اصول چیدمان قطعات PCB
در طراحی چیدمان برد مدار چاپی, جایگذاری قطعات بسیار حیاتی است. این امر بر مرتب بودن برد و طول و تعداد مسیرهای چاپشده تأثیر میگذارد. همچنین بر قابلیت اطمینان کلی دستگاه نیز تأثیر دارد. در ادامه چند قاعدهٔ اساسی آورده شده است که جایگذاری قطعات روی PCB باید از آنها پیروی کند.
توزیع یکنواخت و پیوسته
قطعات را طوری قرار دهید که بهطور یکنواخت روی کل برد توزیع شوند. تراکم و فاصلهگذاری را یکنواخت نگه دارید. اجازه ندهید قطعات تمام برد را بهطور کامل پر کنند. مقداری فضا در اطراف لبههای برد باقی بگذارید. اندازه حاشیه خالی بستگی به مساحت برد و نحوه ثابت شدن آن در محصول دارد. قطعاتی که دقیقاً روی لبه PCB قرار میگیرند باید حداقل ۳ میلیمتر از لبه برد فاصله داشته باشند. در ابزارهای الکترونیکی معمولاً ۵ تا ۱۰ میلیمتر فضا در هر لبه باقی میگذارند.
بهطور کلی، قطعات را در صورتی که امکان دارد در یک سمت برد مدار چاپی قرار دهید. هر پایه سیمدار یک قطعه باید از پد لحیم مخصوص به خود استفاده کند.
بدون تداخل و فاصلهٔ کافی
قطعات نباید از بالا تا پایین طوری روی هم قرار گیرند که به یکدیگر برخورد کنند. بین قطعات مجاور فاصلهٔ کافی حفظ کنید. این فاصله نباید آنقدر کم باشد که تماس فیزیکی رخ دهد. اگر دو قطعهٔ نزدیک به هم اختلاف پتانسیل زیادی دارند، فاصلهٔ ایمن بین آنها را رعایت کنید. در محیطهای معمولی، فاصلهٔ هوایی ایمن حدود ۲۰۰ ولت بر میلیمتر است. یعنی اگر انتظار اختلاف ولتاژ بالا را دارید، فاصله را افزایش دهید.
ارتفاع نصب کم
ارتفاع نصب قطعات را تا حد امکان کم کنید. پایهٔ یک قطعه نباید بیش از حدود ۵ میلیمتر از سطح برد بلند باشد. اگر قطعات بیش از حد بلند باشند، در برابر لرزش و ضربه مقاومت کمی دارند. قطعات بلند ممکن است کج شوند، بیفتند یا به قطعات مجاور برخورد کنند. این امر قابلیت اطمینان را کاهش میدهد.
جهت و پیوستگی محورها
جهت محورهای قطعات را بر اساس نحوه قرارگیری و تثبیت PCB در محصول نهایی تعیین کنید. برای آرایههای منظم قطعات، محور قطعات بزرگ را طوری همراستا کنید که نسبت به محصول عمودی قرار گیرند. این کار پایداری مکانیکی برد را بهبود میبخشد. همراستا کردن محورها به ثابت ماندن قطعات در برابر لرزش کمک میکند.
فاصلهگذاری پدها و خمشدگیهای سیم
فاصلهی بین پدها در دو انتهای یک قطعه باید کمی بیشتر از طول بدنهی محوری قطعه باشد. هنگام خم کردن پایهها، آنها را درست از ریشه خم نکنید. قبل از خم کردن، حداقل ۲ میلیمتر از پایهی مستقیم را باقی بگذارید تا به بدنهی قطعه آسیبی نرسد. این کار تنش روی پایهی قطعه و محل لحیم را کاهش میدهد.
نحوه نصب و ثابت کردن قطعات روی PCB
دو سبک اصلی برای نصب قطعات روی PCB وجود دارد: عمودی (ایستاده) و افقی (دراز). افقی به این معنی است که محور قطعه موازی با سطح PCB است. عمودی به این معنی است که محور عمود بر سطح PCB است. هر دو روش مزایا و معایب خود را دارند. هنگام طراحی، از آنها به صورت انعطافپذیر استفاده کنید. میتوانید از یک سبک یا ترکیبی از هر دو استفاده کنید. مطمئن شوید مدار در برابر لرزش مقاوم است، سرویس آن آسان است و چیدمان قطعات یکنواخت است. این موضوع همچنین هنگام مسیریابی ردها کمک میکند.
