Problemas e soluções comuns no projeto de PCB

No campo da engenharia eletrônica, o PCB (Placa de circuito impresso) como o principal componente dos equipamentos eletrônicos, a qualidade do projeto está diretamente relacionada ao desempenho, à confiabilidade e à produtividade do equipamento. Durante o processo de projeto, os engenheiros geralmente se deparam com uma variedade de desafios que, se não forem tratados adequadamente, terão um impacto negativo em todo o sistema. A seguir, apresentamos uma análise aprofundada dos problemas comuns no projeto de PCB e fornecemos soluções direcionadas para ajudar os projetistas a evitar possíveis riscos e melhorar a qualidade do projeto.

1. o layout do componente não é razoável

Problemas

O layout dos componentes, se for muito denso, aumentará a probabilidade de interferência entre os sinais e, ao mesmo tempo, impedirá a distribuição de calor, resultando em altas temperaturas locais; enquanto o layout for muito disperso, resultará em um aumento no comprimento da fiação, não apenas um desperdício de espaço na placa, mas também a possível introdução de atraso de sinal e ruído adicionais. Além disso, o layout não razoável também dificultará o trabalho de fiação subsequente para atender aos requisitos do projeto.

A solução

Layout modular funcional: O layout é dividido de acordo com os módulos funcionais dos circuitos, e os circuitos de alta frequência são estritamente separados dos circuitos de baixa frequência. Por exemplo, no projeto de PCB de equipamentos de comunicação sem fio, os módulos de RF e os módulos de processamento de banda base são dispostos em diferentes áreas da placa para reduzir a interferência de sinais de alta frequência em sinais de baixa frequência.
Otimize o layout de dissipação de calor:Mantenha os componentes geradores de calor a uma distância adequada dos dispositivos sensíveis para evitar a degradação do desempenho dos componentes sensíveis ao calor devido à alta temperatura. Ao mesmo tempo, reserve espaço suficiente para dissipação de calor para os componentes geradores de calor e adote medidas auxiliares de dissipação de calor, como orifícios de dissipação de calor e dissipadores de calor.
Layout de prioridade dos principais dispositivos: No layout, a prioridade é determinar o local dos principais dispositivos (como CPU, chips de memória etc.), pois o layout desses dispositivos afeta diretamente a integridade do sinal e o desempenho do sistema. Tomando como exemplo o projeto da placa-mãe do computador, o local da CPU determina a direção da fiação do sinal de alta velocidade, como memória, placa de vídeo etc. Um layout razoável da CPU pode reduzir efetivamente o atraso e a interferência do sinal. Determine a localização dos principais dispositivos e, em seguida, organize gradualmente os componentes periféricos para garantir que o layout geral seja compacto e razoável.

2. problemas de integridade do sinal

Desempenho do problema

Os fenômenos de reflexão de sinal, diafonia ou atraso podem ocorrer durante a transmissão do sinal devido à incompatibilidade de impedância, ao alinhamento muito longo, ao excesso de orifícios e a outros fatores, resultando em distorção do sinal, o que, por sua vez, provoca erros de comunicação.
Esses problemas são especialmente proeminentes em circuitos digitais de alta velocidade, o que pode causar erros de transmissão de dados, falhas no sistema e outras consequências graves.

A solução

Projeto de par diferencial: Para linhas de sinal de alta velocidade (por exemplo, USB, HDMI, etc.), é usado um projeto de par diferencial. Os sinais diferenciais são transmitidos por meio de duas linhas de sinal com polaridade oposta, o que tem forte capacidade anti-interferência, pode suprimir efetivamente o ruído de modo comum e melhorar a precisão e a estabilidade da transmissão do sinal.
Correspondência de impedância do alinhamento de controle: Certifique-se de que a impedância característica do alinhamento corresponda à impedância da fonte de sinal e da carga para evitar a reflexão do sinal. No processo de projeto, a impedância pode ser controlada ajustando-se a largura do alinhamento, a espessura do dielétrico e outros parâmetros. Ao mesmo tempo, tente evitar o alinhamento em ângulo reto, pois o alinhamento em ângulo reto mudará a impedância característica do alinhamento, resultando em reflexão e radiação do sinal.
Otimize o design da camada de referência: A adição de resistores de terminação ou o uso de um plano de aterramento como uma camada de referência pode absorver efetivamente os sinais refletidos e reduzir o ruído do sinal. O plano de aterramento não apenas fornece um bom caminho de retorno para o sinal, mas também serve como proteção contra interferências.

