Dans le domaine de l'ingénierie électronique, le PCB (Circuit imprimé) étant le composant central de l'équipement électronique, la qualité de sa conception est directement liée aux performances, à la fiabilité et à la productivité de l'équipement. Au cours du processus de conception, les ingénieurs rencontrent souvent divers problèmes qui, s'ils ne sont pas traités correctement, auront un impact négatif sur l'ensemble du système. Ce qui suit est une analyse approfondie des problèmes courants dans la conception des circuits imprimés, et fournit des solutions ciblées pour aider les concepteurs à éviter les risques potentiels et à améliorer la qualité de la conception.
Table des matières
1. la disposition des composants n'est pas raisonnable
Problèmes
La disposition des composants, si elle est trop dense, augmentera la probabilité d'interférences entre les signaux, tout en entravant la distribution de la chaleur, ce qui entraînera des températures locales élevées ; tandis que la disposition trop dispersée entraînera une augmentation de la longueur du câblage, non seulement une perte d'espace sur la carte, mais aussi l'introduction possible d'un retard de signal et d'un bruit supplémentaires. En outre, la disposition déraisonnable rendra le travail de câblage ultérieur difficile à réaliser pour répondre aux exigences de la conception.
La solution
Disposition modulaire fonctionnelle : L'agencement est divisé en fonction des modules fonctionnels des circuits, et les circuits à haute fréquence sont strictement séparés des circuits à basse fréquence. Par exemple, dans la conception des circuits imprimés des équipements de communication sans fil, les modules RF et les modules de traitement en bande de base sont disposés dans des zones différentes de la carte afin de réduire les interférences entre les signaux haute fréquence et les signaux basse fréquence.
Optimisez la disposition de la dissipation de la chaleur :Maintenez les composants générateurs de chaleur à une distance appropriée des dispositifs sensibles afin d'éviter la dégradation des performances des composants sensibles à la chaleur en raison de la température élevée. Dans le même temps, réservez un espace de dissipation thermique suffisant pour les composants générateurs de chaleur et adoptez des mesures auxiliaires de dissipation thermique telles que des trous de dissipation thermique et des dissipateurs de chaleur.
Disposition prioritaire des dispositifs clés : Dans l'agencement, la priorité est de déterminer l'emplacement des dispositifs clés (tels que l'unité centrale, les puces de mémoire, etc.), l'agencement de ces dispositifs affectant directement l'intégrité du signal et les performances du système. Si l'on prend l'exemple de la conception d'une carte mère d'ordinateur, l'emplacement de l'unité centrale détermine la direction du câblage des signaux à grande vitesse tels que la mémoire, la carte graphique, etc. Une disposition raisonnable de l'unité centrale peut réduire efficacement le retard et l'interférence des signaux. Déterminez l'emplacement des dispositifs clés, puis disposez progressivement les composants périphériques afin de vous assurer que l'agencement global est compact et raisonnable.
2. problèmes d'intégrité du signal
Problème de performance
Des phénomènes de réflexion du signal, de diaphonie ou de retard peuvent se produire pendant la transmission du signal en raison d'une mauvaise adaptation de l'impédance, d'un alignement trop long, d'un trop grand nombre de trous de passage et d'autres facteurs, ce qui entraîne une distorsion du signal, qui déclenche à son tour des erreurs de communication.
Ces problèmes sont particulièrement importants dans les circuits numériques à grande vitesse, qui peuvent entraîner des erreurs de transmission de données, des pannes de système et d'autres conséquences graves.
La solution
Conception de paires différentielles : Pour les lignes de signaux à grande vitesse (par exemple, USB, HDMI, etc.), une conception à paire différentielle est utilisée. Les signaux différentiels sont transmis par deux lignes de signaux de polarité opposée, ce qui a une forte capacité anti-interférence, peut supprimer efficacement le bruit de mode commun et améliorer la précision et la stabilité de la transmission du signal.
Contrôle de l'adaptation de l'impédance de l'alignement : Veiller à ce que l'impédance caractéristique de l'alignement corresponde à l'impédance de la source du signal et de la charge afin d'éviter la réflexion du signal. Dans le processus de conception, l'impédance peut être contrôlée en ajustant la largeur de l'alignement, l'épaisseur du diélectrique et d'autres paramètres. Dans le même temps, il convient d'éviter l'alignement à angle droit, car celui-ci modifie l'impédance caractéristique de l'alignement, ce qui entraîne la réflexion et le rayonnement du signal.
