اپتوکوپلر
اپتوکوپلر و نحوه کار آن
مرداد ۲۱, ۱۳۹۷
برد مدار چاپی PCB
برد مدار چاپی PCB
شهریور ۲۸, ۱۳۹۷
نمایش همه
طراحی برد مدار چاپی PCB

طراحی شماتیک مدار الکترونیکی را تمام کرده اید، شاید حتی یک نمونه رومیزی از آن بسته باشید، و حالا زمان آن فرا رسیده است که آن را به یک PCB خوب تبدیل کنید. برای بعضی از طراحان، طراحی PCB یک تجربه ساده است. اما برای افراد زیادی پروسه طراحی برد مدار چاپی PCB و Lay Out یک PCB می تواند کار بسیار دشواری باشد. حتی امروزه طراحان شماتیک باتجربه ی فراوانی وجود دارند که در مورد طراحی برد مدار چاپی PCB اطلاعات خیلی کمی دارند و طراحی هایشان را به دست یک کارشناس حوزه طراحی PCB می سپارند.

حتی کمپانی های زیادی دپارتمانهای طراحی برد مدار چاپی PCB مربوط به خودشان را دارند. این اصلا عجیب نیست زیرا پروسه طراحی برد مدار چاپی PCB حجم بالایی از دانش و استعداد را می طلبد تا بتوان صدها قطعه (component) و هزاران track را درون یک PCB بگونه ای قرار داد که کلیه الزامات و انتظارات الکتریکی و فیزیکی را برآورده کند.

طراحی برد مدار چاپی PCB

طراحی برد مدار چاپی PCB مناسب، اغلب بخش مجتمع پروسه طراحی است. در شمار زیادی از طراحی ها (دیجیتال سرعت بالا، آنالوگ Low Level، و مدارات RF) طراحی نامناسب PCB، ممکن است خروجی و عملکرد موردنظر طراحی مدار شماتیک را برآورده نکند. این نکته باید همواره مدنظر باشد که Trackهای یک PCB درست مانند کلیه اجزای مدار، دارای خاصیت مقاومتی، سلفی، و خازنی می باشند و ممکن است در خروجی نهایی مدار اختلال ایجاد کرده و باعث شوند که خروجی مطلوبتان را نداشته باشید.

در این سایت تلاش بر این است که برخی از رمز و رازهای طراحی برد مدار چاپی PCB در اختیار شما قرار داده شود. و تلاش بر این است توصیه های مفیدی ارائه شود تا چطور یک طراحی برد مدار چاپی PCB خوب و کارآمد داشته باشید.

استانداردهای طراحی برد مدار چاپی PCB

استانداردهای صنعتی زیادی تقریبا برای هر جنبه از طراحی برد مدار چاپی PCB وجود دارند. این استانداردها تحت عنوان IPC شناخته شده هستند. استانداردی که برای همه موارد مربوط به طراحی، تولید، تست، و هر چیز دیگر مربوط به PCB نیاز دارید IPC-2221 می باشد.
این استاندارد جایگزین استاندارد قدیمی IPC-D-275 می باشد که برای حدود نیم قرن استفاده می شد.
برخی کشورها استانداردهای متنوعی مربوط به خودشان دارند. اما استانداردهای IPC در همه جای جهان به عنوان استاندارد صنعتی پذیرفته شده اند.

نکات طراحی برد مدار چاپی PCB با نرم افزار آلتیوم

در زیر برخی از نکات طراحی برد مدار چاپی PCB با نرم افزار آلتیوم دیزاینر Altium Designer یا همان نرم افزار پروتل آمده است. البته این نکات در هر نرم افزار دیگری نیز باید مورد توجه قرار گیرد.

مدار شماتیک
قبل از اینکه شروع به طراحی برد مدار چاپی PCB کنید، باید یک طرح کامل و دقیق از مدارتان داشته باشید. بسیاری از مردم مستقیما به طراحی برد مدار چاپی PCB می پرند!! در حدی که فقط مداری در سر دارند، بدون اینکه حتی شماتیکی روی یک تکه کاغذ کشیده باشند. این برای شروع طراحی برد مدار چاپی PCB کافی نیست.

