Основы проектирования печатных плат для начинающих дизайнеров

Давайте настроимся: вы только что установили новую программу для проектирования печатных плат и готовы приступить к созданию вашей первой платы. С чего начать? Большинство инженеров отлично работают со схемами и выбором основных компонентов, но тот, кто новичок в разработке печатных плат, может почувствовать себя потерянным. Программное обеспечение для проектирования печатных плат содержит множество инструментов и следует определенному рабочему процессу, но начинающий может продвигаться по процессу проектирования, зная некоторые основы проектирования печатных плат.

В этой статье я представлю некоторые основы, которым каждый новый дизайнер должен следовать, чтобы помочь обеспечить успех процесса проектирования. Некоторые из этих пунктов могут оспаривать традиционные взгляды на то, как устроены печатные платы, но они предназначены для помощи в достижении баланса между низким уровнем шума сигналов, производственной пригодностью и удобством решения задачи размещения.

Основы начала нового проекта печатной платы

Процесс проектирования печатной платы следует стандартному рабочему процессу, и для любого нового дизайнера важно понимать, как этот процесс разворачивается. Стандартный рабочий процесс в проектировании печатных плат сосредоточен на превращении инженерного проекта в физическую разводку печатной платы и подготовке финального дизайна к производству.

Понимание рабочего процесса проектирования печатной платы

Лучше всего уделить немного времени, чтобы кратко ознакомиться со стандартным рабочим процессом, прежде чем продолжить, поэтому прочтите ссылку выше. Процесс проектирования проходит через следующий список шагов:

1. Выбрать основные компоненты, которые есть в наличии и которые можно закупить у крупных дистрибьюторов
2. Создать и проверить схемы на основе инженерных требований
3. Создать пустую печатную плату, сформировать стек и создать правила проектирования
4. Импортировать данные компонентов из схем в новую компоновку печатной платы
5. Разместить компоненты и проверить их расположение, чтобы убедиться, что соблюдены инженерные требования
6. Проложить трассы и соединения между компонентами
7. Очистить компоновку печатной платы и провести окончательное рассмотрение дизайна
8. Подготовить выходные данные дизайна и отправить их на производство

Как только у вас будет общее представление о процессе проектирования, прочтите ссылку ниже, чтобы узнать, как разворачивается рабочий процесс проектирования печатных плат и какой стандартный набор задач должен выполнить каждый дизайнер, чтобы завершить новую печатную плату.

• Узнайте больше о стандартном рабочем процессе проектирования печатных плат

Схемы и компоновка должны быть синхронизированы

Если вы только начинаете свой путь в качестве дизайнера печатных плат, скорее всего, вы будете создавать свои собственные схемы для вашего устройства. Всякий раз, когда вы вносите изменения в дизайн, вам необходимо синхронизировать эти изменения между схемами и компоновкой. В частности, это включает любые из следующих изменений дизайна:

• Добавление, удаление или замена компонентов
• Добавление, удаление или изменение сетей
• Группировка сетей в объекты класса сетей
• Изменение информации о параметрах компонента (номер детали, информация о поставщике и т.д.)
• Любые другие электрические правила или директивы, применяемые к объектам в ваших схемах

После внесения любых изменений, их необходимо применить к компоновке печатной платы. Это делается с помощью функции импорта в вашем программном обеспечении для дизайна печатных плат. Это гарантирует, что все в вашем дизайне синхронизировано, и движок правил дизайна в вашем программном обеспечении будет корректно читать данные вашего дизайна.

Узнайте о процессе производства печатных плат

Любой дизайн, который вы планируете производить как физический продукт, должен быть пригоден для массового производства. Программное обеспечение ECAD позволит вам реализовать любую задумку дизайна в вашей плате печатного монтажа (PCB). Однако, ваши решения в дизайне должны быть выполнимы в стандартных процессах, поэтому дизайнеру необходимо знать пределы того, что может быть изготовлено на PCB.

Это означает, что каждый дизайнер печатных плат должен уделить время изучению основ производства печатных плат, чтобы они могли гарантировать, что их дизайны полностью пригодны для производства. Это относится к важному набору практик, которые должны быть встроены в ваш процесс проектирования, известных как проектирование с учетом производственных возможностей (DFM). Уделите время изучению некоторых базовых ошибок дизайна, которые могут помешать производству и привести к тому, что вашу плату вернут вам для переработки перед производством.

• Узнайте больше о проектировании с учетом производственных возможностей

Правила дизайна - ключ к успеху

После того, как вы узнаете о процессе производства, а также о некоторых стандартных возможностях, которые предлагают производители печатных плат, вам будет намного легче понять некоторые ограничения, налагаемые правилами проектирования. Большинство проблем DFM связаны с размером медных элементов на печатной плате или расстоянием между различными элементами. По умолчанию правила проектирования, запрограммированные в программное обеспечение для проектирования печатных плат, обычно немного консервативны, и вам следует знать пределы, нарушение которых допустимо.

