цифровая электроника
вычислительная техника
встраиваемые системы

 
» » Советы и методики проектирования миниатюрных печатных плат для компактных устройств

Советы и методики проектирования миниатюрных печатных плат для компактных устройств

Автор: Mike(admin) от 20-05-2020, 23:55

Для любого электронного продукта, будь то сложный мобильный телефон или любая другая простая недорогая игрушка, печатные платы являются важным компонентом. В цикле разработки продукта управление затратами на проектирование является огромной проблемой, а печатная плата является наиболее сложным и дорогостоящим компонентом в спецификации. Печатная плата в большинстве случаев стоит намного дороже, чем любой другой компонент, используемый в цепи, поэтому уменьшение размера печатной платы не только уменьшит размер продукта, но и в большинстве случаев сократит производственные затраты. Но как уменьшить размер платы – сложный вопрос в производстве электроники, потому что размер платы зависит от нескольких факторов и имеет свои ограничения. В этой статье мы опишем методы проектирования для уменьшения размера печатной платы путем сравнения компромиссов и возможных решений.


Советы и методики проектирования миниатюрных печатных плат для компактных устройств

Основное пространство на печатной плате занято дорожками маршрутизации. Стадии прототипа, когда тестируется схема, используют один слой или максимум два слоя печатной платы. Однако в большинстве случаев схема выполняется с использованием SMD (устройств для поверхностного монтажа), что вынуждает разработчика использовать двухслойную печатную плату. Проектирование платы в два слоя открывает поверхностный доступ ко всем компонентам и обеспечивает пространство на плате для маршрутизации. Поверхность платы может снова увеличиться, если слой платы увеличен больше, чем на два слоя, например, четыре или шесть слоев. Но есть недостаток. Если плата спроектирована с использованием двух, четырех или более слоев, это создает огромную сложность с точки зрения тестирования, ремонта и доработки схемы.


Поэтому несколько слоев (в основном четыре слоя) возможны только в том случае, если плата хорошо протестирована на стадии прототипа. Помимо размера платы, время проектирования также намного короче, чем проектирование одной и той же схемы в рамках более крупной однослойной или двухслойной платы.


Как правило, слои трассировки питания и заземления обратного тракта идентифицируются как дорожки с высоким током, поэтому они требуют большей толщины. Эти толстые дорожки могут быть направлены в верхний или нижний уровни, а слаботочные пути или сигнальные уровни могут использоваться в качестве внутренних уровней в четырехслойных печатных платах. На следующем изображении показана 4-слойная печатная плата.


Советы и методики проектирования миниатюрных печатных плат для компактных устройств

Но есть общие компромиссы. Стоимость многослойной платы выше, чем у однослойных плат. Таким образом, важно рассчитать цель затрат перед заменой одно- или двухслойной платы на четырехслойную печатную плату. Но увеличение количества слоев может кардинально изменить размер платы и в итоге самого устройства.


Печатная плата представляет собой особый вариант для схем с высоким током, который является генератором температуры в печатной плате. Когда высокий ток протекает через дорожку, он увеличивает тепловыделение и создает сопротивление на дорожке. Однако, помимо выделенных толстых дорожек для управления дорожками с высоким током, основным преимуществом печатной платы является создание своеобразных радиаторов в рамках печатной платы. Таким образом, если в конструкции схемы используется значительное количество медной области печатной платы для управления температурой или выделены огромные пространства для сильноточных дорожек, можно уменьшить размер платы за счет увеличения толщины медного слоя.


Согласно IPC2221A, разработчик должен использовать минимальную ширину дорожки для требуемых путей прохождения тока, но следует учитывать общую площадь дорожки. Например, плата имеет толщину медного слоя 10 унций (35 мкм). Но толщина меди может быть увеличена. Поэтому, используя простую математику, удвоение толщины до 20 унций (70 мкм) могло бы сократить половину размера дорожки. Помимо этого, толщина меди в 2 унции также может быть полезна для формирования естественного радиатора на основе печатной платы. Таким образом, увеличение толщины меди эффективно уменьшает размер печатной платы. Давайте посмотрим, как насколько это может быть эффективным. На следующем изображении представлен онлайн-калькулятор для расчета ширины дорожки печатной платы.


Советы и методики проектирования миниатюрных печатных плат для компактных устройств

Значение тока, который будет течь через дорожку, составляет 1А. Толщина меди установлена на 1 унцию (35 мкм). Повышение температуры на трассе составит 10 градусов при температуре окружающей среды 25 градусов по Цельсию. Ширина дорожки в соответствии со стандартом IPC2221A:


Советы и методики проектирования миниатюрных печатных плат для компактных устройств

Теперь, в той же спецификации, если толщина меди увеличивается, ширина дорожки может быть уменьшена.