اگر شماتیک شما مرتب و دقیق طراحی شده باشد، کار طراحی برد مدار چاپی PCB بسیار ساده خواهد بود. مثلا سیگنالهای ورودی و خروجی بطور واضح مشخص شده باشند یا خازنهای بای پس کنار کامپوننت های مربوطه قرار گرقته باشند.

نوشته های کوچک در هر شماتیک به طراحی بهتر PCB کمک شایانی می کند. برای مثال جمله ی “این پین باید با سیگنال زمین محافظت شود.” به طراح برد مدار چاپی PCB کمک می کند که هنگام طراحی چه احتیاط هایی را باید در نظرداشته باشد. حتی اگر طراح مدار شماتیک و طراح PCB خودتان باشید. این نوشته ها علاوه بر اینکه هنگام طراحی برد مدار چاپی PCB به یک طراحی خوب کمک می کنند، برای افرادی که طرح شماتیک شما را بازبینی می کنند، نیز مفید می باشند.
شماتیک باید طوری کشیده شود که کاملا برای طراح PCB قابل فهم باشد.

Trackهای برد مدار چاپی PCB

پهنای Trackای که در طراحی PCB استفاده می کنید به الزامات الکتریکی مدار، جریان عبوری از آن Track، فاصله بین Trackها یا ایزولاسیون و بازدهی موردنظر بستگی دارد. در هر طراحی PCBای طیف متنوعی از الزامات الکتریکی وجود دارد که بین Trackهای روی برد متفاوت است. در طراحی های PCB ترکیبی از پهناهای مختلف Track استفاده می شود.

به عنوان یک قانون کلی این را در نظر داشته باشید: Track با پهنای بیشتر بهتر است. Trackهای با عرض بیشتر مقاومت DC کمتر،خاصیت سلفی کمتر دارند و همچنین برای تولیدکننده در مرحله اسیدشویی تولید PCB راحتتر می باشند.

برای شروع مثلا ممکن است پهنای Trackها را بصورت زیر انتخاب کنید: ۲۵mil برای Trackهای سیگنالی، ۵۰mil برای Trackهای پاوری و Ground، و ۱۰-۱۵mil برای Trackهای بین پدهای IC و کامپوننت.

برخی طراحان دوست دارند Trackهای سیگنالی باریک و در حد ۱۰-۱۵mil باشند در حالیکه برخی دیگر دوست دارند که همه Trackها بزرگ و چاق (chunky) باشند. در یک طراحی خوب Trackها تا جای ممکن پهن نگه داشته می شوند و تنها وقتی نازک تر می شوند که به الزامات Clearance برخورد کنند.

تغییر پهنای Track از بزرگ به کوچک و سپس برگشت دوباره به پهنای بزرگ اصطلاحا به necking (تنگه) معروف است. اغلب وقتی که باید از بین پدهای یک کامپوننت Track عبور دهید، نیاز دارید که پهنای Track را کاهش دهید. این علاوه براینکه به شما انعطاف پذیری لازم برای عبور از بین شیارهای نازک را می دهد، به شما اجازه می دهد که Trackهای با امپدانس پایین داشته باشید.

در عمل پهنای Trackها توسط جریان عبوری از آن و ماکزیمم دمایی که می خواهید Track تحمل کند، تعیین می شود. بخاطر داشته باشید که هر Trackای مقدار معینی خاصیت مقاومتی دارد؛ بنابراین هر Track گرما را درست مانند یک مقاومت پراکنده می کند. Trackهای پهن تر مقاومت کمتری دارند.

ضخامت مس روی PCB معمولا با واحد oz (اونس) تعیین می شود. که در عموم فیبرها ۱oz می باشد. همچنین می توانید ضخامت های دیگری مانند ۰٫۵oz, 2oz, 4oz سفارش دهید. ضخامت مس های بزرگتر، برای مسیرهای High Current مفید هستند.

سایز، شکل و اندازه پد علاوه بر کامپوننت مورد استفاده، به پروسه تولید و اسمبل کردن برد وابسته است. یک پارامتر مهم شناخته شده برای نسبت پد / سوراخ وجود دارد که نسبت سایز پد به سایز سوراخ را مشخص می کند. هر یک از تولیدکنندگان PCB مینیمم مقدار مربوط به خودشان را دارند. به عنوان یک قانون ساده در نظر داشته باشید که پد باید حداقل ۱٫۸ بار بزرگتر از قطر سوراخ باشد؛ یا لااقل ۰٫۵mm.