نصب عمودی (عمود)
اجزای نصبشده بهصورت عمودی فضای برد کمتری اشغال میکنند. میتوانید قطعات بیشتری را در هر واحد مساحت جای دهید. این برای طراحیهای فشرده محصولات مانند رادیوهای قابل حمل و سمعکها مناسب است. بسیاری از ابزارهای کوچک قابل حمل از نصب عمودی استفاده میکنند.
با این حال، قطعات عمودی باید کوچک و سبک باشند. قطعات بزرگ یا سنگین برای نصب عمودی مناسب نیستند. قطعات سنگین استحکام مکانیکی را کاهش داده و مقاومت در برابر لرزش را پایین میآورند. آنها ممکن است کج شوند یا بیفتند و با سایر قطعات تماس پیدا کنند که باعث مشکلات قابلیت اطمینان میشود.
نصب افقی (دوروشنی)
نصب افقی پایداری مکانیکی بهتری فراهم میکند. این کار باعث میشود برد مرتبتر به نظر برسد. نصب افقی فاصله بین قطعات و پدهای لحیم را افزایش میدهد که مسیردهی مسیر بین دو نقطه لحیم را آسانتر میکند. این موضوع برای چیدمان مسیرها مفید است. نصب افقی معمولاً زمانی ترجیح داده میشود که پایداری مکانیکی و سهولت مسیردهی اهمیت دارند.
قالبهای چیدمان قطعات PCB
قطعات باید بهطور یکنواخت، مرتب و فشرده روی برد قرار گیرند. سعی کنید اتصالات بین واحدهای مدار و بین قطعات منفرد را کاهش داده و کوتاه کنید. دو قالب اصلی چیدمان روی PCB وجود دارد: چیدمان نامنظم و چیدمان منظم. میتوانید از هر یک بهتنهایی یا از هر دو با هم استفاده کنید.
قرارگیری نامنظم
در قرارگیری نامنظم، محورهای قطعات همتراز نیستند و موقعیت آنها تابع هیچ قاعدهی سختگیرانهای نیست. این وضعیت آشفته به نظر میرسد، اما جهتگیری و موقعیت قطعات را آزاد میکند. این آزادی اغلب چیدمان مسیرها را آسانتر میسازد. میتواند اتصالات بین قطعات را کوتاه یا کاهش دهد و طول کلی مسیرها را بهطور چشمگیری کاهش دهد. مسیرهای کوتاهتر پارامترهای پارازیتی را کاهش داده و به کاهش تداخل کمک میکنند. قرارگیری نامنظم برای مدارهای فرکانس بالا بسیار مفید است. اغلب همراه با قطعات نصبشده بهصورت عمودی استفاده میشود.
قرارگیری منظم
چیدمان منظم محورهای قطعات را طوری همراستا میکند که موازی یا عمود بر لبههای برد باشند. به جز قطعات فرکانس بالا، در بیشتر محصولات الکترونیکی باید قطعات را موازی یا عمود قرار داد. این موضوع بهویژه زمانی صادق است که قطعات بهصورت افقی نصب میشوند. چیدمان منظم ظاهر برد را بهبود میبخشد و مونتاژ، لحیمکاری و اشکالزدایی را آسانتر میکند. همچنین تولید و نگهداری را سادهتر میسازد.
چیدمان منظم برای مدارهای فرکانس پایین با قطعات معمولی اما در تعداد زیاد ایدهآل است. بسیاری از دستگاهها از این قالب استفاده میکنند. اما چیدمان منظم محدودیتهایی را در موقعیت و جهت قرارگیری قطعات ایجاد میکند. مسیریابی ردیفها ممکن است پیچیدهتر شود و در نتیجه طول کل ردیفها ممکن است افزایش یابد.
موقعیتگذاری پدهای قطعات روی PCB
هر پایهٔ یک قطعه باید روی یک پد لحیمکاری روی برد مدار چاپی قرار گیرد. موقعیت پد به اندازهٔ قطعه و نحوهٔ نصب آن بستگی دارد. برای نصب عمودی یا قرارگیری نامنظم، موقعیت پد کمتر تحت محدودیتهای اندازه و فاصلهٔ قطعات قرار دارد. برای قرارگیری منظم، موقعیت و فاصلهٔ پدها باید از استانداردهای مشخصی پیروی کنند.
