En el campo de la ingeniería electrónica, la placa de circuito impreso (Placa de circuito impreso) como componente central de los equipos electrónicos, la calidad de su diseño está directamente relacionada con el rendimiento, la fiabilidad y la productividad del equipo. Durante el proceso de diseño, los ingenieros se encuentran a menudo con una serie de problemas que, si no se resuelven adecuadamente, tendrán un impacto negativo en todo el sistema. A continuación se analizan en profundidad los problemas más comunes en el diseño de PCB y se ofrecen soluciones específicas para ayudar a los diseñadores a evitar posibles riesgos y mejorar la calidad del diseño.
Índice
1.La disposición de los componentes no es razonable
Problemas
Si la disposición de los componentes es demasiado densa, aumentará la probabilidad de interferencia entre las señales, al tiempo que impedirá la distribución del calor, lo que provocará altas temperaturas locales; mientras que si la disposición es demasiado dispersa, se producirá un aumento de la longitud del cableado, no sólo un desperdicio de espacio en la placa, sino también la posible introducción de retardo de señal y ruido adicionales. Además, la disposición poco razonable también dificultará el trabajo de cableado posterior para cumplir los requisitos de diseño.
La solución
Disposición modular funcional: El diseño se divide según los módulos funcionales de los circuitos, y los circuitos de alta frecuencia están estrictamente separados de los de baja frecuencia. Por ejemplo, en el diseño de PCB de equipos de comunicación inalámbrica, los módulos de RF y los módulos de procesamiento de banda base se disponen en distintas zonas de la placa para reducir las interferencias de las señales de alta frecuencia con las de baja frecuencia.
Optimice la disposición de la disipación de calor:Mantenga los componentes generadores de calor a una distancia adecuada de los dispositivos sensibles para evitar la degradación del rendimiento de los componentes sensibles al calor debido a las altas temperaturas. Al mismo tiempo, reserve suficiente espacio de disipación de calor para los componentes generadores de calor, y puede adoptar medidas auxiliares de disipación de calor como orificios de disipación de calor y disipadores de calor.
Disposición prioritaria de los dispositivos clave: En el diseño, la prioridad es determinar la ubicación de los dispositivos clave (como la CPU, los chips de memoria, etc.), la disposición de estos dispositivos afecta directamente a la integridad de la señal y al rendimiento del sistema. Tomemos como ejemplo el diseño de la placa base del ordenador: la ubicación de la CPU determina la dirección del cableado de señales de alta velocidad, como la memoria, la tarjeta gráfica, etc. Una disposición razonable de la CPU puede reducir eficazmente el retardo y las interferencias de la señal. Determine la ubicación de los dispositivos clave y, a continuación, disponga gradualmente los componentes periféricos para garantizar que la disposición general sea compacta y razonable.
2.Problemas de integridad de la señal
Problema Rendimiento
Durante la transmisión de señales pueden producirse fenómenos de reflexión, diafonía o retardo debido a desajustes de impedancia, una alineación demasiado larga, demasiados sobreagujeros y otros factores, lo que provoca distorsiones en la señal que, a su vez, desencadenan errores de comunicación.
Estos problemas son especialmente destacados en los circuitos digitales de alta velocidad, que pueden provocar errores en la transmisión de datos, la caída del sistema y otras graves consecuencias.
La solución
Diseño de pares diferenciales: Para las líneas de señal de alta velocidad (por ejemplo, USB, HDMI, etc.), se utiliza un diseño de par diferencial. Las señales diferenciales se transmiten a través de dos líneas de señal con polaridad opuesta, lo que tiene una gran capacidad antiinterferente, puede suprimir eficazmente el ruido de modo común y mejorar la precisión y estabilidad de la transmisión de señales.
Adaptación de la impedancia de la alineación de control: Asegúrese de que la impedancia característica de la alineación coincide con la impedancia de la fuente de señal y la carga para evitar la reflexión de la señal. En el proceso de diseño, la impedancia puede controlarse ajustando la anchura de la alineación, el grosor del dieléctrico y otros parámetros. Al mismo tiempo, trate de evitar la alineación en ángulo recto, porque la alineación en ángulo recto cambiará la impedancia característica de la alineación, dando lugar a la reflexión de la señal y la radiación.
