電子技術者向け PCB 設計レイアウトの経験

デザインにおいて、レイアウトは重要なリンクです。レイアウトの結果は、配線の効果に直接影響します。したがって、合理的なレイアウトは、PCB 設計を成功させるための最初のステップであると考えることができます。

特にプリレイアウトは、回路基板全体、信号の流れ方向、放熱、構造、その他のアーキテクチャについて考えるプロセスです。プレレイアウトが失敗すると、その後の努力は無駄になります。

PCB design

1. 全体を考える

製品が成功するかどうかは、まず内部の品質に注意を払い、次に全体の美しさを考慮する必要があります。両方が完璧である場合にのみ、製品が成功したと見なすことができます。

PCB では、コンポーネントのレイアウトはバランスが取れて整然としている必要があり、上部が重くなったり重くなったりしてはなりません。

PCBは変形しますか？

プロセスエッジは予約されていますか?

MARKポイントを予約しますか？

パネルは必要ですか？

インピーダンス制御、信号シールド、信号の完全性、経済性、実現可能性を確保できるボードの層数は?

2. 低レベルのエラーを排除する

プリント基板のサイズと加工図のサイズは一致していますか？ PCB製造プロセスの要件を満たすことができますか? 位置決めマークはありますか？

2D 空間と 3D 空間のコンポーネント間に競合はありますか?

コンポーネントはコンパクトで整然と配置されていますか? 生地は全て仕上がっていますか？

頻繁に交換が必要なコンポーネントを簡単に交換できますか? プラグインボードをデバイスに挿入するのは便利ですか?

発熱体と発熱体の距離は適切ですか？

調整可能なコンポーネントを調整すると便利ですか？

放熱が必要な場所にラジエーターが設置されていますか? 空気の流れは妨げられていませんか？

信号の流れはスムーズで、相互接続は最短ですか？

プラグ、ソケットなどは機械設計に抵触していませんか?

回線の干渉は考慮されていますか？

3. バイパスまたはデカップリングコンデンサ

配線中、アナログデバイスとデジタルデバイスの両方にこれらのタイプのコンデンサが必要であり、どちらも電源ピンの近くにバイパスコンデンサを接続する必要があります。これは通常 0.1 μ F です。誘導性リアクタンスを減らすために、ピンはできるだけ短くする必要があります。し、デバイスのできるだけ近くに配置する必要があります。

回路基板にバイパスコンデンサまたはデカップリングコンデンサを追加すること、およびこれらのコンデンサを基板上に配置することは、デジタルおよびアナログ設計の基本的な知識ですが、それらの機能は異なります。アナログ配線設計では、通常、バイパスコンデンサはバイパス電源の高周波信号に使用されます。バイパスコンデンサを追加しないと、これらの高周波信号が電源ピンから敏感なアナログチップに入る可能性があります。一般に、これらの高周波信号の周波数は、シミュレータが高周波信号を抑制する能力を超えています。アナログ回路でバイパスコンデンサを使用しないと、信号経路にノイズが混入したり、深刻な場合には振動が発生したりする可能性があります。コントローラやプロセッサなどのデジタルデバイスの場合、デカップリングコンデンサも必要ですが、理由は異なります。これらのコンデンサの機能の1つは、「マイクロ」チャージバンクとして機能することです。これは、デジタル回路では、ゲート状態の切り替え（つまり、切り替え）に通常大きな電流が必要になるためです。スイッチング時、チップはスイッチング過渡電流を生成し、回路基板を流れます。この追加の「待機」料金があると有利です。スイッチ動作を行う際に十分な電荷が無い場合、電源電圧が大きく変動します。電圧が変化しすぎると、デジタル信号レベルが不安定な状態になり、デジタルデバイス内のステートマシンが誤動作する可能性があります。回路基板の配線を流れるスイッチング電流により、電圧が変化します。回路基板配線には寄生インダクタンスがあるため、電圧変化は次の式で計算できます。V=Ldl/dt ここで、V=電圧変化、L=回路基板配線インダクタンス、dI=配線を流れる電流変化、dt=電流時間を変更します。したがって、さまざまな理由に基づいて、電源またはアクティブデバイスの電源ピンにバイパス (またはデカップリング) コンデンサを適用することをお勧めします。

4. 電源を投入します。電流が比較的大きい場合は、配線の長さと面積を減らすことをお勧めします。フルコートで出馬しない

入力のスイッチングノイズは、電源出力のプレーンに結合されます。出力電源のMOSトランジスタのスイッチングノイズが前段の入力電源に影響を与えます。

回路基板に大量の大電流DCDCがある場合、異なる周波数、大電流、高電圧ジャンプ干渉が発生します。

そのため、入力電源の面積を小さくして流れに合わせる必要があります。したがって、電源レイアウトでは、入力電源のフルボード動作を避ける必要があります。

5. 電源線とアース線

電源線とアース線の位置が一致しているため、電磁干渉 (EMl) の可能性を減らすことができます。電源コードとアース線が正しく一致していないと、システムループが設計され、ノイズが発生する可能性があります。電源コードとアース線が不適切に一致している PCB 設計の例を図に示します。この回路基板には、電源線とアース線を別々の経路で敷設しています。この不適切な調整により、回路基板の電子部品と回路は電磁干渉 (EMI) の影響を受けやすくなります。

6. デジタル・アナログ分離

各 PCB 設計では、回路のノイズ部分と「静かな」部分 (ノイズのない部分) を分離する必要があります。一般的に言えば、デジタル回路はノイズ干渉に耐えることができ、ノイズの影響を受けません (デジタル回路には大きな電圧ノイズ耐性があるため)。それどころか、アナログ回路の電圧ノイズ耐性ははるかに小さくなります。その中でもアナログ回路はスイッチングノイズに最も敏感です。混合信号システムの配線では、これら 2 つの回路を分離する必要があります。

回路基板の配線に関する基本的な知識は、アナログ回路とデジタル回路の両方に適用できます。基本的な経験則は、途切れのないグランドプレーンを使用することです。この基本的なルールは、デジタル回路の dI/dt (電流の経時変化) 効果を減らすことができます。これは、dI/dt 効果によってグランド電位が発生し、アナログ回路にノイズが入るためです。デジタル回路とアナログ回路の配線技術は基本的に同じですが、1 つの例外があります。アナログ回路の場合、もう 1 つの注意点は、デジタル信号ラインとグランドプレーンのループをアナログ回路からできるだけ離すことです。これは、アナロググランドプレーンをシステムグランド接続端に個別に接続するか、アナログ回路を回路基板の遠端、つまり回路の端に配置することで実現できます。これは、信号パスへの外部干渉を最小限に抑えるために行われます。これは、グランドプレーンの多くのノイズを問題なく許容できるデジタル回路には必要ありません。

7. 熱に関する考慮事項

PCB レイアウトのプロセスでは、冷却空気ダクトと冷却死角を考慮する必要があります。

熱センサーを熱源風に当てないでください。 DDR など、放熱が困難なユーザーのレイアウトを優先する必要があります。熱シミュレーションの失敗による調整の繰り返しは避けてください。