Podstawy projektowania PCB dla osób rozpoczynających projektowanie

Mamy taką sytuację: właśnie udało Ci się zainstalować nowy program do projektowania PCB i możesz zacząć pracę ze swoim pierwszym układem PCB. Jakie kroki trzeba wykonać, aby rozpocząć? Większość inżynierów doskonale radzi sobie z pracą ze schematami i wyborem podstawowych komponentów, ale ktoś, kto dopiero zaczyna pracę z układem PCB, może uznać ten proces za bardzo skomplikowany. Oprogramowanie do projektowania PCB zawiera wiele narzędzi i działa zgodnie z określonym przepływem pracy, ale osoba początkująca może przejść przez proces projektowania dzięki znajomości podstawowych zasad projektowania PCB.

W tym artykule przedstawię kilka podstaw projektowania, których powinna przestrzegać każda osoba rozpoczynająca projektowanie, aby zapewnić sukces całego procesu. Niektóre z tych punktów mogą podważać konwencjonalny pogląd na sposób konstruowania obwodów drukowanych, ale mają one na celu znalezienie równowagi pomiędzy sygnalizacją niskiego poziomu szumów, możliwościami produkcyjnymi i łatwością rozwiązania układu.

Podstawy rozpoczynania nowego projektu PCB

Proces projektowania PCB przebiega zgodnie ze standardowym przepływem pracy i ważne jest, aby każda osoba rozpoczynająca projektowanie rozumiała, jak przebiega ten proces. Standardowy przepływ pracy w projektowaniu PCB koncentruje się na wykonaniu projektu inżynieryjnego, ukończeniu fizycznego układu PCB i przygotowaniu sfinalizowanego projektu do produkcji.

Poznaj proces projektowania PCB

Zanim przejdziesz dalej, najlepiej jest poświęcić trochę czasu na krótkie zapoznanie się ze standardowym przepływem pracy, więc przeczytaj artykuł dostępny pod powyższym linkiem. W procesie projektowania należy wykonać wszystkie opisane poniżej kroki:

1. Wybierz podstawowe komponenty, które znajdują się w magazynie i są dostępne u głównych dystrybutorów.
2. Utwórz schematy i zweryfikuj je w oparciu o wymagania inżynieryjne
3. Utwórz pustą płytkę drukowaną, zbuduj stos i określ reguły projektowe.
4. Zaimportuj dane komponentów ze schematów do nowego układu PCB.
5. Umieść komponenty i zweryfikuj ich rozmieszczenie, aby upewnić się, że wymagania techniczne są spełnione
6. Poprowadź ścieżki i połączenia pomiędzy komponentami
7. Wyczyść układ PCB i przeprowadź końcową weryfikację projektu.
8. Przygotuj projekty i wyślij je do produkcji.

Po zapoznaniu się z ogólnym omówieniem procesu projektowania przeczytaj poniższy link, aby zobaczyć, jak przebiega proces projektowania PCB i standardowy zestaw zadań, które każdy projektant musi wykonać, aby ukończyć nowy obwód drukowany.

• Dowiedz się więcej o standardowym przepływie pracy projektowania PCB

Schematy i układ muszą być zsynchronizowane

Jeśli dopiero zaczynasz swoją przygodę z projektowaniem PCB, prawdopodobnie stworzysz własne schematy dotyczące swojego urządzenia. Za każdym razem, gdy wprowadzasz zmiany w projekcie, musisz zsynchronizować te zmiany między schematami w układzie. W szczególności obejmuje to następujące zmiany konstrukcyjne:

• Dodawanie, usuwanie lub zamiana komponentów
• Dodawanie, usuwanie lub zmiana sieci
• Grupowanie sieci w obiekty klasy netto
• Zmiana informacji o parametrach komponentów (numer części, informacje o dostawcy itp.)
• Wszelkie inne zasady lub dyrektywy elektryczne stosowane do obiektów na schematach

Po wprowadzeniu jakichkolwiek zmian należy je zastosować do układu PCB. Odbywa się to za pomocą funkcji importu w oprogramowaniu do projektowania PCB. Gwarantuje to, że wszystko w projekcie jest zsynchronizowane, a silnik reguł projektowych w oprogramowaniu poprawnie odczyta dane projektowe.

