Wie PCB-Layout Zuverlässigkeit gewährleistet

Was ist PCB-Layout und wie wichtig ist es?

Wenn Sie die Zuverlässigkeit von PCB-Produkten sicherstellen wollen, müssen Sie zunächst die folgenden drei Dinge tun

1. Was ist PCB?
2. Warum PCB-Layout?
3. PCB-Layout: Wie man Zuverlässigkeit sicherstellt？

1. Was ist die PCB?

PCB ist der Kernträger moderner elektronischer Produkte, der verschiedene elektronische Komponenten durch präzise Kupferfolienausrichtung verbindet, um die Funktion des Schaltungsdesigns zu realisieren und mechanische Unterstützung zu bieten.

Symbole und Terminologie für elektronische Bauteile

Standardisierte Abkürzungen für elektronische Bauteile

• RES: Widerstand
• CAPKondensator
• IND: Induktor
• LEDLicht emittierende Diode
• ICIntegrierte Schaltung

PCB Elektronik Terminologie

• Spannung (V): Potentialdifferenz, gemessen in Volt
• Stromstärke (I): Elektronenfluss, gemessen in Ampere
• Widerstand (R): Fähigkeit, Strom zu behindern, gemessen in Ohm
• Ohm’sches Gesetz: V = I×R
• Kirchhoff’s Gesetze: Einschließlich Stromgesetz (KCL) und Spannungsgesetz (KVL)

PCB-Lagenaufbau und Materialauswahl

Gängige PCB-Lagenstrukturtypen:

1. Einseitige Platten: Geringste Kosten, geeignet für einfache Schaltungen
2. Doppelseitige Tafeln: Beidseitige Leiterbahnen durch Durchkontaktierungen verbunden
3. Mehrschichtige Platten (4-12 Schichten): Bevorzugt für komplexe Schaltungen mit dedizierten Stromversorgungs- und Erdungsebenen

Gängige Trägermaterialien:

• FR-4: Glasfaserverstärktes Epoxidlaminat, am häufigsten verwendet
• Hochfrequente Materialien, Wie z. B. Rogers RO4003C für RF-Schaltungen
• Flexible Materialien: Polyimid für biegsame Schaltungen

2. Warum PCB-Layout?

PCB-Layout bezieht sich auf das schematische Diagramm im eigentlichen Leiterplattendesignprozess, einschließlich der Platzierung der Komponenten, der Planung der Ausrichtung, der Verbindung zwischen den Lagen und anderer wichtiger Schritte.Ein exzellentes PCB-Layout stellt nicht nur sicher, dass die Schaltung ordnungsgemäß funktioniert, sondern verbessert auch die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), die thermische Leistung und die langfristige Zuverlässigkeit des Produkts erheblich.
Statistiken zufolge sind etwa 70 % der Ausfälle von Elektronikprodukten auf PCB-Design Probleme und nicht Defekte an den Bauteilen selbst. Daher ist die Beherrschung professioneller PCB-Layout-Fähigkeiten für Elektronikingenieure von entscheidender Bedeutung.
Nachdem wir die beiden oben genannten Punkte klar verstanden haben, wollen wir uns heute hauptsächlich mit dem dritten Punkt befassen.Was sollte getan werden, um die Zuverlässigkeit der Leiterplatte zu gewährleisten?

PCB layout： How to ensure reliability？

Grundprinzipien und Techniken des PCB-Layouts

Standards für die Platzierung von Komponenten

• Prinzip der Mindestabstände:

• ≥2mm distance between components and board edge (5mm recommended)
• Abstand zwischen den Hochspannungskomponenten: Mindestens 1 mm pro 1000 V hinzufügen

• Funktionale Partitionierung:

• Strikte Trennung von digitalen und analogen Schaltungen
• Dedizierte Bereiche für Hochfrequenzschaltungen
• Arrangement following signal flow (input → processing → output)

• Konsistenz der Orientierung:

• Alle Komponenten sollten die gleiche Ausrichtung haben (horizontal oder vertikal).
• Eindeutige Polaritätsmarkierungen für gepolte Komponenten

• Überlegungen zum Löten:

• Wellenlöt-Komponenten-Abstand: 50- 100 mil (1,27-2,54mm)
• Reflow-Löten ermöglicht etwas kleinere Abstände

Grundlegendes zum Entwurf von Stromversorgungs- und Erdungsebenen

Die Integrität der Stromversorgung wirkt sich direkt auf die Systemstabilität aus. Ausgezeichnete Designs sollten:

• Strategie der Ebenen:

• Dedizierte Stromversorgungs- und Masseschichten in Multilayer-Leiterplatten
• Benachbarte Stromversorgungs-/Erdungsebenen bilden eine natürliche Kapazität

• Spezifikationen zur Spurensuche:

• Breite der Masseleiterbahn > Stromleiterbahn > Signalleiterbahn
• Kritische Stromspuren unter Verwendung von Stern- oder Netz-Topologien

• Platzierung von Entkopplungskondensatoren:

• 0.1μF capacitor near each power pin
• One 10μF bulk capacitor per 5-10 ICs
• Die Kondensatoren werden so nah wie möglich an den Stromanschlüssen platziert.