Optimizar el diseño de la capa de referencia: Añadir resistencias de terminación o utilizar un plano de tierra como capa de referencia puede absorber eficazmente las señales reflejadas y reducir el ruido de la señal. El plano de tierra no sólo proporciona una buena vía de retorno para la señal, sino que también sirve de blindaje contra interferencias.
3.El diseño de la señal en cascada no es razonable
Problema Rendimiento
Un apilamiento de señales mal diseñado puede provocar un aumento de la diafonía de las señales y una degradación de la calidad de transmisión de las mismas.Especialmente en diseño de placas de circuito impreso multicapa, un orden de apilamiento poco razonable puede provocar interferencias en las señales de alta velocidad, afectando al rendimiento global del sistema.
Por ejemplo, si la capa de señal de alta velocidad está adyacente a la capa de fuente de alimentación, es fácil introducir ruido de fuente de alimentación que interfiera en la transmisión de la señal.
Solución
Siga el principio de diseño por capas: Planifique la estructura de apilamiento de capas de acuerdo con el tipo y la frecuencia de la señal; por lo general, coloque la capa de señal de alta velocidad en la capa intermedia y aíslela mediante el plano de tierra o el plano de potencia. Por ejemplo, en el diseño de una placa de 8 capas, las capas 2 y 7 pueden establecerse como planos de tierra, mientras que las capas 3 y 6 se utilizan para la transmisión de señales de alta velocidad a fin de reducir eficazmente la diafonía de señales.
Control del espesor dieléctrico y de la constante dieléctrica: Selección razonable del grosor dieléctrico y la constante dieléctrica del sustrato de la placa de circuito impreso para optimizar la impedancia característica de transmisión de la señal y el retardo de transmisión. Para señales de alta velocidad, pueden utilizarse placas de baja constante dieléctrica para reducir la pérdida de señal.
4.El diseño de los orificios no está normalizado
Problemas
Un tamaño desproporcionado, un número excesivo o una disposición inadecuada de las vías aumentarán la pérdida y la reflexión de la transmisión de la señal y afectarán a la integridad de ésta.Por ejemplo, el desajuste entre la apertura de las vías y el tamaño de las almohadillas puede dar lugar a una soldadura deficiente; un gran número de vías concentradas en la ruta de la señal de alta velocidad introducirá capacitancia e inductancia parásitas adicionales.
La solución
Optimizar mediante parámetros: Seleccione la apertura de vía, el tamaño de la pastilla y la profundidad de perforación adecuados en función de la frecuencia y la corriente de la señal. Para señales de alta frecuencia, minimice el tamaño de las vías y utilice diseños de orificios ciegos o enterrados para reducir la pérdida de señal.
Planificación razonable de la disposición de los agujeros: evite la distribución densa de los sobreagujeros en la trayectoria de la señal de alta velocidad, y descentralice la ubicación de los sobreagujeros para reducir el impacto en la transmisión de la señal. Al mismo tiempo, asegúrese de que la conexión entre el sobre-agujero y la línea de señal es suave y evite la conexión en ángulo recto.
5.Integridad de potencia insuficiente
Problemas
El ruido excesivo de la fuente de alimentación, las caídas de tensión y otros problemas pueden afectar gravemente a la estabilidad del sistema.El ruido de la fuente de alimentación puede interferir en el funcionamiento normal de circuitos sensibles, provocando distorsión de la señal; mientras que las caídas de tensión pueden impedir que el chip funcione correctamente, provocando caídas, reinicios y otros fenómenos.
Solución
Diseño de placas multicapa: Se utiliza un diseño de placa multicapa, especializado en planos de alimentación y tierra. La placa multicapa puede proporcionar una gran superficie plana para la fuente de alimentación y la masa, lo que reduce la impedancia de la fuente de alimentación y la masa y disminuye el ruido de la fuente de alimentación. Al mismo tiempo, la capacitancia formada entre la fuente de alimentación y el plano de tierra también puede desempeñar un papel en el filtrado, mejorando aún más la estabilidad de la fuente de alimentación.