3. o design em cascata do sinal não é razoável

Desempenho do problema

O empilhamento de sinal projetado de forma inadequada pode levar ao aumento da diafonia e à degradação da qualidade da transmissão do sinal.Especialmente em Projeto de PCB multicamadasSe a ordem de empilhamento não for razoável, poderá causar interferência nos sinais de alta velocidade, afetando o desempenho geral do sistema.
Por exemplo, se a camada de sinal de alta velocidade estiver adjacente à camada de fonte de alimentação, é fácil introduzir ruído na fonte de alimentação para interferir na transmissão do sinal.

Solução

Siga o princípio do design de empilhamento de camadas: Planeje a estrutura de empilhamento de camadas de acordo com o tipo e a frequência do sinal, geralmente coloque a camada de sinal de alta velocidade na camada do meio e isole-a por meio do plano de aterramento ou do plano de alimentação. Por exemplo, em um projeto de placa de 8 camadas, as camadas 2 e 7 podem ser definidas como planos de aterramento, enquanto as camadas 3 e 6 são usadas para transmissão de sinal de alta velocidade para reduzir efetivamente a diafonia de sinal.
Controle da espessura dielétrica e da constante dielétrica: Seleção razoável da espessura dielétrica e da constante dielétrica do substrato da placa de circuito para otimizar a impedância característica da transmissão do sinal e o atraso da transmissão. Para sinais de alta velocidade, placas com baixa constante dielétrica podem ser usadas para reduzir a perda de sinal.

4. o design do furo não é padronizado

Problemas

O tamanho irracional, o número excessivo ou o layout inadequado das vias aumentam a perda e a reflexão da transmissão do sinal e afetam a integridade do sinal.Por exemplo, a incompatibilidade entre a abertura das vias e o tamanho dos pads pode levar a uma soldagem ruim; um grande número de vias concentradas no caminho do sinal de alta velocidade introduzirá capacitância e indutância parasitas adicionais.

A solução

Otimizar por meio de parâmetros: Selecione a abertura apropriada da via, o tamanho da almofada e a profundidade da perfuração de acordo com a frequência e a corrente do sinal. Para sinais de alta frequência, minimize o tamanho das vias e use projetos de furos cegos ou enterrados para reduzir a perda de sinal.
Planejamento razoável do layout do over-hole: Evite a distribuição densa de overholes no caminho do sinal de alta velocidade e descentralize a localização dos overholes para reduzir o impacto na transmissão do sinal. Ao mesmo tempo, certifique-se de que a conexão entre o over-hole e a linha de sinal seja suave e evite conexões em ângulo reto.

5. integridade de energia insuficiente

Problemas

O ruído excessivo da fonte de alimentação, as quedas de tensão e outros problemas podem afetar seriamente a estabilidade do sistema.O ruído da fonte de alimentação pode interferir na operação normal de circuitos sensíveis, resultando em distorção do sinal; enquanto as quedas de tensão podem impedir que o chip funcione corretamente, resultando em falhas, reinicializações e outros fenômenos.