1. Erdungstechniken:

• Ein-Punkt-Anschluss für digitale/analoge Erdungen
• Mehrpunkt-Erdung für Hochfrequenzschaltungen
• Vermeiden Sie Erdschleifen

Management der Signalintegrität

• Vorrangige Weiterleitung:

• Uhren und Hochgeschwindigkeits-Differentialpaare zuerst weiterleiten
• Beibehaltung einer gleich langen, symmetrischen Streckenführung

• 3W-Regel:

• Center-to-center spacing ≥3×trace width
• Reduziert Übersprechen

• Impedanzkontrolle:

• Berechnung der charakteristischen Impedanz für Hochgeschwindigkeitssignale
• Beibehaltung einer konsistenten Impedanz bei differentiellen Paaren

• Durch Optimierung:

• Minimierung von Durchkontaktierungen bei Hochgeschwindigkeitssignalen
• Verwendung von Blind-/Buried Vias, wenn nötig

Praktische EMC/EMI-Entwurfstechniken

EMI’s drei Elemente kontrollieren

• Unterdrückung von Lärmquellen:

• Uhrschaltungen abschirmen
• Use π-filters for switching power supplies
• Hinzufügen kleiner Vorwiderstände zu schnell schaltenden Geräten

• Blockierung der Koppelstrecke:

• Halten Sie empfindliche Signale von Lärmquellen fern
• Verwenden Sie Guard Traces für kritische Signale
• Abstand zwischen den Schichten vergrößern

• Schutz empfindlicher Stromkreise:

• Trennen Sie analoge Schaltungen von digitalen Bereichen
• Lokaler Kupferguss für Hochfrequenzschaltungen
• Implementierung von Gleichtaktdrosseln

Durchführungsmethoden

• Stackup-Strategie:

• Typischer 4-Schichten-Stapel: Signal-Masse-Strom-Signal
• 6-Lagen-Platinen können spezielle Routing-Lagen hinzufügen

• Filtertechniken:

• Bulk-Elektrolytkondensatoren an Leistungseingängen
• Keramische Entkopplungskondensatoren an IC-Leistungsanschlüssen
• π-type or T-type filters for signal lines

• Abschirmende Maßnahmen:

• Lokaler geerdeter Kupferguss in sensiblen Gebieten
• Erforderlichenfalls Metallschilde
• Ferritperlen an Kabelanschlüssen

Häufige PCB-Layout-Probleme und Lösungen

Problem 1: Wie löst man die Signalreflexion in Hochgeschwindigkeitsschaltungen?

Lösungen:

• Impedanzanpassung implementieren: Source-Series- oder End-Parallel-Terminierung
• Anwendung geeigneter Abbruchstrategien: Parallel, Thevenin, etc.
• Kontrolle der Leiterbahnlänge:Halten Sie Hochgeschwindigkeitsbahnen kurz und gerade
• Avoid sharp angles: Use 45° or curved corners

Problem 2: Wie lässt sich das Stromverteilungsnetz (PDN) in Multilayer-Platten optimieren?

Lösungen:

• Entwurf von Leistungsebenen mit niedriger Impedanz
• Richtige Kombinationen von Entkopplungskondensatoren (große und kleine Werte)
• Verwendung von Tools zur Analyse der Energieintegrität für die Simulation
• Hinzufügen lokaler Stromversorgungsebenen in der Nähe kritischer ICs
• Aufrechterhaltung einer engen Kopplung zwischen Stromversorgungs- und Erdungsebenen

Problem 3: Wie lassen sich Interferenzen zwischen digitalen Schaltungen und analogen Schaltungen wirksam reduzieren?

Lösungen:

• Räumliche Trennung: Mindestens 5 mm Abstand einhalten
• Unterteilung der Massefläche:Ein-Punkt-Verbindung für digitale/analoge Masse
• Unabhängige Stromversorgung:Verwendung von LDOs für analoge Abschnitte
• Signaltrennung:Optokoppler oder magnetische Koppler für Digital-Analog-Signale
• Optimierung des Layouts:Platzieren Sie analoge Schaltungen in der Nähe der Leiterplattenkanten, um Interferenzpfade zu reduzieren.

Zusammenfassung

Ein hervorragendes PCB-Layout ist der Grundstein für die Qualität elektronischer Produkte.Wenn Sie die folgenden Grundsätze und Tipps befolgen, können Sie den Erfolg Ihres Designs erheblich steigern:

1. Erst planen: Vervollständigung der funktionalen Partitionierung und des Stackup-Designs vor dem Start
2. Priorität der Leistung: Ausreichende Anstrengungen zur Optimierung der Energieverteilung unternehmen
3. Signalfokus: Kritische Signale zuerst weiterleiten, um Integrität zu gewährleisten
4. EMC-Entwurf: Kontrolle der EMI an der Quelle statt nachträglicher Korrektur
5. Prüfung der Verifizierung: Verwendung von DRC-Prüfungen und notwendigen Simulationen zur Validierung von Entwürfen

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