В качестве примера рассмотрим следующий отпечаток. Этот отпечаток имеет расстояние между контактными площадками около 9 мил, но это вызывает ошибку правила проектирования (отображается зеленым), как только компонент переносится на макет печатной платы. Вы можете смело нарушать это правило проектирования и установить свой предел ниже, поскольку большинство производителей требуют минимального расстояния примерно 5 мил. Обязательно проверьте допуски на листе возможностей вашего производителя, прежде чем начинать вмешиваться в правила проектирования.

Используйте заземляющую плоскость

Каждая печатная плата должна иметь четкое соединение с землей, чтобы все компоненты в дизайне образовывали полные цепи и чтобы электрическая энергия подавалась по всему дизайну. Соединение с землей может быть с батареей на плате или с внешним источником питания. Независимо от того, как это соединение выполнено, его затем необходимо подать на все другие компоненты на печатной плате. Самый простой способ сделать это - использовать земляную плоскость, когда один из слоев печатной платы используется для заземления с большим листом меди, покрывающим весь слой.

До сих пор меня удивляет количество новых дизайнеров, которые колеблются разместить земляную плоскость в их стеке печатной платы. Многие основные проблемы с шумом, влияющие на цифровые и аналоговые сигналы, можно проследить до отсутствия земляной плоскости в устройстве. В современных печатных платах это стандартное руководство по использованию сплошной земляной плоскости в вашем устройстве. Существуют некоторые исключения, когда разделенные плоскости или звездообразное заземление на печатной плате являются приемлемыми, но эти подходы не подходят для подавляющего большинства цифровых и аналоговых конструкций.

• Узнайте больше о заземлении в вашей печатной плате

Завершите размещение перед трассировкой

Как только вы перенесете данные вашей схемы в новую компоновку печатной платы, вам придется разместить компоненты по всей плате. На этом этапе проектирования ваша цель - разместить компоненты так, чтобы дизайн был решаемым, то есть его можно было легко проложить. Поэтому лучше всего избегать любой трассировки до тех пор, пока компоненты не будут размещены и их расположение не будет утверждено. Если вы начнете трассировку до того, как все компоненты будут размещены, неизбежно придется изменять трассировку. Прежде чем трассировать что-либо, попытайтесь довести компоновку до состояния, когда все пересечения сетей минимизированы.

После того как все будет размещено и утверждено, пришло время начать трассировку печатной платы. Если вы следовали совету выше и просмотрели правила проектирования, прежде чем начать работу над компоновкой печатной платы, то у вас есть больше шансов успешно выполнить трассировку. Когда мы используем слово «успех» для описания трассировки, мы обычно имеем в виду три области:

• Минимизируйте необходимость добавления новых слоев сигналов для прокладки всех ваших сигналов
• По возможности минимизируйте переходы между слоями
• Минимизируйте шум, что облегчается использованием земляного слоя в стеке печатной платы
• Стремитесь делать как можно больше маршрутов короткими и прямыми

Этот список рекомендаций не является исчерпывающим, но они применимы к дорожкам, по которым проходит большинство сигналов, которые вы будете прокладывать на вашей печатной плате. Высокоскоростные, низкоскоростные, аналоговые низкочастотные и РЧ-дизайны все используют эти советы по прокладке печатных плат, так что привыкайте применять эти же практики в вашей компоновке печатной платы.

• Узнайте больше о прокладке маршрутов в вашей компоновке печатной платы

Не забывайте: ваша цель - производство!

Как только все в компоновке будет проложено и завершено, ваша работа еще не закончена. Как дизайнер, ваша задача - создать производственные файлы из компоновки печатной платы. Программное обеспечение для дизайна печатных плат включает инструменты для автоматического создания этих выходных файлов. Даже после подготовки результатов, вы все равно должны пересмотреть эти файлы, чтобы убедиться, что вы не неправильно применили какие-либо настройки в экспортере выходных файлов, так что уделите время для проверки всего перед отправкой его производителю.

• Узнайте больше о результатах проектирования и производстве

Что дальше?

Поздравляем! Вы достигли конца фазы проектирования, и теперь перед вами производство. Далее ваш производитель проверит дизайн на соответствие их производственным возможностям. Если все успешно проходит окончательную проверку на производственную пригодность (DFM), ваша плата отправится в производство и сборку.

После того как вы ознакомитесь с основами проектирования печатных плат, попробуйте использовать полный набор функций для проектирования и размещения печатных плат в Altium Designer®. Когда вы закончите свой проект и будете готовы отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365™ упростит совместную работу и обмен проектами. Вы также можете провести полное обзорное проектирование, чтобы помочь убедиться, что ваша новая плата может быть произведена с высоким выходом и качеством.

Мы только коснулись поверхности возможностей Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.

Посмотрите это связанное видео о выборе объектов печатной платы и другие советы и руководства на канале Altium Academy на Youtube