در هر روش، مراکز پد (یعنی مرکز سوراخ آبکاریشده) نباید به لبه برد خیلی نزدیک باشند. فاصلهٔ معمول ۲٫۵ میلیمتر یا بیشتر است. حداقل فاصلهٔ مرکز پد از لبه باید بیش از ضخامت برد باشد.
موقعیت پدها بهطور ایدهآل باید روی یک شبکه مختصات استاندارد قرار گیرند.
در استاندارد IEC, فاصلهٔ پایهٔ شبکه ۲٫۵۴ میلیمتر است (استاندارد داخلی ۲٫۵ میلیمتر). فواصل زیرشبکه شامل ۱٫۲۷ میلیمتر یا ۰٫۶۳۵ میل (۱٫۲۵ میلیمتر یا ۰٫۶۲۵ میل) میشوند. این استانداردهای شبکه هنگام استفاده از طراحی بهکمک کامپیوتر، سوراخکاری خودکار یا قراردهی و لحیمکاری خودکار قطعات اهمیت دارند. برای سوراخکاری دستی، به جز فاصلهی پینهای IC دو ردیفی، میتوانید از پایبندی دقیق به شبکهی مشخص صرفنظر کنید. با این حال، موقعیت پدها باید قطعات را مرتب و یکنواخت نگه دارد. برای قطعاتی با اندازههای مشابه، سعی کنید فاصلهی پدها را یکنواخت نگه دارید. فاصلهی مرکز پدها نباید از ضخامت برد کمتر باشد. این کار قطعات را مرتب نگه میدارد و مونتاژ و خم کردن پای قطعات را آسانتر میکند.
البته، مرتبی نسبی است. برای موارد خاص از قضاوت استفاده کنید.
عوامل مؤثر بر چیدمان PCB
عوامل زیادی بر طراحی مناسب برد مدار چاپی تأثیر میگذارند. در اینجا مهمترین آنها را بررسی میکنیم.
جهت جریان سیگنال
هنگام چیدمان واحدهای مدار روی برد، کل مدار را بر اساس عملکرد تقسیم کنید. ماژولهای عملکردی را به ترتیب جریان سیگنال قرار دهید. این کار چیدمان را برای مسیرهای سیگنال مناسب میکند. سعی کنید جهتهای سیگنال را یکنواخت نگه دارید. در بیشتر موارد جریان سیگنال را از چپ به راست (ورود در سمت چپ، خروجی در سمت راست) یا از بالا به پایین (ورود در بالا، خروجی در پایین) ترتیب دهید.
اجزایی که مستقیماً به کانکتورهای ورودی و خروجی متصل میشوند را در نزدیکی آن کانکتورها قرار دهید. چیدمان را حول دستگاه اصلی هر بلوک عملکردی انجام دهید. برای مثال، از یک ترانزیستور یا یک مدار مجتمع بهعنوان هسته استفاده کنید و سپس قطعات مرتبط را دور آن قرار دهید. شکل قطعه، اندازه، قطبیت و تعداد پینها را در نظر بگیرید. موقعیت و جهتگیری را طوری تنظیم کنید که سیمکشی کوتاهتر شود.
مکان اجزای ویژه
تداخل در تجهیزات الکترونیکی میتواند از منابع متعددی ناشی شود: الکتریکی، مغناطیسی، حرارتی و مکانیکی. هنگام طراحی چیدمان برد، ابتدا نمودار شماتیک مدار را تحلیل کنید. سپس اجزای ویژه را شناسایی کرده و بعد سایر قطعات را قرار دهید. به این ترتیب از تداخل جلوگیری کرده و اقداماتی برای کاهش آن تا حد امکان انجام میدهید.
اجزای ویژه آنهایی هستند که از نظر الکتریکی، مغناطیسی، حرارتی یا مکانیکی بر دستگاه تأثیر میگذارند. آنها همچنین ممکن است قطعاتی باشند که به دلیل نیازهای عملیاتی باید در مکانهای مشخصی ثابت شوند.
پیشگیری از تداخل الکترومغناطیسی (EMI)
تداخل الکترومغناطیسی (EMI) اغلب در تجهیزات در حال کار رخ میدهد. علل آن شامل امواج الکترومغناطیسی خارجی و مسیریابی نامناسب یا قرارگیری نادرست قطعات روی برد مدار چاپی (PCB) است. بسیاری از مشکلات تداخلی را میتوان در مرحله طراحی چیدمان جلوگیری کرد. اگر این موضوع را در مراحل اولیه نادیده بگیرید، ممکن است طراحی با شکست مواجه شود.
