Zásady rozvržení součástek PCB
Na adrese Návrh rozvržení desek plošných spojů, je umístění komponentů rozhodující. Ovlivňuje to, jak úhledně bude deska vypadat, a také délku a počet tištěných stop. Ovlivňuje také celkovou spolehlivost zařízení. Níže je uvedeno několik základních pravidel, kterými by se umístění součástek na desce plošných spojů mělo řídit.
Rovnoměrná a konzistentní distribuce
Umístěte součástky tak, aby byly rovnoměrně rozloženy po celé desce. Dbejte na stejnou hustotu a rozestupy. Nenechávejte součástky zcela zaplnit desku. Kolem okrajů desky ponechte určitý prostor. Jak velký by měl být prázdný okraj, závisí na ploše desky a na způsobu upevnění desky ve výrobku. Součástky, které se nacházejí přímo na okraji desky, by měly být vzdáleny od okraje desky alespoň 3 mm. U elektronických přístrojů je běžné ponechat podél každého okraje 5 až 10 mm volného místa.
Obecně platí, že pokud můžete, umístěte součástky na jednu stranu desky plošných spojů. Každý vodič součástky by měl mít vlastní pájecí podložku.
Žádné překrývání a dostatečný odstup
Komponenty by se neměly překrývat shora dolů tak, aby docházelo ke křížení. Mezi sousedními součástmi udržujte dostatečnou mezeru. Mezera nesmí být příliš malá, aby nedošlo k fyzickému kontaktu. Pokud mají dvě blízké součásti velký rozdíl potenciálů, udržujte mezi nimi bezpečnou vzdálenost. V běžném prostředí je bezpečná mezera přibližně 200 V na mm. To znamená, že pokud očekáváte vysoké rozdíly napětí, zvětšete odstup.
Nízká montážní výška
Montážní výška komponentů musí být co nejmenší. Vývod součástky by neměl být výše než asi 5 mm nad deskou. Pokud jsou součástky umístěny příliš vysoko, špatně odolávají vibracím a nárazům. Vysoké součástky se mohou naklánět, padat nebo se dotýkat sousedních součástek. To snižuje spolehlivost.
Směr a pravidelnost osy
Rozhodněte o směru osy součástek podle toho, jak bude deska plošných spojů umístěna a upevněna v konečném výrobku. U pravidelného uspořádání součástek vyrovnejte osy velkých součástek tak, aby stály vzhledem k výrobku vzpřímeně. Tím se zlepší mechanická stabilita na desce. Zarovnání os pomáhá udržet součástky pevné při vibracích.
Rozteč podložek a ohyby vedení
Podložky na obou koncích součásti by měly být od sebe o něco širší, než je axiální délka těla součásti. Při ohýbání vývodů neohýbejte přímo u kořene. Před ohýbáním ponechte určitou délku přímého vývodu - alespoň 2 mm, aby nedošlo k poškození tělesa. Tím se sníží namáhání vývodu součástky a pájecího spoje.
Jak jsou komponenty osazeny a upevněny na desce plošných spojů
Existují dva hlavní způsoby montáže součástek na desku plošných spojů: vertikální (svislá) a horizontální (ležatá). Horizontální znamená, že osa součástky je rovnoběžná s povrchem DPS. Vertikální znamená, že osa je kolmá. Oba způsoby mají své výhody i nevýhody. Při návrhu je používejte flexibilně. Můžete použít jeden styl nebo kombinaci obou. Dbejte na to, aby obvod odolával vibracím, dal se snadno servisovat a rozložení součástek bylo rovnoměrné. To pomůže i při trasování stop.
Vertikální (svislá) montáž
Svisle namontované komponenty zabírají méně plochy desky. Na jednotku plochy se vejde více součástek. To je výhodné pro husté konstrukce výrobků, jako jsou přenosná rádia a naslouchátka. Mnoho malých přenosných přístrojů používá vertikální montáž.
Svislé části by však měly být malé a lehké. Velké nebo těžké díly nejsou pro svislou montáž vhodné. Těžké díly snižují mechanickou pevnost a snižují odolnost proti vibracím. Mohou se naklánět nebo padat a dotýkat se jiných dílů, což způsobuje problémy se spolehlivostí.