Optimiser la conception de la couche de référence : L'ajout de résistances de terminaison ou l'utilisation d'un plan de masse comme couche de référence peut absorber efficacement les signaux réfléchis et réduire le bruit du signal. Le plan de masse fournit non seulement une bonne voie de retour pour le signal, mais sert également de bouclier contre les interférences.
3. la conception de la cascade de signaux n'est pas raisonnable
Problème de performance
Un empilement de signaux mal conçu peut entraîner une augmentation de la diaphonie et une dégradation de la qualité de la transmission des signaux.En particulier dans les conception de circuits imprimés multicouchesUn ordre d'empilage déraisonnable peut entraîner des interférences avec les signaux à grande vitesse, ce qui affecte les performances globales du système.
Par exemple, si la couche de signaux à grande vitesse est adjacente à la couche d'alimentation électrique, il est facile d'introduire du bruit d'alimentation électrique qui interfère avec la transmission du signal.
Solution
Respecter le principe de l'empilement des couches : Planifier la structure d'empilement des couches en fonction du type de signal et de la fréquence, en plaçant généralement la couche de signal à grande vitesse dans la couche centrale et en l'isolant par le plan de masse ou le plan d'alimentation. Par exemple, dans une carte à 8 couches, les couches 2 et 7 peuvent servir de plans de masse, tandis que les couches 3 et 6 sont utilisées pour la transmission des signaux à grande vitesse afin de réduire efficacement la diaphonie des signaux.
Contrôle de l'épaisseur et de la constante diélectrique : Une sélection raisonnable de l'épaisseur diélectrique et de la constante diélectrique du substrat de la carte de circuit imprimé permet d'optimiser l'impédance caractéristique de la transmission du signal et le délai de transmission. Pour les signaux à grande vitesse, des cartes à faible constante diélectrique peuvent être utilisées pour réduire la perte de signal.
4. la conception des trous n'est pas standardisée
Problèmes
Une taille déraisonnable, un nombre excessif ou une disposition incorrecte des vias augmentent la perte et la réflexion de la transmission du signal et affectent son intégrité.Par exemple, l'inadéquation entre l'ouverture des vias et la taille des plots peut entraîner une mauvaise soudure ; un grand nombre de vias concentrés sur le trajet du signal à grande vitesse introduira une capacité et une inductance parasites supplémentaires.
La solution
Optimiser par le biais des paramètres : Sélectionnez l'ouverture de via, la taille du plot et la profondeur de perçage appropriées en fonction de la fréquence et du courant du signal. Pour les signaux à haute fréquence, minimisez la taille des vias et utilisez des trous borgnes ou enterrés pour réduire la perte de signal.
Planification raisonnable de la disposition des sur-trous : éviter une distribution dense des trous de fixation sur le trajet du signal à grande vitesse et décentraliser l'emplacement des trous de fixation pour réduire l'impact sur la transmission du signal. En même temps, il faut s'assurer que la connexion entre le sur-trou et la ligne de signal est lisse et éviter les connexions à angle droit.
5. intégrité de l'alimentation insuffisante
Problèmes
Le bruit excessif de l'alimentation électrique, les chutes de tension et d'autres problèmes peuvent sérieusement affecter la stabilité du système.Le bruit de l'alimentation peut interférer avec le fonctionnement normal des circuits sensibles, entraînant une distorsion du signal, tandis que les chutes de tension peuvent empêcher la puce de fonctionner correctement, entraînant des plantages, des redémarrages et d'autres phénomènes.
Solution
Conception de cartes multicouches : Une conception de carte multicouche est utilisée, avec une spécialisation dans les plans d'alimentation et de masse. La carte multicouche peut fournir une grande surface de plan pour l'alimentation et la masse, abaissant l'impédance de l'alimentation et de la masse et réduisant le bruit de l'alimentation. En même temps, la capacité formée entre le plan d'alimentation et le plan de masse peut également jouer un rôle dans le filtrage, améliorant ainsi la stabilité de l'alimentation.