Dowiedz się więcej o procesie produkcji PCB

Każdy projekt, z którego ma powstać produkt fizyczny, powinien być możliwy do wyprodukowania w dużych ilościach. Oprogramowanie ECAD umożliwia wprowadzenie dowolnej funkcji projektowej w układzie PCB. Podejmowane decyzje projektowe muszą być jednak możliwe do wyprodukowania w standardowych procesach, więc osoba projektująca musi znać ograniczenia dotyczące tego, co można wyprodukować na PCB.

Oznacza to, że każda osoba projektująca PCB powinna poświęcić czas na poznanie podstaw produkcji PCB, aby upewnić się, że jej projekty są w pełni możliwe do wyprodukowania. Odnosi się to do ważnego zestawu praktyk, które powinny być stosowane w procesie projektowania, znanego jako projektowanie do celów produkcyjnych (ang. design for manufacturing, DFM). Poświęć trochę czasu na zapoznanie się z kilkoma podstawowymi błędami projektowymi, które mogą zakłócić proces produkcji i sprawić, że płytka zostanie odesłana w celu przeprojektowania jej przed rozpoczęciem produkcji.

• Dowiedz się więcej o projektowaniu do celów produkcyjnych

Zasady projektowania są kluczem do sukcesu

Po zapoznaniu się z procesem produkcyjnym oraz niektórymi standardowymi możliwościami producentów PCB znacznie łatwiej będzie zrozumieć niektóre ograniczenia nałożone w zasadach projektowania. Większość problemów DFM wiąże się z rozmiarem elementów miedzianych na płytce PCB lub odstępami między różnymi elementami. Domyślne zasady projektowania uwzględnione w oprogramowaniu do projektowania PCB są zwykle nieco konserwatywne i należy znać granice, w jakich można je naruszać.

Jako przykład rozważmy poniższy układ pól lutowniczych. Ten układ ma odstępy między polami lutowniczymi wynoszące około 9 mil, ale wywołuje błąd reguły projektowej (widoczny na zielono) po przeniesieniu komponentu do układu PCB. Można bez problemu naruszyć tę zasadę projektowania i ustawić niższy limit, ponieważ większość producentów będzie wymagać minimalnych odstępów wynoszących około 5 mil. Zanim jednak zaczniesz zmieniać zasady projektowania, sprawdź, jakie odstępy są opisane w arkuszu możliwości producenta.

Użyj płaszczyzny uziemienia

Każda płytka PCB musi mieć wyraźne połączenie z uziemieniem, aby wszystkie komponenty w projekcie tworzyły kompletne obwody, a zasilanie elektryczne było dostarczane w całym układzie. Uziemienie może zostać podłączone do baterii na płytce lub do zewnętrznego źródła zasilania. Bez względu na sposób wykonania tego połączenia uziemienie musi być następnie dostarczone do wszystkich innych komponentów na płytce drukowanej. Zdecydowanie najłatwiej jest to zrobić za pomocą płaszczyzny uziemienia, w której jedna z warstw PCB jest używana jako uziemienie z dużym arkuszem miedzi pokrywającym całą warstwę.

Do dziś jestem zaskoczony liczbą osób rozpoczynających projektowanie, którzy zastanawiają się nad umieszczeniem płaszczyzny uziemienia w swoim układzie PCB. Wiele podstawowych problemów z szumami, które wpływają na sygnały cyfrowe i analogowe, można wyjaśnić brakiem płaszczyzny uziemienia w urządzeniu. W nowoczesnych układach PCB standardem jest stosowanie solidnej płaszczyzny uziemienia w całym urządzeniu. Istnieją pewne wyjątki, w których rozdzielone płaszczyzny lub gwiaździste uziemienie w układzie PCB są odpowiednie, ale takie podejście jest niewłaściwe w zdecydowanej większości projektów cyfrowych i analogowych.