برای کامپوننت های پایه دار (leaded components) مانند مقاومتها، خازنها، و دیودها، پد باید گرد باشد. برای کامپوننت های با پایه های دو ردیفه (DIL) مانند آی سی ها، پدهای بیضی شکل بهتر است. (معمولا ۶۰mil طول و ۹۰-۱۰۰mil عرض). همیشه پین شماره ۱ چیپ شکل متفاوتی با سایر پین های آی سی دارد. معمولا مستطیلی شکل است با همان اندازه های سایر پین ها.

در اغلب کامپوننت های نصب سطحی (SMD) از شکل پد مستطیلی استفاده می شود بجز آی سی های با پکیج SO که شکل پد بیضی دارند. در این کامپوننت ها هم پین ۱ مستطیل شکل است.
در سایر کامپوننت ها که Pin Number برایشان مهم است مانند کانکتورها و پک های مقاومت SIP باید پین ۱ با شکل مستطیلی شکل مشخص شود.

پدهای هشت ضلعی بندرت استفاده می شوند و عموما باید از بکار بردن آنها اجتناب کرد. به عنوان یک قانون کلی از پدهای گرد یا بیضوی استفاده کنید مگر اینکه نیاز به استفاده پد مستطیلی داشته باشید.

Via ها

Viaها با استفاده از یک سوراخ اتصال یک سمت برد را به سمت دیگر برد فراهم می کنند. Viaهای با سوراخهای قلع اندود Plated Through Holes (PTH) نامیده می شوند. سوراخ متالیزه – Plated – اجازه می دهد تا اتصال الکتریکی بین لایه های مختلف برد برقرار شود.

اما تفاوت بین پد و Via چیست؟ در واقع تفاوتی بین آنها وجود ندارد؛ هر دوی آنها سوراخ متالیزه هستند. اما هنگام طراحی برد مدار چاپی PCB تفاوتهایی بین آنها وجود دارد. هنگام طراحی برد مدار چاپی PCB باید با پد و Via متفاوت رفتار کرد. می توانید آنها را جداگانه edit کنید. این تفاوت مخصوصا هنگام طراحی فیبرهای مولتی لایر آشکارا مشخص است. بنابراین بجای Via از پد استفاده نکنید.
سوراخ Viaها معمولا اندکی از پدهای کامپوننت ها کوچکتر است؛ عموما ۰٫۵-۰٫۷mm.
استفاده از Via برای اتصال دو لایه، عموما Stitching (بخیه ) نامیده می شود.

پلیگان ها (Polygon)

پلیگان ها روی اغلب PCBها وجود دارند. پلیگان یک فضای مشخص شده را بطور اتوماتیک پر کرده و در اطراف Trackها و پدها جاری می شود. آنها برای قرار دادن Planeهای زمین بسیار مفید هستند. پلیگان را باید بعد از اتمام Tracking مدار مورد استفاده قرار داد.
پلیگان می تواند هم بصورت Solid مورد استفاده قرار گیرد و هم بصورت Hatched. که تفاوت آنها در شکل زیر نشان داده شده است.

ایزولاسیون

ایزولاسیون (فاصله الکتریکی) یک پارامتر مهم برای همه بردهاست. یک ایزولاسیون کم بین Trackها و پدها می تواند اتصال کوتاه ایجاد کند و همچنین باعث مشکلاتی در طول پروسه تولید فیبر شود. پیدا کردن اتصال کوتاه بوجود آمده بعد از اسمبل کردن فیبر بسیار مشکل خواهد بود.

حداقل ایزولاسیون ۱۵mil برای طراحی های Through Hole معمول، و ۱۰mil یا ۸mil برای طراحی های SMD مناسب است. در صورت نیاز به ایزولاسیون کمتر، بهتر است ابتدا مطمئن شوید که تولیدکننده فیبر توان تولید آن را دارد یا خیر.

در استاندارد IPC جدولهایی وجود دارد که برای ولتاژهای مختلف حداقل ایزولاسیون لازم را مشخص کرده است. یک جدول نمونه در شکل زیر نشان داده شده است.
ایزولاسیون بسته به اینکه در لایه های داخلی است یا در لایه های خارجی، متفاوت است. همچنین ایزولاسیون به ارتفاع از سطح دریا برای مکانی که PCB در آن مورد استفاده قرار می گیرد نیز بستگی دارد؛ زیرا لایه اتمسفر در ارتفاعات بالاتر نازک تر است.