Colocación razonable de los condensadores de desacoplamiento: Los condensadores de desacoplamiento se colocan cerca de la entrada de alimentación y el chip, los condensadores de desacoplamiento pueden responder rápidamente a la demanda de corriente transitoria del chip y suprimir el ruido de la fuente de alimentación. En general, para diferentes frecuencias de ruido, es necesario elegir diferentes condensadores de desacoplamiento de capacitancia para el filtrado.
Optimiza la ruta de alimentación: Utilice trazas anchas o cobre para disminuir la impedancia de la ruta de alimentación y reducir la caída de tensión. La alineación ancha y el pavimento de cobre pueden proporcionar una mayor capacidad de transporte de corriente y garantizar que la fuente de alimentación pueda suministrar energía de forma estable a cada componente.
6.Problemas de compatibilidad electromagnética (CEM)
Problema de rendimiento
La radiación de la placa de circuito excede la norma producirá interferencias con el equipo electrónico circundante, y la inmunidad a la interferencia pobre es fácil hacer que la placa de circuito por la interferencia electromagnética externa, lo que resulta en la degradación del rendimiento del sistema o incluso no puede funcionar correctamente.
Solución
Disposición de aislamiento de señales: Mantenga las señales sensibles alejadas de las líneas de reloj y de las líneas de alimentación, ya que son la principal fuente de interferencias electromagnéticas. Mediante una disposición razonable, reduzca el acoplamiento entre las señales sensibles y las fuentes de interferencia para reducir el impacto de las interferencias electromagnéticas.
Tratamiento de blindaje: Blindar los circuitos de alta frecuencia. La cubierta de blindaje metálica o la malla de blindaje se pueden utilizar para cerrar los circuitos de alta frecuencia para evitar la fuga de radiación electromagnética, y al mismo tiempo, también puede resistir la interferencia electromagnética externa.
Garantizar la integridad del plano de tierra: Asegúrese de la integridad del plano de tierra para evitar que se divida y se rompa la trayectoria de retorno.
Un plano de tierra completo puede proporcionar una buena vía de retorno para la señal y reducir la radiación electromagnética. En el proceso de diseño, intenta evitar dividir el plano de tierra bajo señales importantes.
7.Problemas de compatibilidad de la interfaz de alta velocidad
Problema Rendimiento
Con el uso generalizado de interfaces de alta velocidad (como PCIe, Thunderbolt, etc.), los problemas de compatibilidad de interfaces son cada vez más prominentes.Si el diseño de la interfaz no cumple las especificaciones, pueden surgir problemas como equipos irreconocibles, velocidades de transferencia de datos reducidas o inestables, etc.
Solución
Siga estrictamente las normas de interfaz: Cuando diseñe circuitos de interfaz de alta velocidad, estudie a fondo y siga estrictamente las normas pertinentes para garantizar que las características eléctricas de la interfaz, la temporización de las señales, etc. cumplen los requisitos. Por ejemplo, al diseñar interfaces PCIe, es necesario hacerlo respetando estrictamente la topología de la señal y los requisitos de adaptación de impedancias estipulados en el protocolo PCIe.
Verificación de la integridad de la señal: Utilizar herramientas de simulación para analizar la integridad de las señales de interfaz de alta velocidad, simular la transmisión de señales en diferentes condiciones de trabajo y descubrir y resolver posibles problemas por adelantado. Al mismo tiempo, en la fase de prueba real, el uso de equipos de prueba profesionales para probar exhaustivamente el rendimiento de la interfaz para garantizar la compatibilidad y la estabilidad de la interfaz.
8.Diseño defectuoso de la disipación de calor
Problema Rendimiento
Una temperatura local excesiva acelerará el envejecimiento del dispositivo, reducirá su vida útil e incluso puede provocar su fallo, afectando a la fiabilidad de todo el sistema.
Solución
Añade orificios de disipación del calor: Añadir agujeros de disipación de calor debajo de los componentes generadores de calor, los agujeros de disipación de calor pueden conducir rápidamente el calor al otro lado de la placa, aumentar el área de disipación de calor y mejorar la eficiencia de la disipación de calor.