قطعاتی را که میتوانند بر یکدیگر تأثیر بگذارند، از هم جدا یا شیلد کنید. در بخشهای فرکانس بالا اتصالات را کوتاه کنید تا پارامترهای توزیعشده و کوپلینگ الکترومغناطیسی متقابل کاهش یابد. اگر قصد دارید از قوطیهای شیلد فلزی برای بخشهای RF استفاده کنید، فضای کافی روی برد برای اندازه شیلد در نظر بگیرید.
قطعات حساس نباید خیلی به قطعات پر سر و صدا نزدیک باشند. بخشهای ولتاژ بالا (مثلاً ۲۲۰ ولت) و بخشهای ولتاژ پایین را از هم جدا کنید و مراحل ورودی و خروجی را نیز جدا کنید. اگر سیمهای تغذیه جریان مستقیم طولانی هستند، برای متوقف کردن نویز ۵۰ هرتز، قطعات فیلتر را اضافه کنید.
اگر برخی از قطعات یا ردپاها ممکن است اختلاف پتانسیل بالایی داشته باشند، فاصله را افزایش دهید تا از تخلیه یا شکست جلوگیری شود. از تماس بدنه فلزی قطعات با یکدیگر خودداری کنید. برای مثال، بدنه فلزی یک ترانزیستور NPN یا هیتسینک یک ترانزیستور قدرت ممکن است به کلکتور متصل باشد که میتواند در پتانسیل بالایی قرار داشته باشد. جعبههای خازن الکترولیتی اغلب در پتانسیل منفی یا زمین قرار دارند. اگر این قابهای فلزی عایق نشده باشند، فاصلهٔ کافی را رعایت کنید یا عایق اضافه کنید، در غیر این صورت ممکن است اتصال کوتاه رخ دهد.
کنترل تداخل حرارتی
افزایش دما همچنین باعث تداخل میشود. در چیدمان، مشخص کنید کدام قطعات گرما تولید میکنند و کدام یک به دما حساس هستند.
قطعات تولیدکنندهٔ گرما مانند مقاومتهای پرقدرت را نزدیک بدنه یا محلی که جریان هوا مناسب است قرار دهید. از دریچهها برای کمک به خنکسازی استفاده کنید. قطعات تولیدکنندهٔ گرما را در کنار هم قرار ندهید. برای نگه داشتن افزایش دما در محدودهٔ مجاز، از هیتسینکها یا یک فن کوچک استفاده کنید. قطعات پرقدرت را میتوان به شاسی متصل کرد تا از پوستهٔ فلزی برای دفع گرما استفاده شود. اگر قرار است روی برد مدار چاپی باشند، برای آنها هیتسینکهای بزرگ در نظر بگیرید و آنها را از سایر قطعات دور نگه دارید.
قطعات حساس به دما مانند ترانزیستورها، مدارهای مجتمع و خازنهای الکترولیتی بزرگ نباید در نزدیکی منابع گرما یا در بالای دستگاه قرار گیرند، جایی که دما بیشتر افزایش مییابد. گرمایش طولانیمدت نقاط کاری را تغییر میدهد و میتواند عملکرد را کاهش دهد.
ملاحظات استحکام مکانیکی
به تعادل و پایداری برد توجه کنید. برای قطعات بزرگ و سنگین (ترانسفورماتورهای قدرت، خازنهای الکترولیتی بزرگ، ترانزیستورهای قدرت با هیتسینک)، تنها به اتصالات لحیمشده روی PCB اکتفا نکنید. در صورت امکان آنها را به شاسی متصل کنید تا مرکز ثقل پایین باشد و محصول پایدار بماند. قطعات بزرگ میتوانند PCB را تابدار کنند یا به سایر قطعات و کانکتورها آسیب برسانند.
اگر وزن یک قطعه بیش از حدود ۱۵ گرم باشد و باید روی PCB قرار گیرد، تنها به لحیم اعتماد نکنید. از براکتها، گیره ها یا سایر تکیهگاههای مکانیکی استفاده کنید.
برای بردهایی با ابعاد بزرگتر از حدود ۲۰۰ × ۱۵۰ میلیمتر، برد در معرض تنش خمش و لرزش قرار میگیرد. برای جلوگیری از تغییر شکل، یک قاب مکانیکی یا سختکننده اضافه کنید. فضایی برای نصب براکتها، پیچهای定位 و اتصالات کانکتور در نظر بگیرید.
