität der Schnittstelle zu gewährleisten.

8. mangelhaftes Design der Wärmeableitung

Problem Leistung

Eine zu hohe lokale Temperatur beschleunigt die Alterung des Geräts, verkürzt die Lebensdauer des Geräts und kann sogar zu einem Geräteausfall führen, was die Zuverlässigkeit des gesamten Systems beeinträchtigt.

Lösung

Löcher zur Wärmeableitung hinzufügen: Fügen Sie Wärmeableitungslöcher unter den wärmeerzeugenden Komponenten hinzu. Die Wärmeableitungslöcher können die Wärme schnell auf die andere Seite der Platine leiten, die Wärmeableitungsfläche vergrößern und die Effizienz der Wärmeableitung verbessern.
Zusätzliche Maßnahmen zur Wärmeableitung: Verwenden Sie je nach Bedarf Kühlkörper oder Lüfter, um die Wärmeableitung zu unterstützen. Kühlkörper können die Wärmeabgabefläche vergrößern und die Wärmeabgabe beschleunigen; Lüfter können die Wärme durch erzwungene Konvektion von der Leiterplatte abführen.
Analyse der thermischen Simulation: In der Design-Phase, durch die Simulations-Software, um die thermische Verteilung im Voraus zu analysieren, um die Temperatur der Leiterplatte in verschiedenen Arbeitsbedingungen zu verstehen, um so die Wärmeableitung Design zu optimieren, um sicherzustellen, dass die Temperatur der Leiterplatte in einem angemessenen Bereich.

9. Probleme mit der Herstellbarkeit der Produktion

Probleme

Wenn das Muster nicht den Anforderungen PCB-Hersteller’s Prozess Dies führt zu verschiedenen Problemen während des Produktionsprozesses, wie z. B. schlechtes Löten, Kurzschlüsse usw., wodurch sich die Produktionskosten erhöhen und der Produktionszyklus verlängert wird.

Die Lösung

Befolgen Sie die Gestaltungsregeln: Machen Sie sich vor dem Entwurf mit den von den Leiterplattenherstellern vorgegebenen Entwurfsregeln (z. B. Mindestlinienbreite, Öffnungsdurchmesser usw.) vertraut und entwerfen Sie unter strikter Einhaltung dieser Regeln, um die Herstellbarkeit des Entwurfs zu gewährleisten.
Optimieren Sie das Pad-Design: Vermeiden Sie zu kleine Lötaugenabstände, um Brückenbildung beim Löten zu vermeiden. Ein vernünftiges Design von Form, Größe und Abstand der Pads kann die Lötqualität verbessern und die Rate der Lötfehler reduzieren.
Prozesshilfselemente hinzufügen: Fügen Sie Prozesskanten und Positionierungslöcher hinzu, um die Montage zu erleichtern. Prozesskanten können die Verarbeitung, Prüfung und Montage von Leiterplatten erleichtern, und Positionierungslöcher werden verwendet, um die Positionsgenauigkeit der Leiterplatte während der Verarbeitung und Montage zu gewährleisten.

10. schwierige Tests und Fehlersuche

Problem Leistung

Fehlende Testpunkte erschweren die Fehlersuche, Ingenieure können den Fehlerort nur schwer genau bestimmen, was die Fehlersuchzeit und -kosten erhöht.

Lösung

Reservieren Sie Testpunkte: Reservieren Sie Testpunkte auf wichtigen Signalleitungen, die für Sonden leicht zu kontaktieren sein und eine gute elektrische Leistung aufweisen sollten. Über die Testpunkte können Ingenieure die Signalspannung, die Wellenform und andere Parameter leicht messen und den Fehler schnell lokalisieren.
Verwendung von Standardschnittstellen: Verwenden Sie Standardschnittstellen (z. B. JTAG) für das Debugging von Programmen. Standardschnittstellen sind universell und standardisiert und können leicht an Debugging-Geräte angeschlossen werden, um die Effizienz des Debugging zu verbessern.
Betrachten Sie den Testraum: Berücksichtigen Sie in der Entwurfsphase die Kontaktfläche für die Sonde, um sicherzustellen, dass das Prüfgerät den Prüfpunkt problemlos berühren kann, um zu vermeiden, dass die Prüfung aufgrund von Platzmangel nicht durchgeführt werden kann.

Zusammenfassung

Das Design von Leiterplatten ist ein umfassendes und sehr systematisches Projekt, bei dem verschiedene Faktoren wie die elektrische Leistung, die mechanische Struktur und der Produktionsprozess umfassend berücksichtigt werden müssen. Indem man häufige Probleme im Voraus identifiziert und löst, kann man die Anzahl der Entwurfsiterationen erheblich reduzieren und die Zuverlässigkeit und Stabilität des Produkts verbessern.
Während des Entwurfsprozesses wird empfohlen, dass die Designer die EDA-Tools für die Simulation und Analyse in vollem Umfang nutzen, um potenzielle Probleme im Voraus zu erkennen und das Entwurfsprogramm zu optimieren.Gleichzeitig sollten sie mit den Leiterplattenherstellern eine enge Kommunikation pflegen und sich rechtzeitig über die Anforderungen des Produktionsprozesses informieren, um sicherzustellen, dass das Design erfolgreich umgesetzt werden kann. Nur so können wir hochwertige Leiterplatten entwerfen, die den immer komplexeren Funktionsanforderungen moderner elektronischer Geräte gerecht werden.