Placement raisonnable des condensateurs de découplage : Les condensateurs de découplage sont placés près de l'entrée d'alimentation et de la puce. Ils peuvent répondre rapidement à la demande de courant transitoire de la puce et supprimer le bruit de l'alimentation. D'une manière générale, pour des bruits de fréquences différentes, il faut choisir des condensateurs de découplage de capacité différente pour le filtrage.
Optimiser le chemin d'alimentation : Utilisez des traces larges ou du cuivre pour réduire l'impédance du chemin d'alimentation et réduire la chute de tension. Un alignement large et un pavage de cuivre peuvent fournir une plus grande capacité de transport de courant et garantir que l'alimentation peut alimenter chaque composant de manière stable.
6. problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM)
Problèmes de performance
Le rayonnement de la carte de circuit imprimé dépasse la norme et produit des interférences avec l'équipement électronique environnant. Une mauvaise immunité aux interférences peut facilement rendre la carte de circuit imprimé sujette aux interférences électromagnétiques externes, ce qui entraîne une dégradation des performances du système, voire l'empêche de fonctionner correctement.
Solution
Disposition pour l'isolation des signaux : éloigner les signaux sensibles des lignes d'horloge et des lignes électriques, car ces dernières constituent la principale source d'interférences électromagnétiques. Une disposition raisonnable permet de réduire le couplage entre les signaux sensibles et les sources d'interférences afin de réduire l'impact des interférences électromagnétiques.
Traitement de blindage : Protéger les circuits à haute fréquence. Le couvercle de blindage métallique ou le treillis de blindage peut être utilisé pour fermer les circuits à haute fréquence afin d'empêcher les fuites de rayonnements électromagnétiques, tout en résistant aux interférences électromagnétiques externes.
Assurer l'intégrité du plan de masse : Veillez à l'intégrité du plan de masse afin d'éviter qu'il ne se sépare, ce qui entraînerait une rupture de la voie de retour.
Un plan de masse complet peut fournir une bonne voie de retour pour le signal et réduire le rayonnement électromagnétique. Lors de la conception, essayez d'éviter de diviser le plan de masse sous les signaux importants.
7. problèmes de compatibilité des interfaces à haut débit
Problème de performance
Avec l'utilisation généralisée d'interfaces à haut débit (telles que PCIe, Thunderbolt, etc.), les problèmes de compatibilité des interfaces deviennent de plus en plus importants.La non-conformité de la conception de l'interface aux spécifications peut entraîner des problèmes tels que des équipements méconnaissables, des taux de transfert de données réduits ou instables, etc.
Solution
Respecter strictement les normes d'interface : Lors de la conception de circuits d'interface à grande vitesse, il convient d'étudier attentivement et de respecter scrupuleusement les normes pertinentes afin de s'assurer que les caractéristiques électriques de l'interface, la synchronisation des signaux, etc. sont conformes aux exigences. Par exemple, lors de la conception d'interfaces PCIe, il est nécessaire de les concevoir en stricte conformité avec la topologie du signal et les exigences d'adaptation d'impédance stipulées dans le protocole PCIe.
Vérification de l'intégrité du signal : Utiliser des outils de simulation pour analyser l'intégrité des signaux d'interface à grande vitesse, simuler la transmission des signaux dans différentes conditions de travail, et découvrir et résoudre les problèmes potentiels à l'avance. Parallèlement, lors de la phase d'essai proprement dite, l'utilisation d'équipements d'essai professionnels permet de tester de manière exhaustive les performances de l'interface afin d'en garantir la compatibilité et la stabilité.
8. conception défectueuse de la dissipation de la chaleur
Problème de performance
Une température locale excessive accélère le vieillissement de l'appareil, réduit sa durée de vie et peut même entraîner sa défaillance, ce qui affecte la fiabilité de l'ensemble du système.
Solution
Ajouter des trous de dissipation de la chaleur : Ajouter des trous de dissipation thermique sous les composants générateurs de chaleur, les trous de dissipation thermique peuvent rapidement conduire la chaleur vers l'autre côté de la carte, augmenter la zone de dissipation thermique et améliorer l'efficacité de la dissipation thermique.
