Tipy a techniky pro návrh desek s malými obvody ke zmenšení velikosti desky plošných spojů

U každého elektronického produktu, ať už jde o složitý mobilní telefon nebo jakoukoli jinou jednoduchou nízkonákladovou elektronickou hračku, je základní deska s plošnými spoji (PCB) nezbytnou součástí. Ve vývojovém cyklu produktu je správa nákladů na design velkým problémem a PCB je nejvíce opomíjenou a nákladnější komponentou v kusovníku. PCB stojí mnohem víc než jakákoli jiná součást použitá v obvodu, takže zmenšení velikosti PCB nejen zmenší velikost našeho produktu, ale ve většině případů také sníží výrobní náklady. Jak však zmenšit velikost desky plošných spojů je složitá otázka ve výrobě elektroniky, protože velikost desky plošných spojů závisí na několika věcech a má svá omezení. V tomto článku popíšeme návrhové techniky ke zmenšení velikosti PCB porovnáním kompromisů a možných řešení.

Vícevrstvá deska s plošnými spoji pro zmenšení prostoru na trati a rozteče komponent

Hlavní prostor v desce s plošnými spoji je směrován. Fáze prototypu, kdykoli je testován obvod, používá jednu vrstvu nebo maximálně dvouvrstvou desku plošných spojů. Většinu času se však obvod vyrábí pomocí SMD (Surface Mount Devices), což nutí designéra použít dvouvrstvou desku plošných spojů. Návrh desky ve dvou vrstvách otevírá povrchový přístup ke všem komponentům a poskytuje deskám prostor pro směrování stop. Povrchový povrch desky se může znovu zvětšit, pokud je vrstva desky zvětšena více než dvě vrstvy, například čtyři nebo šest vrstev. Existuje však nevýhoda. Pokud je deska navržena pomocí dvou, čtyř nebo dokonce více vrstev, vytvářejí obrovskou složitost, pokud jde o testování, opravy a přepracování obvodu.

Více vrstev (hlavně čtyři vrstvy) je proto možné pouze v případě, že je deska ve fázi prototypu dobře otestována. Kromě velikosti desky je doba návrhu také mnohem kratší než návrh stejného obvodu ve větší desce s jednou nebo dvěma vrstvami.

Obecně jsou energetické stopy a vrstvy výplně zpětné cesty uzemněny jako cesty vysokého proudu, proto vyžadují silné stopy. Tyto vysoké stopy lze směrovat ve vrstvách TOP nebo Bottom a cesty nízkého proudu nebo signální vrstvy lze použít jako vnitřní vrstvy ve čtyřech vrstvách PCB. Na následujícím obrázku je čtyřvrstvá deska plošných spojů.

Existují však obecná kompromisy. Cena vícevrstvých desek plošných spojů je vyšší než u jednovrstvých desek. Proto je zásadní vypočítat účel nákladů před změnou jedno nebo dvouvrstvé desky na čtyři vrstvy PCB. Ale zvýšení počtu vrstev by mohlo dramaticky změnit velikost desky.

Správa tepelných problémů změnou tloušťky mědi

PCB je velmi užitečným případem pro návrh obvodů s vysokým proudem, kterým je řízení teploty v PCB. Když vysoký proud protéká stopou PCB, zvyšuje rozptyl tepla a vytváří odpor na cestách. Kromě specializovaných silných tras pro správu silnoproudých cest je však hlavní výhodou desky plošných spojů vytvoření chladičů desky plošných spojů. Pokud tedy návrh obvodu využívá značné množství měděné oblasti PCB pro řízení tepla nebo přiděluje obrovské prostory pro stopy vysokého proudu, lze zmenšit velikost desky pomocí zvýšení tloušťky měděné vrstvy.

Podle IPC2221A by návrhář měl použít minimální šířku stopy pro požadované aktuální cesty, ale je třeba vzít v úvahu celkovou oblast trasování. Obecně měly desky plošných spojů tloušťku měděné vrstvy 1Oz (35 um). Tloušťku mědi lze ale zvýšit. Proto pomocí jednoduché matematiky by zdvojnásobení tloušťky na 2Oz (70 um) mohlo snížit stopovou velikost na polovinu jako na stejnou kapacitu proudu. Kromě toho může být tloušťka mědi 2Oz výhodná i pro chladič na bázi PCB. K dispozici je také těžší kapacita mědi, která se také může pohybovat od 4Oz do 10Oz.

Zvyšování tloušťky mědi tedy účinně snižuje velikost PCB. Podívejme se, jak to může být efektivní. Níže uvedený obrázek je online kalkulačka pro výpočet šířky stopy PCB.

Hodnota proudu, který bude proudit stopou, je 1A. Tloušťka mědi je nastavena na 1 Oz (35 um). Vzestup teploty na stopě bude 10 stupňů při okolní teplotě 25 stupňů Celsia. Výstup šířky stopy podle standardu IPC2221A je -

Nyní, ve stejné specifikaci, pokud se zvětší tloušťka mědi, lze zmenšit šířku stopy.