Medidas auxiliares de disipación del calor: En función de la demanda real, utilice disipadores de calor o ventiladores para ayudar a disipar el calor. Los disipadores de calor pueden aumentar el área de disipación de calor y acelerar la disipación de calor; los ventiladores pueden eliminar el calor de la placa de circuito por convección forzada.
Análisis de simulación térmica: En la etapa de diseño, a través del software de simulación para analizar la distribución térmica de antemano, para entender la temperatura de la placa de circuito en diferentes condiciones de trabajo, a fin de optimizar el diseño de disipación de calor, para garantizar que la temperatura de la placa de circuito dentro de un rango razonable.
9. Problemas de fabricación de la producción
Problemas
Si el diseño no cumple los Proceso de fabricación de PCB requisitos, dará lugar a diversos problemas durante el proceso de producción, como soldaduras deficientes, cortocircuitos, etc., lo que aumentará el coste de producción y prolongará el ciclo de producción.
La solución
Siga las normas de diseño: Antes de diseñar, comprenda perfectamente las normas de diseño proporcionadas por los fabricantes de placas de circuito impreso (por ejemplo, anchura mínima de línea, diámetro de apertura, etc.) y diseñe respetando estrictamente las normas para garantizar la fabricabilidad del diseño.
Optimizar el diseño de las almohadillas: Evite una separación demasiado pequeña de las almohadillas para evitar que se formen puentes al soldar. Un diseño razonable de la forma, el tamaño y la separación de los pads puede mejorar la calidad de la soldadura y reducir la tasa de defectos de soldadura.
Añadir elementos auxiliares de proceso: Añadir bordes de proceso y orificios de posicionamiento para facilitar el montaje, los bordes de proceso pueden proporcionar comodidad para el procesamiento, prueba y montaje de PCB, y los orificios de posicionamiento se utilizan para garantizar la precisión posicional de la PCB en el proceso de procesamiento y montaje.
10.Dificultades de prueba y depuración
Problema Rendimiento
La falta de puntos de prueba dificultará la localización de averías, los ingenieros tienen dificultades para determinar con precisión la ubicación del fallo, lo que aumenta el tiempo y el coste de la depuración.
Solución
Reserva puntos de prueba: Reserve puntos de prueba en las líneas de señal clave, que deben ser de fácil contacto para las sondas y tener un buen rendimiento eléctrico. A través de los puntos de prueba, los ingenieros pueden medir fácilmente la tensión de la señal, la forma de onda y otros parámetros, y localizar rápidamente el fallo.
Uso de interfaces estándar: Utilice interfaces estándar (como JTAG) para la depuración de programas. Las interfaces estándar son universales y estandarizadas, y pueden conectarse fácilmente a equipos de depuración para mejorar la eficiencia de la depuración.
Considera el espacio de prueba: Tenga en cuenta el espacio de contacto de la sonda en la fase de diseño para garantizar que el equipo de ensayo pueda entrar en contacto sin problemas con el punto de ensayo, para evitar no poder realizar el ensayo por falta de espacio.
Resumen
El diseño de placas de circuito impreso (PCB) es un proyecto exhaustivo y muy sistemático que requiere la consideración integral de diversos factores, como el rendimiento eléctrico, la estructura mecánica y el proceso de producción. Si se identifican y resuelven de antemano los problemas más comunes, es posible reducir considerablemente el número de iteraciones de diseño y mejorar la fiabilidad y estabilidad del producto.
En el proceso de diseño, se recomienda que los diseñadores hagan pleno uso de las herramientas EDA para la simulación y el análisis, para identificar posibles problemas de antemano y optimizar el esquema de diseño.Al mismo tiempo, y los fabricantes de PCB para mantener una estrecha comunicación, la comprensión oportuna de los requisitos del proceso de producción, para asegurar que el diseño se puede realizar con éxito. Sólo de esta manera podemos diseñar PCB de alta calidad para satisfacer los requisitos funcionales cada vez más complejos de los dispositivos electrónicos modernos.
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