Vad är PCB design? PCB design avser design av kretskort. Kretskortdesign baseras på kretsscheman för att realisera den funktionalitet som kretsdesignern kräver. PCB design utgör den fysiska ramkonstruktionsprocessen för elektroniska produkter och omvandlar abstrakta kretsscheman till tillverkningsbara fysiska kortlayouter som direkt påverkar enhetens prestanda, kostnad och tillförlitlighet.
PCB design handlar främst om layoutdesign, vilket kräver hänsyn till externa anslutningsarrangemang, optimerad placering av interna elektroniska komponenter, effektiv dragning av metallspår och via, elektromagnetisk avskärmning, värmeavledning och olika andra faktorer. En utmärkt layoutdesign kan sänka produktionskostnaderna och samtidigt uppnå överlägsen kretsprestanda och värmeavledning. Enkla layouter kan skapas manuellt, medan komplexa konstruktioner kräver CAD-programvara (Computer-Aided Design).
Kvaliteten på ett PCB avgör direkt framgången eller misslyckandet för en elektronisk produkt, vilket gör en sund PCB design process av största vikt. Många ingenjörer tror felaktigt att PCB design endast innebär att arrangera komponenter och ansluta deras stift. Detta är ett snävt perspektiv; en robust PCB design process inleds under schematisk design och omfattar beslut som att välja lämpliga lösningar och lämpliga elektroniska komponenter.
Processen omfattar specifikt: schematisk design; export och import av schematisk nätlista; import av mekaniska ritningar; stackup-design och redigering; försimulering för signalintegritet (SI)/effektintegritet (PI); PCB-layout; import av designbegränsningsregler; PCB-routing; eftersimulering för signalintegritet (SI)/effektintegritet (PI)/elektromagnetisk kompatibilitet (EMC)/termisk analys; kontroller av design för tillverkningsbarhet (DFM); och generering av produktionsfiler (Gerber). Dessa uppgifter kan utföras av en enskild ingenjör eller i samarbete mellan flera ingenjörer. Naturligtvis varierar arbetsflödet för PCB design mellan olika produkter, med specifika krav som styr tillvägagångssättet. Kontroller av design för tillverkningsbarhet (DFM). Generering av produktionsfiler (Gerber). Dessa uppgifter kan utföras av en enskild ingenjör eller av flera ingenjörer i samarbete. Naturligtvis är inte alla produkters PCB design processer identiska; specifika produkter kan förfina, utöka eller minska detta arbetsflöde efter behov.
Vanlig PCB design programvara
Vanlig PCB design programvara inkluderar:
Altium Designer, som erbjuder omfattande funktionalitet från schematisk design till PCB layout, paketgenerering och signalintegritetsanalys. Dess visuella miljö och omfattande verktygsbibliotek underlättar effektiv design.
Cadence Allegro, ett professionellt verktyg som är allmänt använt inom industrin, stöder design av höghastighetsdigitala signaler och RF-kretsar med robust simulering och samarbetsfunktioner för flera användare.
Mentor PADS passar för små till medelstora konstruktioner och täcker hela konstruktionsarbetsflödet med ett användarvänligt gränssnitt.
KiCad, en öppen källkodslösning, stöder flera plattformar med robust funktionalitet och en aktiv community som erbjuder gratis teknisk support.
Eagle kännetecknas av enkel användning och snabb inlärning, med ett intuitivt gränssnitt och en stor användargrupp som möjliggör delning av konstruktionsresurser.
Nödvändig dokumentation för PCB-konstruktion
1.Kretsdiagram
Schematiskt diagram utgör grunden för PCB design och beskriver alla elektroniska komponenter och deras sammankopplingar. Designers måste basera PCB-layout och routing på detta schematiska diagram.
2.Materialförteckning (BOM)
BOM listar alla komponenter som ska monteras på PCB, inklusive artikelnummer, specifikationer, förpackningstyper och kvantiteter. Detta hjälper designers att välja lämpliga komponentpaket och planera layouten.
3.Designspecifikationer och krav
Dessa omfattar PCB-dimensioner, antal lager, material, tjocklek, krav på elektrisk prestanda (t.ex. impedanskontroll), särskilda processkrav (t.ex. blind/begravda vias, HDI) och andra designbegränsningar.
4.Referensdesignmaterial
Om det finns tillgängligt bör liknande referensdesignmaterial, såsom tidigare projektfiler eller referensdesignritningar, tillhandahållas designers för konsultation.
5.Mekaniska konstruktionsritningar
Inkluderar konturritningar, monteringshålens positioner och dimensioner, kontaktdonens placering och annan mekanisk konstruktionsinformation för att säkerställa att kretskortsdesignen överensstämmer med produktens övergripande mekaniska krav.
6.Test- och felsökningskrav
Ange specifika krav för produkttestning och felsökning, såsom testpunkters placering och testgränssnitt, så att konstruktörerna kan placera testpunkter och gränssnitt på lämpligt sätt i kretskortets layout.