چیدمان

طراحی برد مدار چاپی pcb شامل ۹۰% چیدمان قطعات و ۱۰% مسیرکشی (Routing) است. چیدمان خوب قطعات لایوت، مهمترین قسمت طراحی برد مدار چاپی PCB است و بهترین بازدهی الکتریکی را در پی دارد. و جایگذاری نامناسب، خروجی موردنظر را نخواهد داشت. بنابراین در جایگذاری یا چیدمان بسیار دقت کنید. برخی از نکاتی که باید رعایت کنید در زیر لیست شده است:

• کامپوننت ها را بلوک بلوک از هم جدا کنید.
• مسیرهای مهم و حساس مدار را مشخص کنید و اول از همه آنها را مسیرکشی کنید.
• بیرون از برد، چیدمان هر بلوک را جداگانه انجام دهید.
• بلوک های کامل شده را به محلی که روی فیبر در نظر گرفته اید، انتقال دهید.
• سیگنالهای باقیمانده و اتصالات پاوری بین بلوک ها را مسیرکشی کنید.
• همه بلوک ها را روی برد، مطابق با چیدمان موردنظرتان منظم کنید.
• Design Rule Check (DRC) برد را انجام دهید.
• از شخص دیگری بخواهید که طراحی تان را یکبار دیگر چک کند.

این چک لیست یک راهنمای عمومی برای طراحی برد مدار چاپی است و لازم است برای یک طراحی حرفه ای First-class این نکات را رعایت کنید.

بیایید نگاهی به جزئیات بیشتر موارد مذکور بیندازیم.
افراد علاقه دارند که چیدمان همه قطعات را به روشی که تصور می کنند بهترین position روی برد است، با هم انجام دهند؛ همه قطعات به یکباره!! در حالیکه این روش فقط می تواند برای مدارهای کوچک جواب دهد.

وقتی که چندین مدار پیچیده دارید که هر کدام صدها کامپوننت و چندین بلوک دارند، امیدوار نباشید که این روش موثر باشد. اگر پس از اینکه جایگاه همه کامپوننت ها را فیکس کردید سپس Tracking را شروع کنید، طراحی بسیار برایتان ساده و جذاب خواهد بود. تا جایی که امکان دارد بین کامپوننت ها فضای خالی باقی نگذارید تا ابعاد بردتان زیاد نشود.

یک بردی که قطعات آن با فاصله های زیاد چیده شده اند و هزاران Track و Via دارد که بصورت مورب از روی هم عبور کرده اند، نشانه ی طراحی یک طراح بی تجربه است. این برد ممکن است تا حدی خواسته شما را برآورده کند اما جدای از هزینه های بالای تولید برد، خروجی مناسب و مدنظرتان را هرگز محقق نخواهد کرد.

روش درست به این صورت است که ابتدا شماتیک را آنالیز و تحلیل کنید و مشخص کنید که کدام یک از قسمتهای مدار می تواند به بلوک های کوچکتر شکسته شود. اغلب اینکار بسیار ساده و راحت است. برای مثال اگر مدار شماتیک دارای یک فیلتر Active می باشد، این فیلتر معمولا یک سیگنال ورودی و یک سیگنال خروجی دارد؛ و همچنین تعداد زیادی کامپوننت دیگر که همگی در یک لوکیشن قرار گرفته اند.

بنابراین باید این مهارت را داشته باشید که تمامی این کامپوننت ها را طوری در کنار هم بچینید که علاوه بر اشغال کمترین فضای ممکن، الزامات الکتریکی مدار را هم برآورده سازد.

حالا نیاز به پارتیشن بندی برد دارید که باید در آن قسمتهای حساس الکتریکی را جدا کنید. یک مثال مهم در این زمینه، مدارهایی هستند که در آنها ترکیبی از آنالوگ و دیجیتال استفاده شده است. قسمتهای دیجیتال و آنالوگ نه تنها باید بصورت الکتریکی از هم ایزوله باشند، بلکه باید از لحاظ فیزیکی هم از هم جدا باشند. مثال دیگری در این زمینه، مدارات High Frequency و مدارات High Current می باشند؛ این مدارات نیز نباید با مدارات حساس Low Frequency و Low Current ترکیب شوند.