Solução

Design de placa multicamada: É usado um design de placa multicamada, especializado em planos de alimentação e de aterramento. A placa multicamadas pode fornecer uma grande área plana para a fonte de alimentação e o aterramento, diminuindo a impedância da fonte de alimentação e do aterramento e reduzindo o ruído da fonte de alimentação. Ao mesmo tempo, a capacitância formada entre a fonte de alimentação e o plano de aterramento também pode desempenhar um papel na filtragem, melhorando ainda mais a estabilidade da fonte de alimentação.
Posicionamento razoável dos capacitores de desacoplamento: Os capacitores de desacoplamento são colocados perto da entrada de energia e do chip; os capacitores de desacoplamento podem responder rapidamente à demanda de corrente transitória do chip e suprimir o ruído da fonte de alimentação. De modo geral, para diferentes frequências de ruído, é necessário escolher diferentes capacitores de desacoplamento de capacitância para filtragem.
Otimize o caminho da energia: Use traços largos ou cobre para diminuir a impedância do caminho da energia e reduzir a queda de tensão. O alinhamento amplo e a pavimentação de cobre podem proporcionar maior capacidade de transporte de corrente e garantir que a fonte de alimentação possa fornecer energia de forma estável a cada componente.

6. problemas de compatibilidade eletromagnética (EMC)

Desempenho do problema

A radiação da placa de circuito que excede o padrão produzirá interferência nos equipamentos eletrônicos ao redor, e a baixa imunidade à interferência facilita a interferência eletromagnética externa na placa de circuito, resultando na degradação do desempenho do sistema ou até mesmo na impossibilidade de funcionar corretamente.

Solução

Layout de isolamento de sinal: Mantenha os sinais sensíveis longe das linhas de relógio e das linhas de energia, pois as linhas de relógio e as linhas de energia são a principal fonte de interferência eletromagnética. Por meio de um layout razoável, reduza o acoplamento entre sinais sensíveis e fontes de interferência para reduzir o impacto da interferência eletromagnética.
Tratamento de blindagem: Proteger os circuitos de alta frequência. A tampa ou malha de proteção metálica pode ser usada para fechar os circuitos de alta frequência para evitar o vazamento de radiação eletromagnética e, ao mesmo tempo, também pode resistir à interferência eletromagnética externa.
Garanta a integridade do plano de aterramento: Garanta a integridade do plano de aterramento para evitar divisões que resultem em um caminho de retorno interrompido.
Um plano de aterramento completo pode fornecer um bom caminho de retorno para o sinal e reduzir a radiação eletromagnética. No processo de projeto, tente evitar a divisão do plano de aterramento sob sinais importantes.

7. problemas de compatibilidade da interface de alta velocidade

Desempenho do problema

Com o uso generalizado de interfaces de alta velocidade (como PCIe, Thunderbolt, etc.), os problemas de compatibilidade de interface estão se tornando cada vez mais proeminentes.O fato de o projeto da interface não estar em conformidade com as especificações pode levar a problemas como equipamentos irreconhecíveis, taxas de transferência de dados reduzidas ou instáveis etc.

Solução

Siga rigorosamente os padrões de interface: Ao projetar circuitos de interface de alta velocidade, estude minuciosamente e siga rigorosamente os padrões relevantes para garantir que as características elétricas da interface, o tempo do sinal etc. atendam aos requisitos. Por exemplo, ao projetar interfaces PCIe, é necessário projetá-las em estrita conformidade com a topologia do sinal e os requisitos de correspondência de impedância estipulados no protocolo PCIe.
Verificação da integridade do sinal: Use ferramentas de simulação para analisar a integridade dos sinais de interface de alta velocidade, simular a transmissão de sinais em diferentes condições de trabalho e descobrir e resolver possíveis problemas com antecedência. Ao mesmo tempo, na fase de teste real, o uso de equipamentos de teste profissionais para testar de forma abrangente o desempenho da interface para garantir a compatibilidade e a estabilidade da interface.

8. projeto defeituoso de dissipação de calor

Desempenho do problema

A temperatura local excessiva acelera o envelhecimento do dispositivo, reduz a vida útil do dispositivo e pode até levar à falha do dispositivo, afetando a confiabilidade de todo o sistema.