Steg i designen av kretskort
Det vanliga arbetsflödet för kretskortdesign består av: Förberedelser → Strukturell design av kretskort → Layout av kretskort → Routing → Optimering av routing och silkscreen → Nätverks- och DRC-kontroller med strukturell verifiering → Plåtproduktion.
(1) Schematisk design: Schematisk design innebär främst att man ritar kretsdiagram med hjälp av den schematiska redigeraren i kretskortdesignprogrammet.
(2) Generering av nätlista: Nätlistan är en rapport som visar anslutningsförhållandena mellan komponenterna i kretsens schematiska diagram. Den fungerar som en bro mellan den schematiska designen och PCB-layouten. Genom att granska det schematiska diagrammets nätlista kan anslutningarna mellan komponenterna snabbt identifieras, vilket underlättar den efterföljande PCB designen.
(3) PCB-kretskortdesign: PCB design implementerar erforderlig funktionalitet baserat på det schematiska diagrammet. Vid design av PCB layout måste man ta hänsyn till många faktorer, inklusive mekanisk struktur, layout för externa anslutningar, komponentplacering, sammankopplingar, värmehantering och elektromagnetisk kompatibilitet. För att slutföra detta steg krävs ofta många iterationer av schematiska revideringar.
(4) Tillverkning av PCBA-styrkort: Efter komponentinköp och mottagande av kretskortet genomgår kortet SMT-placering och lödning av olika komponenter, tillsammans med DIP-insättningsprocesser, varigenom monteringen av styrkortet slutförs.
Principer för komponentplacering
Placera först komponenter med strukturella integrationskrav, såsom eluttag, indikatorlampor, strömbrytare, kontakter och gränssnitt. För det andra placerar du specialkomponenter såsom stora, tunga, värmealstrande komponenter och integrerade kretsar (IC). Slutligen placerar du mindre komponenter. Komponentlayouten bör ta hänsyn till routningen och prioritera konstruktioner som underlättar effektiv spårplacering.
1.Kristalloscillatorer bör placeras nära IC.
2.IC-avkopplingskondensatorer bör placeras så nära IC:s strömstift som möjligt, så att de bildar en så kort slinga som möjligt mellan ström och jord.
3.Värmealstrande komponenter bör i allmänhet fördelas jämnt för att underlätta värmeavledning från både kretskortet och hela enheten. Temperaturkänsliga enheter, med undantag för temperaturkännande komponenter, bör hållas borta från komponenter som alstrar mycket värme.
Principer för kabeldragning
1.Höghastighetssignalbanor bör hållas så korta som möjligt, med kritiska signalbanor minimerade i längd.
2.Undvik att placera för många via på en enda bana; begränsa till högst två via.
3.Routinghörn bör helst överstiga 90 grader; undvik vinklar under 90 grader och minimera användningen av 90-gradershörn.
4.Vid routing på dubbelsidiga kort bör spåren på båda sidor vara vinkelräta, diagonala eller böjda i förhållande till varandra, och parallell routing bör undvikas för att minska parasitisk koppling.
5.Ljudingångsledningar bör ha samma längd, placeras nära varandra med ljudledningen omgiven av jordplanet.
6.Inga spår bör löpa under förstärkarens IC; flera via bör placeras under förstärkarens IC för anslutning till GND.
7.Eftersom det inte finns något dedikerat jordplanlager i dubbelsidiga kort bör jordanslutningen för kristalloscillatorns kondensator använda ett så brett kort spår som möjligt till GND-stiftet närmast kristallen på komponenten, vilket minimerar antalet via.
8.Strömförsörjningsledningar och USB-laddningsingångar ska ha tjockare spår (≥1 mm). Förse via-platserna med dubbelsidig kopparplätering och lägg sedan till flera via-hål inom det pläterade kopparområdet.
I allmänhet bör ström- och jordspår dras först för att säkerställa kretskort elektriska prestanda. Om möjligt bör ström- och jordspår breddas, helst så att jordspåren överstiger strömspårens bredd. Spårprioritet är: jord > ström > signal. Signalspårens bredd varierar vanligtvis mellan 0.2 och 0.3 mm, med en minsta bredd på 0.05–0.07 mm. Strömspår mäter vanligtvis 1.2–2.5 mm.
Mot bakgrund av den accelererade utvecklingen mot intelligent och högintegrerad elektronik har PCB design utvecklats från en enskild teknisk process till en central knutpunkt som förbinder innovation med massproduktion. Geopcb, med sin omfattande servicekedja som spänner över kravanalys, schematisk design, PCB-layout, simuleringsverifiering, DFM-tillverkningsbarhetsanalys, prototypproduktion och massproduktionsstöd, levererar Geopcb skräddarsydda lösningar för konsumentelektronik, fordonselektronik, industriell styrning och 5G-kommunikationssektorer.