• Dowiedz się więcej o uziemieniu w układzie PCB

Zakończ rozmieszczanie przed trasowaniem

Gdy tylko przeniesiesz dane schematu do nowego układu PCB, trzeba będzie rozmieścić komponenty na płytce. Na tym etapie projektu trzeba skupić się na takim rozmieszczeniu, aby projekt był rozwiązywalny, co oznacza, że można łatwo poprowadzić trasy ścieżek. W związku z tym najlepiej jest unikać trasowania do momentu umieszczenia komponentów i zatwierdzenia ich rozmieszczenia. Jeśli wytyczysz trasy ścieżek przed umieszczeniem wszystkich komponentów, na pewno będzie konieczne skorygowanie ich przebiegu. Zanim zaczniesz cokolwiek trasować, postaraj się doprowadzić układ do punktu, w którym wszystkie przecięcia sieci zostaną zminimalizowane.

Gdy wszystko zostanie umieszczone i sfinalizowane, nadszedł czas, aby rozpocząć trasowanie PCB. Jeśli skorzystasz z powyższej porady i przejrzysz zasady projektowania przed rozpoczęciem pracy nad układem PCB, istnieje większe prawdopodobieństwo, że ścieżki zostaną poprawnie poprowadzone. Kiedy używamy słowa „poprawnie” w odniesieniu do trasowania, zazwyczaj odnosimy się do trzech zagadnień:

• Zminimalizowania potrzeby tworzenia nowych warstw sygnału, aby poprowadzić wszystkie sygnały
• Zminimalizowania przejść między warstwami tam, gdzie to możliwe
• Zminimalizowania szumów, co jest ułatwione dzięki zastosowaniu płaszczyzny uziemienia w stosie PCB
• Postaraj się, aby jak najwięcej tras było krótkich i bezpośrednich

Ta lista nie obejmuje wszystkich wytycznych, ale odnosi się do ścieżek przenoszących większość sygnałów, które trzeba poprowadzić na płytce PCB. Projekty analogowe o wysokiej prędkości, niskiej prędkości, niskiej częstotliwości i RF wykorzystują te wskazówki dotyczące trasowania PCB, więc warto wdrożyć te same praktyki w projektowaniu PCB.

• Dowiedz się więcej o trasowaniu układu PCB

Pamiętaj o najważniejszym: Twoim celem jest produkcja!

Gdy wszystko w układzie zostanie poprowadzone i sfinalizowane, praca wciąż nie jest skończona. Zadaniem osoby projektującej jest też utworzenie plików produkcyjnych na podstawie układu PCB. Oprogramowanie do projektowania PCB zawiera narzędzia do automatycznego tworzenia tych plików. Po wygenerowaniu plików produkcyjnych należy je jeszcze zweryfikować, aby mieć pewność, że w eksporterze plików nie dokonano błędnych ustawień. Warto więc poświęcić trochę czasu na sprawdzenie wszystkiego przed wysłaniem projektu do producenta.

• Dowiedz się więcej o plikach produkcyjnych i o produkcji

Co się dzieje dalej?

Gratulacje! Faza projektowania została zakończona i teraz trafi wszystko do produkcji. Na kolejnym etapie producent dokona weryfikacji, aby upewnić się, że projekt jest zgodny z jego możliwościami produkcyjnymi. Jeśli wszystko przejdzie pozytywnie ostateczną weryfikację DFM, płytka wejdzie do etapu produkcji i montażu.

Po zapoznaniu się z podstawami projektowania PCB spróbuj skorzystać z pełnego zestawu funkcji projektowania i układu PCB w programie Altium Designer®. Po zakończeniu projektowania i udostępnieniu plików producentowi platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów. Możesz również przeprowadzić kompleksową weryfikację projektu, aby upewnić się, że nowa płytka może być produkowana przy zachowaniu wysokiej wydajności i jakości.

Dotychczas przedstawiliśmy tylko skrótową wersję możliwości programu Altium Designer na platformie Altium 365. Rozpocznij darmowy okres próbny programu Altium Designer na platformie Altium 365 już dziś.

Zapoznaj się z tym powiązanym filmem na temat wybierania obiektów PCB oraz innymi wskazówkami i zaleceniami na kanale YouTube Altium Academy.