نکات مهم طراحی برد الکترونیکی یا طراحی PCB

نحوه طراحی برد الکترونیکی یکی از جنبه‌های مهم حوزه الکترونیک می باشد. هنگامی‌که نوبت به طراحی PCB می‌رسد، این روند دیگر آنقدرها که فکر می‌کنید ساده نیست. اگر به دنبال بهینه‌سازی برد خود هستید، پیچیدگی‌های بسیاری در طراحی برد الکترونیکی وجود دارد که بایستی مورد توجه قرار گیرند. در این مقاله و در دوره آلتیوم دیزاینر برخی از نکات مهم طراحی برد الکترونیکی را شرح داده‌ایم که در هنگام طراحی PCB بایستی به خاطر بسپارید.

برخی از نکات مهم برای طراحی برد الکترونیکی

طراحی برد الکترونیکی به چند مرحله تقسیم می‌شود که تمامی آن‌ها برای رسیدن به هدفی که هر طراح برای خود مشخص می‌کند، مهم و ضروری هستند. هدف ما در طراحی PCB این است که بتوانیم برد مدار چاپی را به نحوی طراحی کنیم که بتواند تمام عملکردها و انتظارات موردنیاز مدار الکترونیکی را برآورده کند.

پس از انتخاب متریال و ساختار فیزیکی PCB یعنی تعیین تعداد لایه‌ها و همچنین نحوه چینش لایه ها، مرحله بعدی شامل چیدمان قطعات و ترک کشی (روتینگ) است. در این قسمت این مراحل را تجزیه‌ و تحلیل کرده و نکاتی را ارائه می‌کنیم که می‌تواند یکی از ظریف‌ترین و از بعضی جهات رضایت‌بخش‌ترین مراحل طراحی برد الکترونیکی بوده و آن را ساده‌تر کند.

ترک کشی دستی یا اتوماتیک ، کدام بهتر است؟

همه نرم‌افزارهای طراحی برد مدار چاپی PCB ابزاری به نام ترک کش خودکار دارند. افراد مبتدی اغلب بر این باور هستند که Autorouter ابزاری خطاناپذیر بوده و قادر به حل هرگونه مشکل ترک کشی می باشد.

در حقیقت، هیچ مسیرکش خودکاری قادر نیست به‌طور کامل جایگزین مهارت‌ها، تجربه و انعطاف‌پذیری روتینگ دستی شود. به‌جای تکیه کامل بر این ابزار، از آن فقط برای صرفه‌جویی در وقت و صرفه جویی در ترک کشی اتصالات ساده و مستقیم استفاده کنید. و یا فقط بررسی کنید که این ابزار چه مسیرهایی را برای روتینگ برخی از ترک‌ها پیشنهاد می‌دهد. گاهی اوقات ممکن است این پیشنهاد بهترین گزینه باشد، و ممکن است مسیری را پیشنهاد دهد که از دید شما مخفی مانده است. در باقی موارد استفاده از این ابزار توصیه نمی شود.

عرض ترکها را به‌طور مناسب انتخاب کنید!

هندسه یک ترک (تریس – Trace) شامل ضخامت و عرض ترک و همچنین طول آن می باشد. برای اطمینان یافتن از عملکرد صحیح مدار در تمام شرایط محیطی، طراحی صحیح ترک‎‏‏‎‌ها از اهمیت مهمی در طراحی برد الکترونیکی برخوردار است. ترک‌های PCB برای حمل سیگنال‌های الکتریکی استفاده می‌شوند و درنتیجه بایستی عرض آنها متناسب با جریان عبوری از آن‌ها انتخاب شود.

طراحان بردهای مدار چاپی بایستی حداقل عرض هر ترک را مشخص کنند تا از گرم شدن خطرناک برد مدار چاپی PCB پیشگیری شود. این پارامتر به شکل مستقیم بر روند ترک کشی تأثیر می‌گذارد، چون فضای موجود در برد PCB را کاهش می‌نماید؛ بنابراین حداقل عرض، بایستی قبل از کشیدن ترک‌ها، با استفاده از یکی از ابزارهای استاندارد مشخص شود. این‌یکی از نکات مهم طراحی برد چاپی می باشد.

وقتشه الان بخونی: محاسبه ضخامت ترک
به پیشنهاد نویسنده قبل از مطالعه ادامه محتوا، ابتدا محتوای بالا را کامل بخوانید.

این ابزارها با وارد نمودن ضخامت، جریان و همچنین حداکثر افزایش دمای قابل‌قبول، حداقل عرض ترک را مطابق استاندارد تعیین می کنند. ضخامت ترک در PCB بر اساس واحد اونس مس اندازه‌گیری می‌گردد که برابر است با میزان ضخامتی که با توزیع یکنواخت یک اونس مس در مساحت یک فوت مربع به دست می‌آوریم. این ضخامت 1.4 هزارم اینچ می باشد.

PCB های استاندارد از ضخامت‌های 1 الی 2 اونس (oz) مس بهره می‌گیرند اما برای کاربردهای توان بالا، این مقدار می‌تواند به 6 اونس نیز برسد. اگر در میزان فضای موجود برای طراحی برد الکترونیکی مشکلی نباشد، توصیه می‌شود از ترکهای با عرض بیشتر از استاندارد استفاده نمایید تا مدیریت حرارتی و قابلیت اطمینان برد بهبود یابد. همچنین به یاد داشته باشید که ترکها روی لایه‌های بیرونی، تبادل حرارتی بهتری با محیط دارند؛ پس می توانند عرض کمتری هم داشته باشند.

ترک های آنالوگ و دیجیتال را از هم جدا کنید.

یکی از نکات مهم طراحی برد الکترونیکی این است که ترک های آنالوگ و دیجیتال را از هم جدا کنید. در طراحی برد الکترونیکی، ترک هایی که سیگنال‌های دیجیتال را حمل می‌کنند، به‌خصوص اگر فرکانس بالا باشند، بایستی از ترک هایی که سیگنال‌های آنالوگ را حمل می‌کنند، دور نگه داشته شوند. سیگنال‌های دیجیتال همانند گذرگاه آدرس یا داده، غالبا در مسیرهای موازی حرکت می کنند که اغلب با خطر ایجاد کوپلاژ خازنی و تداخل بین سیگنال‌ها مواجه می‌شوند. این امر سبب ایجاد نویز می‌شود؛ پدیده‌ای مخرب که با طراحی صحیح برد مدار چاپی به راحتی حل می شود. بنابراین توصیه می‌کنیم ترک های دیجیتال فرکانس بالا را از سایر ترک ها، دور نگه دارید.

بهره‌گیری از پلین های زمین

از نکات مهم طراحی برد الکترونیکی می‌توان به بهره‌گیری از پلین های زمین (Plane Ground) اشاره کرد. خب حالا منظور چیست؟ برای هرکدام از قطعات الکترونیک، حداقل یک PCB نیاز است. زیرا برای تمام ترک ها، نقطه مرجع یکسانی برای اندازه‌گیری ولتاژ فراهم می‌گردد. حال اگر ترک زمین هرکدام از قطعات را در جاهای مختلف یک برد روت کنید، تعداد بسیار زیادی ترک زمین خواهید داشت که هرکدام مقاومت خاص خود و در نتیجه افت ولتاژ خاص خود را دارد. ساده‌ترین راه حل، قرار دادن پلین زمین در زیر ترکهایی است که سیگنال‌ها را حمل می‌کنند. این امر به کاهش امپدانس کمک کند و ایمنی در برابر نویز را افزایش می‌دهد.

صحت و درستی PCB

از دیگر نکات طراحی برد مدار چاپی که باید ذکر کنیم این است که شماره پایه های قطعات باید به درستی تعریف‌شده باشد. برای مثال شماره پایه‌های آی سی ها، ترانزیستورها، دیودها، led ها و یا هر قطعه استفاده‌شده در مدار، در محیط شماتیک و محیط PCB باید با دیتاشیت آن مطابقت داشته باشد.

بعضی‌اوقات مهندسان تازه‌کار، ترسیم صحیح شماتیک را هدر دادن زمان می‌دانند؛ مخصوصاً اگر قبلاً هم یک یا دو طراحی مشابه انجام داده باشند. این در حالی است که داشتن یک طرح شماتیک کامل از مدار و بهره‌گیری از آن به‌عنوان مرجعِ درست اتصالات بین قطعات، در طراحی PCB بسیار مفید می باشد. وجود همه قطعات در یک سند شماتیک و مشخص بودن ارتباطات تک‌تک قطعات، در مرحله طراحی PCB کمک بسیار شایانی می‌کند.

استفاده از ویا و پدهای حرارتی

به آخرین نکته از نکات مهم طراحی برد الکترونیکی رسیدیم که می‌خواهیم در این مقاله معرفی کنیم. البته ما تمام این نکات را در این مقاله برای شما عزیزان بیان نکردیم و فقط برخی از مهم‌ترین آن‌ها را شرح دادیم برای آگاهی از نکات بیشتر از دوره آموزش طراحی برد الکترونیکی استفاده کنید. پدهای حرارتی نقش بسیار مهمی در کاربرد لحیم‌کاری موجی (wave solder) دارند. به‌منظور بهبود مدیریت حرارتی، بارها توصیه می‌شود از پدهای حرارتی برای قطعاتی که بر روی PCB تولید گرما می کنند، استفاده نمایید.

ویاهای حرارتی نیز بسیار مهم هستند. زیرا آن‌ها می‌توانند نه‌فقط یک اتصال الکتریکی بین لایه‌ها، بلکه ابزاری باشند تا گرما را از قطعات داغ به خارج از برد منتقل کنند. با قرار دادن ویاهای حرارتی زیر یک تراشه، دمای کارکرد قطعه کم می‌شود و قابلیت اطمینان و دوام مدار بهبود می‌یابد.

کلام آخر

در این مقاله نکات مهم طراحی برد الکترونیکی را شرح دادیم و امیدواریم توانسته باشیم در این زمینه کمکی به شما کرده باشیم. سوالات خود را راجع به نکات مهم طراحی برد الکترونیکی در بخش نظرات با ما در میان بگذارید.