Horizontální (ležatá) montáž
Vodorovná montáž poskytuje lepší mechanickou stabilitu. Deska pak vypadá úhledněji. Vodorovná montáž zvětšuje rozpětí součástek mezi pájecími podložkami, což usnadňuje vedení stopy mezi dvěma pájecími body. To je užitečné pro rozvržení stop. Pokud je důležitá mechanická stabilita a snadné trasování, dává se obecně přednost vodorovné montáži.
Formáty uspořádání součástek na deskách plošných spojů
Komponenty by měly být na desce umístěny rovnoměrně, úhledně a kompaktně. Snažte se omezit a zkrátit propojení mezi jednotkami obvodů a mezi jednotlivými součástkami. Na desce plošných spojů existují dva hlavní formáty rozmístění: nepravidelné rozmístění a pravidelné rozmístění. Můžete použít jeden z nich samostatně nebo oba dohromady.
Nepravidelné umístění
Při nepravidelném umístění nejsou osy součástí zarovnány a jejich poloha se neřídí žádným přísným pravidlem. To vypadá neuspořádaně, ale uvolňuje to orientaci a polohu komponent. Tato volnost často usnadňuje rozvržení stopy. Může zkrátit nebo omezit propojení, čímž se výrazně sníží celková délka stopy. Kratší stopy snižují parazitní parametry a pomáhají omezit rušení. Nepravidelné umístění je velmi užitečné pro vysokofrekvenční obvody. Často se používá u svisle umístěných součástek.
Pravidelné umístění
Pravidelné umístění vyrovnává osy součástek tak, aby byly rovnoběžné nebo kolmé k okrajům desky. S výjimkou vysokofrekvenčních součástek by se většina elektronických výrobků měla snažit umístit součástky buď rovnoběžně, nebo kolmo. To platí zejména v případě, že jsou součástky namontovány vodorovně. Pravidelné rozmístění zlepšuje vzhled desky a usnadňuje montáž, pájení a ladění. Je také jednodušší pro výrobu a údržbu.
Pravidelné umístění je ideální pro nízkofrekvenční obvody s mírnými typy součástek, ale s velkým množstvím. Tento formát používá mnoho přístrojů. Pravidelné umístění však klade omezení na polohu a směr. Směrování stop může být složitější a celková délka stop se může v důsledku toho zvýšit.
Umístění podložek součástek na desce plošných spojů
Každý vývod součástky musí být umístěn na jedné pájecí podložce na desce plošných spojů. Poloha podložky závisí na velikosti součástky a způsobu jejího upevnění. Při svislé montáži nebo nepravidelném umístění může být poloha plošek méně omezena velikostí a roztečí součástek. Při pravidelném umístění by se pozice a rozteč podložek měly řídit určitými standardy.
V žádném případě by středy podložek (tj. střed pokoveného otvoru) neměly být příliš blízko okraje desky. Typická vzdálenost je 2,5 mm nebo více. Minimálně by měl být střed podložky od okraje desky vzdálen více, než je tloušťka desky.
Pozice podložky by měly v ideálním případě ležet na standardní souřadnicové síti.
V normě IEC, základní rozteč mřížek je 2,54 mm (domácí norma je 2,5 mm). Dílčí rozteče mřížky zahrnují 1,27 mm nebo 0,635 mil (1,25 mm nebo 0,625 mil). Tyto standardy mřížky mají význam při použití počítačem podporovaného návrhu, automatického vrtání nebo automatického umisťování a pájení součástek. Při ručním vrtání můžete kromě dvojího řádkového roztečování vývodů integrovaných obvodů přísné dodržování mřížky zmírnit. Přesto by pozice plošek měla být čistá a konzistentní. U součástek s podobnými rozměry se snažte zachovat rovnoměrné rozmístění plošek. Středová vzdálenost podložek by neměla být menší než tloušťka desky. Tím se zachová úhlednost a usnadní se montáž a ohýbání vývodů.
Úhlednost je samozřejmě relativní. Ve zvláštních případech se řiďte vlastním úsudkem.
Faktory, které ovlivňují rozvržení PCB
Dobré uspořádání desek plošných spojů ovlivňuje mnoho faktorů. Zde se budeme zabývat těmi nejdůležitějšími.
Směr toku signálu
Při uspořádání obvodových jednotek na desce rozdělte celý obvod podle funkce. Umístěte funkční moduly v pořadí podle toku signálu. Díky tomu je uspořádání vhodné pro signálové cesty. Snažte se zachovat konzistentní směry signálů. Ve většině případů uspořádejte tok signálu zleva doprava (vstup vlevo, výstup vpravo) nebo shora dolů (vstup nahoře, výstup dole).
Komponenty, které se připojují přímo ke vstupním a výstupním konektorům, umístěte do blízkosti těchto konektorů. Rozložení kolem základního zařízení každého funkčního bloku. Jako jádro použijte například tranzistor nebo integrovaný obvod a kolem něj umístěte související komponenty. Zvažte tvar, velikost, polaritu a počet pinů součástek. Upravte polohu a orientaci, abyste zkrátili zapojení.
Umístění speciálních součástí
Rušení elektronických zařízení může pocházet z mnoha zdrojů: elektrických, magnetických, tepelných a mechanických. Při návrhu uspořádání desky nejprve analyzujte schéma obvodu. Nejprve identifikujte speciální součástky a teprve potom umístěte ostatní součástky. Tímto způsobem se vyhnete rušení a podniknete kroky k jeho co největšímu omezení.
Speciální komponenty jsou ty, které mají na zařízení elektrický, magnetický, tepelný nebo mechanický vliv. Mohou to být také součásti, které musí být kvůli provozním požadavkům upevněny na určitých místech.
Prevence elektromagnetického rušení (EMI)
K elektromagnetickému rušení dochází v pracovních zařízeních často. Mezi příčiny patří vnější elektromagnetické vlny a špatné směrování nebo špatné umístění součástek na desce plošných spojů. Mnoha problémům s rušením lze předejít ve fázi rozvržení. Pokud je zanedbáte na počátku, může dojít k selhání návrhu.
Oddělit nebo odstínit části, které se mohou navzájem ovlivňovat. Zkraťte spoje ve vysokofrekvenčních úsecích, abyste snížili rozložené parametry a vzájemnou elektromagnetickou vazbu. Pokud plánujete použít kovové stínicí plechovky pro vf sekce, ponechte plochu desky pro velikost stínění.
Citlivé části by neměly být příliš blízko hlučných částí. Oddělte vysokonapěťové (např. 220 V) a nízkonapěťové části a oddělte vstupní a výstupní stupně. Pokud jsou stejnosměrné napájecí přívody dlouhé, přidejte filtrační části, abyste zastavili šum 50 Hz.
Pokud mohou mít některé součásti nebo stopy vysoké rozdíly potenciálů, zvětšete rozestupy, abyste zabránili vybití nebo průrazu. Zabraňte vzájemnému dotyku součástí s kovovým pláštěm. Například kovové pouzdro tranzistoru NPN nebo chladič výkonového tranzistoru mohou být připojeny ke kolektoru, který by mohl mít vysoký potenciál. Plechovky elektrolytických kondenzátorů jsou často na záporném potenciálu nebo na zemi. Pokud tato kovová pouzdra nejsou izolována, zajistěte dostatečnou vzdálenost nebo přidejte izolaci, jinak může dojít ke zkratu.
Řízení tepelného rušení
Zvýšení teploty rovněž způsobuje rušení. Při rozvržení určete, které součásti vytvářejí teplo a které jsou citlivé na teplotu.
Součásti, které generují teplo, jako jsou výkonné rezistory, umístěte do blízkosti krytu nebo na místa s dobrým prouděním vzduchu. Chlazení podpoříte větracími otvory. Neshlukujte tepelné díly dohromady. Zvažte chladiče nebo malý ventilátor, abyste udrželi nárůst teploty v mezích. Velké výkonné součásti lze ukotvit do šasi a využít tak kovový plášť k odvodu tepla. Pokud musí být na desce plošných spojů, dejte jim velké chladiče a držte je dál od ostatních dílů.
Součásti citlivé na teplotu, jako jsou tranzistory, integrované obvody a velké elektrolytické kondenzátory, by neměly být v blízkosti zdrojů tepla nebo v horní části zařízení, kde teplota stoupá více. Dlouhodobé zahřívání mění provozní body a může zhoršit výkon.
Úvahy o mechanické pevnosti
Dbejte na vyvážení a stabilitu desky. U velkých a těžkých součástek (výkonové transformátory, velké elektrolytické kondenzátory, výkonové tranzistory s chladiči) nespoléhejte pouze na pájené spoje na desce plošných spojů. Pokud je to možné, připevněte je k šasi, aby těžiště bylo nízko a výrobek byl stabilní. Velké součástky mohou pokřivit desku plošných spojů nebo poškodit jiné součástky a konektory.
Pokud součástka váží více než 15 g a musí být na desce plošných spojů, nespoléhejte se pouze na pájku. Použijte držáky, svorky nebo jiné mechanické podpěry.
U desek větších než přibližně 200 × 150 mm je deska namáhána ohybem a vibracemi. Přidejte mechanický rám nebo výztuhu, abyste zabránili deformaci. Ponechte prostor pro montážní držáky, polohovací šrouby a upevnění konektorů.
Provozuschopnost a dostupnost
U nastavitelných dílů, jako jsou potenciometry, proměnné kondenzátory nebo ladicí cívky, zvažte, jak se bude výrobek nastavovat. Pokud se nastavuje zvenčí, přizpůsobte polohu součásti knoflíku na předním panelu. Pokud je nastavení vnitřní, umístěte součástku tak, aby byla snadno přístupná na desce plošných spojů.
Z důvodu bezpečnosti při ladění a servisu umístěte vysokonapěťové části na místa, kde je menší pravděpodobnost, že se jich dotknou ruce. Například vysokonapěťové součásti CRT umístěte na místa, kam je těžké dosáhnout.
Shrnutí rozložení desek plošných spojů
Rozvržení je hlavní částí návrhu desek plošných spojů. Prvním krokem je správné rozmístění součástek na pevnou plochu desky. Rozložení není jen propojení součástek tištěnými linkami podle schématu. Chcete-li vytvořit spolehlivý výrobek, rozmístěte součástky a jejich spoje promyšleně.
Při špatném rozložení může docházet k rušení nebo špatnému výkonu a teoretický návrh může selhat. Některá uspořádání splňují technické specifikace, ale vypadají chaoticky. Nerovnoměrné, neuspořádané rozmístění nejenže snižuje vizuální kvalitu, ale také ztěžuje montáž a údržbu. To není rozumný návrh.
Výše uvedené pokyny mají za cíl naučit základní znalosti o rozvržení plošných spojů pro běžné tištěné spoje. Řiďte se jimi, aby bylo rozvržení co nejrozumnější. Dobré rozvržení zkracuje délku stop, snižuje rušení, zlepšuje mechanickou odolnost, napomáhá chlazení a usnadňuje výrobu a údržbu.
Praktický kontrolní seznam pro rozvržení desek plošných spojů (stručný odkaz)
- Rozdělte obvod na funkční bloky a umístěte bloky podle toku signálů.
- V blízkosti konektorů umístěte vstupní a výstupní součásti.
- Vysokofrekvenční bloky umístěte kompaktně a jejich stopy udržujte velmi krátké.
- Oddělte vysokonapěťové a nízkonapěťové oblasti.
- V případě potřeby si vyhraďte místo pro kovové štíty.
- Součásti, které vytvářejí teplo, uchovávejte v blízkosti ventilace nebo šasi.
- Části citlivé na teplotu uchovávejte mimo dosah zdrojů tepla.
- Pro husté a malé díly používejte svislou montáž. Pro stabilitu a snazší směrování použijte horizontální montáž.
- Pokud jsou součástky na okraji desky, dodržujte vzdálenost alespoň 3 mm od podložek součástek k okraji desky; typická vzdálenost od středu podložky k okraji desky je ≥ 2,5 mm.
- Při plánování automatizované montáže použijte standardní rozteč mřížek (2,54 mm nebo 2,5 mm).
- Středová vzdálenost podložek nesmí být menší než tloušťka desky.
- U těžkých dílů použijte kromě pájky také mechanické podpěry.
- U velkých desek (> 200 × 150 mm) přidejte výztuhy nebo rámy.
- Ponechte prostor pro testovací místa a servisní přístup.
- Pokud je to možné, zajistěte, aby osy součástek byly zarovnané, ale pro RF zvolte nepravidelné rozložení, abyste zkrátili délku stop.
