Nozioni di base sulla progettazione PCB per i nuovi progettisti

Immaginiamo la scena: hai appena installato il tuo nuovo programma di progettazione PCB e sei pronto a lanciarti nel tuo primo layout PCB. In che modo dovresti cominciare?La maggior parte degli ingegneri è in grado di lavorare con gli schematici e di selezionare i componenti principali, ma chi è alle prime armi con il layout PCB potrebbe trovarsi spiazzato da questo processo. Il software di progettazione PCB contiene molti strumenti e segue un flusso di lavoro specifico, ma anche un principiante può muoversi attraverso il processo di progettazione: basta conoscere le basi dei PCB design.

In questo articolo presenterò alcune nozioni di base sulla progettazione che ogni nuovo progettista dovrebbe seguire per garantire il successo del processo di progettazione. Alcuni di questi punti possono mettere in discussione la visione convenzionale di come vengono costruite le schede dei circuiti, ma hanno lo scopo di aiutare a bilanciare la segnalazione a basso rumore, la producibilità e la facilità di risoluzione di un layout.

Le basi della progettazione PCB

Il processo di progettazione PCB( PCB design process) segue un flusso di lavoro standard ed è importante per qualsiasi nuovo progettista comprendere come si svolge. Il flusso di lavoro standard nella progettazione PCB si concentra sull'acquisizione di un progetto ingegneristico, sulla rifinitura di un layout PCB fisico e sulla preparazione della progettazione definitiva per la produzione.

Comprendere il flusso di lavoro di una progettazione PCB

È meglio prendersi del tempo per familiarizzare brevemente con il flusso di lavoro standard prima di procedere oltre, quindi leggi il link qui sopra. Il flusso di lavoro della progettazione procede attraverso il seguente elenco di passaggi:

1. Selezionare i componenti principali disponibili in magazzino e reperibili presso i principali distributori
2. Creare e rivedere gli schematici in base ai requisiti ingegneristici
3. Creare un PCB vuoto, costruire lo stack-up e creare regole di progettazione
4. Importare i dati dei componenti dagli schematici nel nuovo layout PCB
5. Posizionare i componenti e rivedere il posizionamento per garantire che i requisiti tecnici siano soddisfatti
6. Instradare tracce e connessioni tra i componenti
7. Pulire il layout PCB ed eseguire una revisione finale della progettazione
8. Preparare i risultati di progettazione e inviarli per la produzione

Una volta ottenuta una visione di alto livello del processo di progettazione, leggi il link qui sotto per vedere come si svolge il flusso di lavoro della progettazione PCB e la serie di attività standard che ogni progettista deve svolgere per completare un nuovo circuito stampato.

• Scopri di più sul flusso di lavoro della progettazione PCB standard

Schematici e layout devono essere sincronizzati

Se stai iniziando il tuo percorso di progettista PCB, probabilmente creerai da solo gli schematici dei tuoi dispositivi. Ogni volta che apporti una modifica alla progettazione, devi sincronizzare le modifiche negli schematici del layout. In particolare, si tratterà di apportare una delle seguenti modifiche alla progettazione:

• Aggiunta, rimozione o sostituzione di componenti
• Aggiunta, rimozione o modifica di collegamenti
• Raggruppamento di collegamenti in oggetti della classe di collegamenti
• Modifica delle informazioni sui parametri dei componenti (numero di parte, informazioni sul fornitore, ecc.)
• Qualsiasi altra regola o direttiva elettrica applicata agli oggetti negli schematici

Dopo aver apportato eventuali modifiche, queste devono essere applicate al layout PCB. Ciò avviene tramite una funzione di importazione nel software di progettazione PCB che assicura che tutta la progettazione sia sincronizzata e che il motore delle regole di progettazione del software legga correttamente i dati della progettazione.

Scopri il processo di produzione PCB

Qualsiasi progettazione che intendi realizzare come prodotto fisico deve essere producibile in scala. Il software ECAD ti consentirà di implementare qualsiasi funzionalità di progettazione che tu possa immaginare nel layout del tuo PCB. Tuttavia, le decisioni di progettazione devono essere producibili con processi standard, quindi il progettista deve conoscere i limiti di ciò che può essere fabbricato in un PCB.

Ciò significa che ogni progettista PCB dovrebbe dedicare del tempo ad apprendere le basi della produzione di PCB in modo da assicurarsi che le proprie progettazioni siano completamente producibili. Nello specifico, è opportuno integrare un'importante serie di pratiche nel processo di progettazione, note come progettazione per la fabbricazione (DFM). Prenditi del tempo per scoprire alcuni errori di progettazione di base che possono compromettere la produzione e far sì che la tua scheda venga rimandata indietro per essere riprogettata prima della produzione.

• Scopri di più sulla progettazione per la produzione (DFM)

Le regole di progettazione sono fondamentali per il successo

Dopo aver appreso il processo di produzione, nonché alcune funzionalità standard dei produttori di PCB, sarà molto più facile comprendere alcuni dei limiti imposti nelle regole di progettazione. La maggior parte dei problemi di DFM riguardano le dimensioni degli elementi in rame del PCB o il distanziamento tra i vari elementi. Di solito, le regole di progettazione predefinite programmate nei software di progettazione PCB sono un po' conservative ed è necessario conoscere i limiti entro i quali è possibile violarle.

Ad esempio, considera il footprint di seguito. Questo footprint ha una spaziatura pad-to-pad di circa 9 mm, ma provoca un errore di progettazione (visibile in verde) una volta che il componente viene trasferito sul layout PCB. Puoi tranquillamente violare questa regola di progettazione e impostare un limite inferiore perché la maggior parte dei produttori richiederà una spaziatura minima di circa 5 mm. Assicurati di controllare i distanziamenti sulla scheda tecnica del produttore prima di iniziare a modificare le regole di progettazione.

Usa un piano di massa

Ogni PCB dovrà avere una chiara connessione di massa in modo che tutti i componenti della progettazione formino circuiti completi e che l'alimentazione elettrica venga fornita in tutta la progettazione. La messa a terra può essere effettuata con una batteria sulla scheda o con un alimentatore esterno. Indipendentemente dal modo in cui viene effettuata la connessione, questa deve poi essere fornita a tutti gli altri componenti nel PCB. Il modo più semplice per farlo è il piano di massa, in cui viene utilizzato uno dei layer PCB per la massa con un grande foglio di rame che copre l'intero layer.

Ad oggi, sono ancora sorpreso dal numero di nuovi progettisti che esitano a inserire un piano di massa nel loro stack-up PCB. Molti problemi di rumore di base che influiscono sui segnali digitali e analogici possono essere riportati all'assenza di un piano di massa nel dispositivo. Nei PCB moderni, l'utilizzo di un piano di massa solido in tutto il dispositivo è una linea guida standard. Ci sono casi eccezionali in cui sono preferibili dei piani divisi o una massa a stella su un PCB, ma questi approcci non sono adatti per la maggior parte delle progettazioni digitali e analogiche.

• Scopri di più sulla messa a terra del PCB

Posizionamento completo prima del routing

Non appena trasferisci i dati degli schematici in un nuovo layout PCB, dovrai posizionare i componenti sulla scheda. A questo punto della progettazione, l'obiettivo è posizionare i componenti per garantire che il progetto sia risolvibile, ovvero possa essere instradato facilmente. Pertanto, è meglio evitare di eseguire il routing finché i componenti non sono stati posizionati e il posizionamento non è stato approvato. Se esegui il routing prima che tutti i componenti siano posizionati, è inevitabile che tu debba modificare il routing. Prima di instradare qualsiasi cosa, prova a portare il layout al punto in cui tutte le intersezioni tra le connessioni sono ridotte al minimo.

Dopo che tutto è stato posizionato e finalizzato, è il momento di iniziare il routing del PCB. Se hai seguito i consigli di cui sopra e hai rivisto le regole di progettazione prima di iniziare a lavorare sul layout PCB, è più probabile che tu riesca a realizzare una progettazione di successo. Quando usiamo la parola "successo" per descrivere il routing, in genere ci riferiamo a tre aspetti:

• Ridurre al minimo la necessità di nuovi layer di segnale per instradare tutti i segnali
• Ridurre al minimo le transizioni tra i livelli, quando possibile
• Ridurre al minimo il rumore, grazie all'uso di un piano di massa nello stack-up PCB
• Cerca di mantenere il maggior numero possibile di percorsi brevi e diretti

Questo elenco di linee guida non è esaustivo, ma è applicabile alle tracce che trasportano la maggior parte dei segnali che verranno instradati sul PCB. Le progettazioni ad alta velocità, a bassa velocità, analogiche a bassa frequenza e RF utilizzano tutti questi suggerimenti per il routing su PCB, quindi abituati a implementare queste stesse pratiche nel tuo layout PCB.

Non dimenticare: il tuo obiettivo è produrre!

Una volta che ogni elemento del layout è stato instradato e finalizzato, il lavoro non è ancora finito. In qualità di progettista, il tuo compito è quello di creare i file di produzione a partire dal layout PCB. Il software di progettazione PCB include strumenti per creare automaticamente questi file di output. Anche dopo aver preparato gli output, devi rivedere questi file per assicurarti di non aver applicato in modo errato nessuna delle impostazioni nell'esportatore dei file di output, quindi prenditi del tempo per rivedere tutto prima di inviarlo al produttore.

• Scopri di più sui risultati di progettazione e sulla produzione

Qual è il prossimo passo?

Congratulazioni! Hai completato la fase finale della progettazione e ora potrai passare alla produzione. Successivamente, il produttore esaminerà la progettazione per assicurarsi che sia conforme alle proprie capacità di elaborazione. Se il progetto supera la revisione DFM finale, la scheda verrà messa in produzione ed assemblaggio.

Dopo aver appreso le basi del PCB design, prova a utilizzare il set completo di funzionalità di progettazione e layout PCB di Altium Designer. Quando avrai completato il progetto e vorrai inviare i file al tuo produttore, la piattaforma Altium 365™ ti permetterà di semplificare la collaborazione e la condivisione dei tuoi lavori. Puoi anche completare una revisione totale della progettazione per assicurarti che la tua nuova scheda possa essere prodotta con un'alta resa e un'alta qualità.

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