قابلیت سرویس و دسترسیپذیری
برای قطعات قابل تنظیم مانند پتانسیومترها، خازنهای متغیر یا سیمپیچهای تنظیم، در نظر بگیرید که محصول چگونه تنظیم خواهد شد. اگر تنظیم از بیرون انجام میشود، موقعیت قطعه را با دستگیره روی پنل جلو هماهنگ کنید. اگر تنظیم بهصورت داخلی است، قطعه را روی برد مدار چاپی بهگونهای قرار دهید که دسترسی به آن آسان باشد.
برای ایمنی در عیبیابی و سرویس، قطعات ولتاژ بالا را در محلی قرار دهید که احتمال تماس دست با آنها کمتر باشد. بهعنوان مثال، اجزای ولتاژ بالای CRT را در جایی قرار دهید که دسترسی به آنها دشوار باشد.
خلاصهٔ چیدمان PCB
چیدمان بخش اصلی طراحی برد مدار چاپی است. ترتیبدهی صحیح قطعات در ناحیه ثابت برد اولین گام است. چیدمان تنها اتصال قطعات با خطوط چاپی مطابق شماتیک نیست. برای ساخت محصولی قابلاعتماد، قطعات و اتصالات آنها را با دقت جایگذاری کنید.
اگر چیدمان ضعیف باشد، ممکن است تداخل یا عملکرد ضعیف رخ دهد و طراحی نظری شکست بخورد. برخی چیدمانها با مشخصات فنی مطابقت دارند اما نامرتب به نظر میرسند. قرارگیری نامتوازن و بینظم نه تنها کیفیت ظاهری را کاهش میدهد، بلکه مونتاژ و نگهداری را دشوارتر میکند. این یک طراحی معقول نیست.
راهنمای بالا با هدف آموزش دانش پایهای چیدمان برد مدار چاپی برای مدارهای چاپی معمولی ارائه شده است. برای منطقیتر شدن چیدمان، این دستورالعملها را دنبال کنید. چیدمان مناسب طول مسیرها را کاهش میدهد، تداخل را کم میکند، دوام مکانیکی را بهبود میبخشد، به خنکسازی کمک میکند و ساخت و نگهداری را آسانتر میسازد.
فهرست کنترل عملی برای چیدمان PCB (مرجع سریع)
- مدار را به بلوکهای عملکردی تقسیم کنید و بلوکها را مطابق جریان سیگنال قرار دهید.
- قطعات مربوط به ورودی و خروجی را نزدیک کانکتورها قرار دهید.
- بلوکهای فرکانس بالا را بهطور فشرده قرار دهید و مسیرهای آنها را بسیار کوتاه نگه دارید.
- مناطق ولتاژ بالا و ولتاژ پایین را از هم جدا کنید.
- در صورت نیاز، اتاقی برای سپرهای فلزی رزرو کنید.
- قطعات تولیدکنندهٔ گرما را نزدیک به تهویه یا شاسی قرار دهید.
- قطعات حساس به دما را از منابع گرما دور نگه دارید.
- برای قطعات متراکم و کوچک از نصب عمودی استفاده کنید. برای پایداری و مسیریابی آسانتر از نصب افقی استفاده کنید.
- هنگامی که قطعات در لبه برد قرار دارند، حداقل ۳ میلیمتر فاصله بین پدهای قطعه و لبه برد را حفظ کنید؛ فاصله معمول از مرکز پد تا لبه برد ≥ ۲٫۵ میلیمتر است.
- هنگام برنامهریزی مونتاژ خودکار از فاصلهی استاندارد شبکه استفاده کنید (۲٫۵۴ میلیمتر یا ۲٫۵ میلیمتر).
- فاصلهٔ مرکزی پدها باید کمتر از ضخامت برد نباشد.
- برای قطعات سنگین، علاوه بر قلعکاری، از تکیهگاههای مکانیکی استفاده کنید.
- برای تابلوهای بزرگ (> 200 × 150 میلیمتر)، تقویتکنندهها یا قابها را اضافه کنید.
- برای نقاط تست و دسترسی سرویس فضا باقی بگذارید.
- در صورت امکان، محورهای قطعات را برای مرتب بودن همتراز کنید، اما برای کاهش طول مسیر، چیدمان نامنظم برای RF انتخاب کنید.