Советы и методики проектирования миниатюрных печатных плат для компактных устройств

Толщина, которая требуется:


Советы и методики проектирования миниатюрных печатных плат для компактных устройств

Выбор компонентов – это, пожалуй, главное в схемотехнике. В электронике доступны разные корпуса компонентов. Например, простой резистор с номиналом мощности 0,125 Вт может быть доступен в различных корпусах, таких как 0402, 0603, 0805, 1210 и т.д. В большинстве случаев в прототипе печатной платы используются более крупные компоненты, в которых используются резисторы 0805 или 1210, а также неполяризованные конденсаторы с более высоким зазором, чем в общем, из-за того, что их легче паять, заменять или тестировать. Но эта тактика приводит к огромным занимаемым пространствам на плате. На этапе производства компоненты могут быть заменены на версии с меньшими корпусами, а пространство на плате может быть сжато.


Советы и методики проектирования миниатюрных печатных плат для компактных устройств

Но какой корпус выбрать? Использование корпусов меньшего размера, чем 0402, нецелесообразно, поскольку стандартные машины для захвата и размещения, доступные для производства, могут иметь ограничения для обработки SMD-корпусов, меньших, чем 0402.


Другим недостатком более мелких компонентов является номинальная мощность. Корпуса меньшего размера, чем 0603, могут пропускать гораздо более низкий ток, чем 0805 или 1210. Поэтому, чтобы правильно выбрать компоненты, необходимо соблюдать осторожность. В таком случае, когда меньшие корпуса не могут быть использованы для уменьшения размеров печатных плат, можно выбрать другой корпус и уменьшить размер панели компонентов, насколько это возможно. Разработчик может быть в состоянии сжать все немного сильнее, изменив маршрутизацию. Из-за проектных допусков доступный элемент по умолчанию является общим элементом, который может предполагать любую версию корпуса. Например, форм-фактор 0805 выполнен таким образом, что он может охватывать как можно больше вариаций для 0805. Изменения происходят из-за разницы в производственных возможностях. Различные компании используют разные производственные машины, которые имеют разные допуски для одного и того же корпуса 0805. Таким образом, размеры корпуса по умолчанию немного больше, чем необходимо. Можно вручную отредактировать посадочную площадку, используя документацию на конкретные компоненты, и при необходимости можно уменьшить размер площадки.


Советы и методики проектирования миниатюрных печатных плат для компактных устройств

Размер платы может быть уменьшен при использовании электролитических конденсаторов типа SMD, потому что они имеют меньшие диаметры, чем компоненты для сквозного монтажа в отверстия с тем же номиналом.


Еще один требующий места компонент – это разъемы. Разъемы занимают больше места на плате, а на посадочной площадке также используются разъемы большего диаметра. Изменение типа разъема может быть очень полезным, если позволяют ток и напряжение. Компания-производитель соединителей, например, Molex или Wurth Electronics или любые другие крупные компании, всегда предоставляют разъемы одного типа на основе нескольких размеров. Таким образом, выбор правильного размера может сэкономить как стоимость, так и пространство на плате.


Главным образом в проектах на основе микроконтроллеров последовательные резисторы – это то, что всегда требуется для защиты микроконтроллера от высокого тока, протекающего через линии ввода/вывода. Следовательно, более 8 резисторов, иногда более 16 резисторов, необходимо использовать в качестве последовательных резисторов. Такое огромное количество резисторов значительно увеличивает пространство на печатной плате. Эта проблема может быть решена с помощью резисторных цепей. Простая цепь резисторов на основе корпуса 1210 может сэкономить место для 4 или 6 резисторов. На следующем изображении показаны пять резисторов в корпусе 1206.


Советы и методики проектирования миниатюрных печатных плат для компактных устройств

Существует множество конструкций, которые требуют нескольких транзисторов или даже более двух полевых МОП-транзисторов для разных целей. Добавление отдельных транзисторов может занять больше места, чем использование составных корпусов. Существует множество вариантов, которые используют несколько компонентов в одном корпусе. Например, доступны также корпуса с двумя или четырьмя МОП-транзисторами, которые занимают место только одного транзистора и могут сэкономить огромное количество места на плате. Эти приемы можно применять практически к каждому компоненту.


Вышеуказанные пункты являются возможным выходом для уменьшения размера печатной платы. Однако цена, сложность и размер платы всегда имеют некоторые важные компромиссы, связанные с принятием правильных решений. Нужно выбрать точный путь, который зависит от целевого приложения или для конкретной целевой схемы




© digitrode.ru


Теги: печатная плата




Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.

Комментарии:

Оставить комментарий