Solução

Adicione orifícios de dissipação de calor: Adicione orifícios de dissipação de calor sob os componentes geradores de calor, os orifícios de dissipação de calor podem conduzir rapidamente o calor para o outro lado da placa, aumentar a área de dissipação de calor e melhorar a eficiência da dissipação de calor.
Medidas auxiliares de dissipação de calor: De acordo com a demanda real, use dissipadores de calor ou ventiladores para ajudar na dissipação de calor. Os dissipadores de calor podem aumentar a área de dissipação de calor e acelerar a dissipação de calor; os ventiladores podem retirar o calor da placa de circuito por convecção forçada.
Análise de simulação térmica: Na fase de projeto, por meio do software de simulação para analisar a distribuição térmica com antecedência, para entender a temperatura da placa de circuito em diferentes condições de trabalho, de modo a otimizar o projeto de dissipação de calor, para garantir que a temperatura da placa de circuito esteja dentro de uma faixa razoável.

9. problemas de capacidade de fabricação da produção

Problemas

Se o projeto não atender aos requisitos Processo do fabricante de PCBs Isso pode levar a vários problemas durante o processo de produção, como solda ruim, curtos-circuitos etc., o que aumentará o custo de produção e prolongará o ciclo de produção.

A solução

Siga as regras de design: Antes de projetar, compreenda totalmente as regras de projeto fornecidas pelos fabricantes de PCBs (por exemplo, largura mínima da linha, diâmetro da abertura, etc.) e projete em estrita conformidade com as regras para garantir a capacidade de fabricação do projeto.
Otimize o design da almofada: Evite um espaçamento muito pequeno entre os pads para evitar a formação de pontes durante a soldagem. O design razoável da forma, do tamanho e do espaçamento das almofadas pode melhorar a qualidade da solda e reduzir a taxa de defeitos de solda.
Adicione elementos auxiliares do processo: Adicione bordas de processo e orifícios de posicionamento para facilitar a montagem. As bordas de processo podem oferecer conveniência para o processamento, teste e montagem de PCBs, e os orifícios de posicionamento são usados para garantir a precisão da posição da PCB no processo de processamento e montagem.

10. dificuldades de teste e depuração

Desempenho do problema

A falta de pontos de teste dificultará a solução de problemas e os engenheiros terão dificuldade para determinar com precisão o local da falha, aumentando o tempo e o custo da depuração.

Solução

Reserve pontos de teste: Reserve pontos de teste nas principais linhas de sinal, que devem ser de fácil contato para as sondas e ter bom desempenho elétrico. Por meio dos pontos de teste, os engenheiros podem medir facilmente a tensão do sinal, a forma de onda e outros parâmetros e localizar rapidamente a falha.
Uso de interfaces padrão: Use interfaces padrão (como JTAG) para depuração de programas. As interfaces padrão são universais e padronizadas e podem ser facilmente conectadas ao equipamento de depuração para melhorar a eficiência da depuração.
Considere o espaço de teste: Considere o espaço de contato da sonda na fase de projeto para garantir que o equipamento de teste possa entrar em contato com o ponto de teste sem problemas, para evitar que não seja possível fazer o teste por falta de espaço.

Resumo

O projeto de PCB é um projeto abrangente e altamente sistemático que exige a consideração completa de vários fatores, como desempenho elétrico, estrutura mecânica e processo de produção. Ao identificar e resolver problemas comuns com antecedência, é possível reduzir significativamente o número de iterações de projeto e melhorar a confiabilidade e a estabilidade do produto.
No processo de projeto, recomenda-se que os projetistas utilizem plenamente as ferramentas de EDA para simulação e análise, a fim de identificar problemas potenciais com antecedência e otimizar o esquema de projeto.Ao mesmo tempo, os fabricantes de PCBs devem manter uma comunicação próxima e um entendimento oportuno dos requisitos do processo de produção, para garantir que o projeto possa ser realizado com sucesso. Somente dessa forma poderemos projetar PCBs de alta qualidade para atender aos requisitos funcionais cada vez mais complexos dos dispositivos eletrônicos modernos.