Mesures auxiliaires de dissipation de la chaleur : En fonction de la demande réelle, utilisez des dissipateurs de chaleur ou des ventilateurs pour faciliter la dissipation de la chaleur. Les dissipateurs de chaleur peuvent augmenter la surface de dissipation de la chaleur et accélérer la dissipation de la chaleur ; les ventilateurs peuvent évacuer la chaleur de la carte de circuit imprimé par convection forcée.
Analyse de la simulation thermique : Au stade de la conception, le logiciel de simulation permet d'analyser la distribution thermique à l'avance, de comprendre la température de la carte de circuit imprimé dans différentes conditions de travail, afin d'optimiser la conception de la dissipation thermique et de garantir que la température de la carte de circuit imprimé se situe dans une fourchette raisonnable.
9. les problèmes de fabricabilité de la production
Problèmes
Si la conception n'est pas conforme aux Processus du fabricant de circuits imprimés il entraînera divers problèmes au cours du processus de production, tels qu'une mauvaise soudure, des courts-circuits, etc., ce qui augmentera le coût de production et prolongera le cycle de production.
La solution
Suivez les règles de conception : Avant de procéder à la conception, il convient de bien comprendre les règles de conception fournies par les fabricants de PCB (par exemple, largeur de ligne minimale, diamètre d'ouverture, etc.) et de concevoir en respectant strictement ces règles afin de garantir la fabricabilité de la conception.
Optimiser la conception des tampons : Évitez un espacement trop faible entre les pastilles afin d'éviter les ponts lors de la soudure. Une conception raisonnable de la forme, de la taille et de l'espacement des pastilles peut améliorer la qualité de la soudure et réduire le taux de défauts de soudure.
Ajouter des éléments auxiliaires au processus : Ajouter des bords de traitement et des trous de positionnement pour faciliter l'assemblage, les bords de traitement peuvent faciliter le traitement, le test et l'assemblage des circuits imprimés, et les trous de positionnement sont utilisés pour garantir la précision de la position du circuit imprimé au cours du processus de traitement et d'assemblage.
10. difficultés de test et de débogage
Problème de performance
Le manque de points de test rendra le dépannage difficile, les ingénieurs auront du mal à déterminer avec précision l'emplacement de la panne, ce qui augmentera le temps et le coût du débogage.
Solution
Réservez des points de test : Réservez des points de test sur les lignes de signaux clés, qui doivent être faciles à contacter par les sondes et présenter de bonnes performances électriques. Grâce à ces points de test, les ingénieurs peuvent facilement mesurer la tension du signal, la forme d'onde et d'autres paramètres, et localiser rapidement la panne.
Utilisation d'interfaces standard : Utiliser des interfaces standard (telles que JTAG) pour le débogage des programmes. Les interfaces standard sont universelles et normalisées, et peuvent être facilement connectées à l'équipement de débogage pour améliorer l'efficacité du débogage.
Tenez compte de l'espace d'essai : Tenez compte de l'espace de contact de la sonde lors de la phase de conception afin de vous assurer que l'équipement d'essai peut entrer en contact sans problème avec le point d'essai, pour éviter que l'essai ne soit pas possible en raison d'un manque d'espace.
Résumé
La conception de circuits imprimés est un projet complet et hautement systématique qui nécessite la prise en compte de divers facteurs tels que les performances électriques, la structure mécanique et le processus de production. En identifiant et en résolvant les problèmes courants à l'avance, il est possible de réduire considérablement le nombre d'itérations de conception et d'améliorer la fiabilité et la stabilité du produit.
Au cours du processus de conception, il est recommandé aux concepteurs d'utiliser pleinement les outils EDA pour la simulation et l'analyse, afin d'identifier à l'avance les problèmes potentiels et d'optimiser le schéma de conception.Dans le même temps, les concepteurs et les fabricants de circuits imprimés doivent maintenir une communication étroite et une compréhension rapide des exigences du processus de production, afin de s'assurer que la conception peut être réalisée avec succès. Ce n'est qu'ainsi que nous pourrons concevoir des PCB de haute qualité pour répondre aux exigences fonctionnelles de plus en plus complexes des appareils électroniques modernes.
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