Tloušťka, která je požadována, je pouze -

Výběr balíčku komponent

Výběr komponent je hlavní věcí v návrhu obvodu. V elektronice jsou k dispozici stejné, ale různé součásti balíčku. Například jednoduchý rezistor s výkonem 0,125 Watt může být k dispozici v různých baleních, například 0402, 0603, 0805, 1210 atd.

Prototyp PCB většinou používá větší komponenty, které používají rezistory 0805 nebo 1210, stejně jako nepolarizované kondenzátory s vyšší vůlí než obvykle, kvůli snazší manipulaci, pájení, výměně nebo testování. Ale tato taktika nakonec má obrovské množství prostoru na palubě. Během fáze výroby lze komponenty změnit na menší balení se stejným hodnocením a prostor desky lze komprimovat. Můžeme zmenšit velikost balíčku těchto komponent.

Ale je situace, který balíček zvolit? Je nepraktické používat menší balíčky než 0402, protože standardní stroje pro výběr a umístění, které jsou k dispozici pro výrobu, mohou mít omezení pro zpracování balíků SMD menších než 0402.

Další nevýhodou menších komponent je jmenovitý výkon. Menší balíčky než 0603 zvládnou mnohem nižší proud než 0805 nebo 1210. Při výběru správných komponent je tedy třeba pečlivě zvážit. V takovém případě, kdykoli nelze použít menší balíčky ke zmenšení velikostí desek plošných spojů, lze upravit stopu balíčku a mohl by zmenšit podložku komponentů, pokud je to možné. Návrhář může být schopen trochu stlačit věci změnou stopy. Kvůli tolerancím návrhu je dostupný výchozí footprint běžným footprintem, který může obsahovat jakoukoli verzi balíčků. Například stopa balíčků 0805 je vyrobena takovým způsobem, že může pokrýt co nejvíce variací pro 0805. Ke změnám dochází kvůli rozdílům ve výrobní schopnosti.Různé společnosti používají různé výrobní stroje, které dříve měly různé tolerance pro stejný balíček 0805. Výchozí stopy balíčku jsou tedy o něco větší, než je potřeba.

Jeden může ručně upravit stopu pomocí datových listů konkrétních komponent a podle potřeby by mohl zmenšit velikost podložky.

Velikost desky lze zmenšit také pomocí elektrolytických kondenzátorů na bázi SMD, protože se zdálo, že mají menší průměry než průchozí díry se stejným hodnocením.

Kompaktní spojovací prvky New Age

Dalším prostorem náročným prvkem jsou konektory. Konektory využívají větší prostor na desce a stopa také používá podložky s větším průměrem. Změna typů konektorů může být velmi užitečná, pokud to dovolují jmenovité hodnoty proudu a napětí.

Společnost vyrábějící konektory, například Molex nebo Wurth Electronics nebo jiné velké společnosti, vždy poskytují stejný typ konektorů na základě různých velikostí. Výběr správné velikosti by tedy mohl ušetřit náklady i prostor na desce.

Rezistorové sítě

Především v konstrukci založené na mikrokontroléru jsou sériové průchozí rezistory tím, co je vždy nutné k ochraně mikrokontroléru před vysokým proudem protékajícím IO kolíky. Proto je zapotřebí jako sériový rezistor použít více než 8 rezistorů, někdy i více než 16 rezistorů. Takové obrovské množství rezistorů přidává na PCB mnohem více místa. Tento problém lze vyřešit použitím odporových sítí. Jednoduchá rezistorová síť založená na balíčku 1210 by mohla ušetřit místo pro 4 nebo 6 rezistorů. Na následujícím obrázku je rezistor 5 v balení 1206.

Skládané balíčky místo standardních balíčků

Existuje spousta návrhů, které vyžadují více tranzistorů nebo dokonce více než dva MOSFETy pro různé účely. Sčítání jednotlivých tranzistorů nebo Mosfetů by mohlo skončit více místa než při použití skládaných balíčků.

Existuje celá řada možností, které používají více komponent v jednom balíčku. K dispozici jsou například také duální balíčky Mosfet nebo quad MOSFET, které zabírají prostor pouze pro jeden Mosfet a mohou ušetřit obrovské množství místa na desce.

Tyto triky lze použít téměř na každou součást. To vede k menšímu prostoru na desce a bonusovým bodem je, že někdy jsou náklady na tyto komponenty nižší než při použití jednotlivých komponent.

Výše uvedené body jsou možným východiskem pro zmenšení velikosti PCB. Náklady, složitost vs. velikost desky plošných spojů však vždy mají určité rozhodující kompromisy související s rozhodováním. Je třeba vybrat přesnou cestu, která je závislá na cílové aplikaci nebo na konkrétním cíleném designu obvodu.