به عنوان یک قاعده کلی این اصل را رعایت کنید: کامپوننت ها باید بطور مرتبی در کنار هم چیده شوند. پارامترهای الکتریکی باید همیشه بالاترین اولویت را در چینش کامپوننت ها داشته باشند.
تقارن و آراستگی در طراحی برد مدار چاپی PCB مهم است و از نظر زیبایی شناختی در نگاه اول حس خوبی منتقل می کند. اگر چند بلوک یکسان و مشابه یکدیگر دارید سعی کنید چینش همه شبیه به هم باشد.

اگر چیدمان برد را عاقلانه و بر اساس تحلیل و آنالیز مدار انجام دهید ۹۰% طراحی برد انجام شده است. ۱۰% باقیمانده شامل Tracking بین کامپوننت ها می باشد. اغراق آمیز نخواهد بود اگر بگویم با یک چیدمان خوب تقریبا کار طراحی برد تمام می شود.

بعد از اتمام ترکینگ مدار، Design Rule Check را Run کنید. این مرحله مهمی از طراحی برد مدار چاپی PCB است که قبل از ساخت فیبر، به شما اطمینان می دهد تمامی اتصالات برقرار، و تمامی الزامات الکتریکی رعایت شده است. DRC، اتصالات و عرض (Width) صحیح Trackها، و ایزولاسیون ها را چک می کند.

در مرحله آخر از شخص دیگری بخواهید تا بردتان را چک کند زیرا ممکن است در طراحی فیبر الزام خاصی را فراموش کرده باشید و یا حتی با ایده ای دیگر بتوانید چیدمان بهتری را داشته باشید. این مرحله ظاهرا مهم نیست اما در عمل، برای یک طراحی خوب بسیار موثر است. مهم نیست که چقدر در طراحی برد مدار چاپی PCB حرفه ای هستید، همیشه چیزی وجود دارد که از قلم افتاده است. از نگاه یک شخص دیگر مشکلاتی دیده می شود که شما هرگز ندیده اید.

اگر کسی را ندارید که بردتان را چک کند حتما خودتان اینکار را بکنید. به این صورت که ابتدا از شماتیک تان پرینت بگیرید و یک خودکار هایلایت دم دست بگذارید. حالا هر اتصال “NET” الکتریکی سیگنال را با بردتان مقایسه کنید؛ نت به نت. مقایسه هر نتی که کامل شد آنرا هایلایت کنید. وقتی که کارتان تمام شد، نباید هیچ اتصال الکتریکی باقی مانده باشد. به این طریق می توانید کاملا مطمئن شوید که الزامات الکتریکی مدار رعایت شده است.

Routing

حالا زمان آن فرا رسیده است که قوانین مسیرکشی برد مدار چاپی PCB را توضیح دهیم. مسیرکشی (Routing) به ترکینگ (Tracking) معروف است. ترکینگ پروسه قرار دادن Trackها بر روی برد می باشد تا اتصالات کامپوننت ها را برقرار نماید؛ یک اتصال الکتریکی بین دو یا چند پد که “نت” NET نامیده می شوند.

• تا جای ممکن نت ها را کوتاه نگه دارید. Track طولانی تر، مقاومت، خازن و اندوکتانس بیشتری دارد. که همه این فاکتورها مطلوب ما نیستند.
• Trackها باید فقط زاویه ۴۵ درجه داشته باشند. از بکاربردن زاویه ۹۰ درجه اجتناب کنید. این امر بسیار مهمی است تا خروجی موردنظر شما را برآورده سازد.

 

برای آموزش کامل طراحی برد مدار چاپی PCB از پکیج آموزشی نرم افزار آلتیوم دیزاینر (Altium) یا همان نرم افزار پروتل دیدن فرمایید. در این پکیج آموزشی نکات طراحی برد مدار چاپی PCB از صفر تا ۱۰۰ بصورت کامل آموزش داده شده است.

 

آموزش طراحی PCB با نرم افزار آلتیوم دیزاینر (Altium Designer)

نکات طراحی برد مدار چاپی در آلتیوم

پکیج آموزشی نرم افزار آلتیوم دیزاینر (Altium)

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *