Principper for layout af PCB-komponenter
I Design af PCB-layout, placeringen af komponenter er afgørende. Det påvirker, hvor pænt kortet ser ud, og længden og antallet af trykte spor. Det påvirker også enhedens samlede pålidelighed. Her følger en række grundlæggende regler, som placeringen af PCB-komponenter bør følge.
Jævn og konsistent fordeling
Placer komponenterne, så de er jævnt fordelt over hele pladen. Hold tætheden og afstanden konsistent. Lad ikke komponenterne fylde hele printet. Lad der være lidt plads rundt om kanterne. Hvor stor den tomme margen skal være, afhænger af printpladens areal, og hvordan den er fastgjort i produktet. Komponenter, der sidder lige på printkanten, skal være mindst 3 mm fra printkanten. I elektroniske instrumenter er det almindeligt at efterlade 5 til 10 mm plads langs hver kant.
Generelt skal du placere komponenter på den ene side af printet, når du kan. Hver ledning på en komponent bør have sin egen loddeplade.
Ingen overlapning og tilstrækkelig plads
Komponenterne må ikke overlappe hinanden fra top til bund på en måde, så de krydser hinanden. Hold tilstrækkelig afstand mellem tilstødende komponenter. Afstanden må ikke være for lille til at undgå fysisk kontakt. Hvis to komponenter i nærheden har en stor potentialeforskel, skal du holde en sikker afstand mellem dem. I almindelige miljøer er et sikkert luftgab ca. 200 V pr. mm. Det vil sige, at hvis du forventer høje spændingsforskelle, skal du øge afstanden.
Lav monteringshøjde
Gør monteringshøjden på komponenterne så lav som muligt. En komponents ledning bør ikke stikke mere end ca. 5 mm op over printet. Hvis dele sidder for højt, modstår de vibrationer og stød dårligt. Høje dele kan vippe, falde ned eller røre ved nabokomponenter. Det sænker pålideligheden.
Aksens retning og regelmæssighed
Bestem komponenternes akseretninger i henhold til, hvordan printet skal sidde og fastgøres i det endelige produkt. Ved regelmæssige opstillinger af komponenter skal aksen på store dele justeres, så de står lodret i forhold til produktet. Det forbedrer den mekaniske stabilitet på printet. Justering af akser hjælper med at holde delene fast under vibrationer.
Pad-afstand og lead-bøjninger
Pads i begge ender af en komponent skal være lidt bredere end komponentens aksiale længde. Når du bøjer ledninger, må du ikke bøje lige ved roden. Lad der være lidt lige ledningslængde før bøjning - mindst 2 mm - for at undgå at beskadige kroppen. Det reducerer belastningen på komponentens ledning og loddeforbindelsen.
Sådan monteres og fastgøres komponenter på PCB
Der er to hovedtyper af montering af komponenter på et printkort: lodret (oprejst) og vandret (liggende). Vandret betyder, at komponentens akse er parallel med printkortets overflade. Lodret betyder, at aksen er vinkelret. Begge metoder har fordele og ulemper. Brug dem fleksibelt, når du designer. Du kan bruge én stil eller en blanding af begge. Sørg for, at kredsløbet modstår vibrationer, er let at servicere, og at komponentlayoutet er jævnt. Det vil også være en hjælp, når du skal trække spor.
Lodret (opretstående) montering
Vertikalt monterede komponenter fylder mindre på printet. Du kan få plads til flere dele pr. arealenhed. Det er godt til tætte produktdesigns som bærbare radioer og høreapparater. Mange små bærbare instrumenter bruger lodret montering.
Lodrette dele skal dog være små og lette. Store eller tunge dele er ikke egnede til lodret montering. Tunge dele reducerer den mekaniske styrke og sænker vibrationsmodstanden. De kan vippe eller falde og berøre andre dele, hvilket giver problemer med pålideligheden.
Vandret (liggende) montering
Vandret montering giver bedre mekanisk stabilitet. Det får printet til at se pænere ud. Vandret montering øger komponentspændet mellem loddepuderne, hvilket gør det lettere at føre en sporing mellem de to loddepunkter. Det er nyttigt for sporlayout. Vandret montering er generelt at foretrække, når mekanisk stabilitet og nem routing er vigtig.
Formater for placering af PCB-komponenter
Komponenterne skal placeres jævnt, pænt og kompakt på printet. Prøv at reducere og forkorte forbindelserne mellem kredsløbsenhederne og mellem de enkelte komponenter. Der er to hovedlayoutformater på et printkort: uregelmæssig placering og regelmæssig placering. Du kan bruge det ene alene eller begge sammen.
Uregelmæssig placering
Ved uregelmæssig placering er komponenternes akser ikke justeret, og deres positioner følger ingen strenge regler. Det ser rodet ud, men det giver frihed til at orientere og placere komponenterne. Den frihed gør ofte sporlayoutet nemmere. Det kan forkorte eller reducere sammenkoblinger, hvilket i høj grad reducerer den samlede sporlængde. Kortere spor sænker parasitære parametre og hjælper med at reducere interferens. Uregelmæssig placering er meget nyttig til højfrekvente kredsløb. Det bruges ofte med vertikalt monterede komponenter.
Regelmæssig placering
Regelmæssig placering justerer komponenternes akser, så de er parallelle eller vinkelrette på kortets kanter. Bortset fra højfrekvente dele bør de fleste elektroniske produkter forsøge at placere komponenterne enten parallelt eller vinkelret. Dette gælder især, når komponenterne er monteret vandret. Regelmæssig placering forbedrer printets udseende og gør montering, lodning og fejlfinding nemmere. Det er også lettere at producere og vedligeholde.
Regelmæssig placering er ideel til lavfrekvente kredsløb med moderate komponenttyper, men store mængder. Mange instrumenter bruger dette format. Men regelmæssig placering lægger begrænsninger på position og retning. Trace-routing kan blive mere kompleks, og den samlede trace-længde kan stige som følge heraf.
Placering af komponentpads på PCB
Hver ledning på en komponent skal optage en loddepude på printet. Pad-positionen afhænger af komponentens størrelse, og hvordan den er fastgjort. Ved lodret montering eller uregelmæssig placering kan pad-positionen være mindre begrænset af komponentstørrelse og -afstand. Ved regelmæssig placering skal pad-positioner og -afstande følge visse standarder.
Uanset metode bør pad-centre (dvs. midten af det belagte hul) ikke være for tæt på printkanten. Den typiske afstand er 2,5 mm eller mere. I det mindste skal pad-midten være større end pladetykkelsen væk fra kanten.
Pad-positioner bør ideelt set falde på et standardkoordinatnet.
I IEC-standarden, Den grundlæggende gitterafstand er 2,54 mm (den hjemlige standard er 2,5 mm). Undergitterhøjder omfatter 1,27 mm eller 0,635 mil (1,25 mm eller 0,625 mil). Disse gitterstandarder er vigtige, når man bruger computerstøttet design, automatisk boring eller automatisk komponentplacering og lodning. Ved manuel boring kan du, bortset fra dobbelt in-line IC-pinafstand, slække på den strenge overholdelse af gitteret. Alligevel skal pad-positionerne holde komponenterne pæne og ensartede. For dele med samme størrelse skal du forsøge at holde padafstanden ensartet. Pad-midterafstanden bør ikke være mindre end pladetykkelsen. Det holder tingene pæne og gør det lettere at samle og bøje ledninger.
Naturligvis er pænhed relativ. Brug din dømmekraft i særlige tilfælde.
Faktorer, der påvirker PCB-layout
Mange faktorer påvirker et godt PCB-layout. Her gennemgår vi de vigtigste.
Signalets strømningsretning
Når du arrangerer kredsløbsenheder på et kort, skal du opdele hele kredsløbet efter funktion. Placer funktionelle moduler i rækkefølge efter signalflowet. Det gør layoutet praktisk for signalvejene. Forsøg at holde signalretningen konsistent. I de fleste tilfælde arrangeres signalflowet fra venstre mod højre (input til venstre, output til højre) eller fra top til bund (input i toppen, output i bunden).
Placer komponenter, der forbindes direkte til input- og output-stik, i nærheden af disse stik. Layout omkring kerneenheden i hver funktionsblok. Brug f.eks. en transistor eller en IC som kerne, og placer derefter relaterede komponenter omkring den. Overvej delens form, størrelse, polaritet og antal ben. Juster position og retning for at forkorte ledningsføringen.
Placering af særlige komponenter
Interferens i elektronisk udstyr kan komme fra mange kilder: elektrisk, magnetisk, termisk og mekanisk. Når du designer kortets layout, skal du først analysere kredsløbsskemaet. Identificer særlige komponenter først, og placer derefter andre dele. På den måde undgår du interferens og tager skridt til at reducere den så meget som muligt.
Særlige komponenter er dem, der påvirker enheden elektrisk, magnetisk, termisk eller mekanisk. Det kan også være dele, der skal fastgøres på bestemte steder på grund af driftskrav.
Forebyggelse af elektromagnetisk interferens (EMI)
EMI forekommer ofte i arbejdsudstyr. Årsagerne er bl.a. eksterne elektromagnetiske bølger og dårlig routing eller dårlig placering af komponenter på printet. Mange interferensproblemer kan undgås i layoutfasen. Hvis du ignorerer dette tidligt, kan designet mislykkes.
Adskil eller afskærm dele, der kan påvirke hinanden. Afkort forbindelser i højfrekvenssektioner for at reducere distribuerede parametre og gensidig elektromagnetisk kobling. Hvis du planlægger at bruge metalafskærmningsdåser til RF-sektioner, skal du afsætte plads på tavlen til afskærmningsstørrelsen.
Følsomme dele bør ikke være for tæt på støjende dele. Adskil højspændings- (f.eks. 220 V) og lavspændingssektioner, og adskil indgangs- og udgangstrin. Hvis jævnstrømsledningerne er lange, skal du tilføje filtreringsdele for at stoppe 50 Hz-støj.
Hvis nogle komponenter eller spor kan have store potentialeforskelle, skal afstanden øges for at undgå afladning eller nedbrud. Undgå, at metalindkapslede dele rører hinanden. For eksempel kan metalhuset på en NPN-transistor eller kølepladen på en effekttransistor være forbundet med kollektoren, som kan have et højt potentiale. Elektrolytkondensatorers dåser er ofte på negativt potentiale eller jord. Hvis disse metalkasser ikke er isolerede, skal du sørge for tilstrækkelig afstand eller tilføje isolering, ellers kan der opstå en kortslutning.
Kontrol af termisk interferens
Temperaturstigning forårsager også interferens. I layoutet skal du identificere, hvilke dele der genererer varme, og hvilke der er temperaturfølsomme.
Placer varmeudviklende dele, som f.eks. højeffektmodstande, tæt på kabinettet, eller hvor der er god luftgennemstrømning. Brug ventilationsåbninger til at hjælpe med afkølingen. Sæt ikke varme dele sammen i klynger. Overvej kølelegemer eller en lille blæser for at holde temperaturstigningen inden for grænserne. Store strømførende dele kan forankres i kabinettet for at bruge metalskallen til varmeafledning. Hvis de skal være på printet, så giv dem store kølelegemer og hold dem væk fra andre dele.
Temperaturfølsomme dele som transistorer, IC'er og store elektrolytkondensatorer bør ikke være i nærheden af varmekilder eller i toppen af enheden, hvor temperaturen stiger mere. Langvarig opvarmning ændrer driftspunkterne og kan forringe ydeevnen.
Overvejelser om mekanisk styrke
Vær opmærksom på printets balance og stabilitet. Ved store og tunge dele (effekttransformatorer, store elektrolytkondensatorer, effekttransistorer med kølelegemer) skal du ikke kun stole på PCB-lodninger. Monter dem på chassiset, når det er muligt, så tyngdepunktet er lavt, og produktet er stabilt. Store komponenter kan vride printet eller beskadige andre komponenter og stik.
Hvis en komponent vejer mere end ca. 15 g og skal sidde på printet, må du ikke kun bruge loddetin. Brug beslag, klemmer eller andre mekaniske understøtninger.
For plader, der er større end ca. 200 mm × 150 mm, vil pladen blive udsat for bøjnings- og vibrationsstress. Tilføj en mekanisk ramme eller afstiver for at forhindre deformation. Lad der være plads til monteringsbeslag, placeringsskruer og tilslutning af stik.
Brugbarhed og tilgængelighed
For justerbare dele som potentiometre, variable kondensatorer eller afstemningsspoler skal du overveje, hvordan produktet skal justeres. Hvis justeringen sker udefra, skal delens position passe til knappen på frontpanelet. Hvis justeringen sker internt, skal komponenten placeres, så den er let tilgængelig på printet.
Af hensyn til sikkerheden ved fejlfinding og service skal højspændingsdele placeres, hvor det er mindre sandsynligt, at hænderne kommer til at røre ved dem. Placer f.eks. CRT-højspændingskomponenter, hvor de er svære at nå.
Oversigt over PCB-layout
Layout er den vigtigste del af printkortdesign. Det første skridt er at arrangere delene korrekt på et fast printområde. Layout er ikke kun at forbinde komponenter med trykte linjer i henhold til skemaet. For at skabe et pålideligt produkt skal man placere delene og deres forbindelser med omtanke.
Hvis layoutet er dårligt, kan du få interferens eller dårlig ydeevne, og det teoretiske design kan mislykkes. Nogle layouts opfylder de tekniske specifikationer, men ser rodede ud. Ujævn, uordentlig placering reducerer ikke kun den visuelle kvalitet, men gør også montering og vedligeholdelse sværere. Det er ikke et fornuftigt design.
Ovenstående retningslinjer har til formål at give grundlæggende viden om PCB-layout for almindelige trykte kredsløb. Følg dem for at gøre layoutet så fornuftigt som muligt. Et godt layout reducerer sporlængden, mindsker interferens, forbedrer den mekaniske holdbarhed, hjælper med køling og gør det lettere at fremstille og vedligeholde.
Praktisk tjekliste til PCB-layout (hurtig reference)
- Opdel kredsløbet i funktionsblokke, og placer blokkene efter signalflowet.
- Placer input- og output-relaterede dele i nærheden af stikkene.
- Placer højfrekvente blokke kompakt, og hold deres spor meget korte.
- Adskil højspændings- og lavspændingsområder.
- Reserver plads til metalskærme, hvis det er nødvendigt.
- Hold varmeudviklende dele i nærheden af ventilation eller chassis.
- Hold temperaturfølsomme dele væk fra varmekilder.
- Brug lodret montering til tætte, små dele. Brug vandret montering for stabilitet og lettere routing.
- Hold mindst 3 mm fra komponentpuderne til printkanten, når delene er ved printkanten; typisk afstand mellem padmidt og kant ≥ 2,5 mm.
- Brug standard gitterafstand, når du planlægger automatiseret montering (2,54 mm eller 2,5 mm).
- Hold afstanden mellem puderne ikke mindre end pladens tykkelse.
- Til tunge dele skal du bruge mekaniske støtter i tillæg til lodning.
- Tilføj afstivere eller rammer til store plader (> 200 × 150 mm).
- Lad der være plads til testpunkter og serviceadgang.
- Sørg for, at komponenternes akser er på linje for at opnå pænhed, når det er muligt, men vælg uregelmæssigt layout til RF for at reducere sporlængden.
