Tipy a techniky na navrhovanie dosiek malých obvodov na zmenšenie veľkosti DPS

Pre každý elektronický výrobok, či už je to zložitý mobilný telefón alebo iná jednoduchá nízkonákladová hračka s elektronikou, sú dosky s plošnými spojmi (PCB) nevyhnutnou súčasťou. V cykle vývoja produktu je správa nákladov na dizajn obrovským problémom a PCB je najviac zanedbávanou a nákladnejšou súčasťou kusovníka. PCB stojí oveľa viac ako ktorýkoľvek iný komponent používaný v obvode, takže zmenšenie veľkosti PCB nielen zmenší veľkosť nášho produktu, ale vo väčšine prípadov tiež zníži výrobné náklady. Ale ako zmenšiť veľkosť PCB je zložitá otázka vo výrobe elektroniky, pretože veľkosť PCB závisí od niekoľkých vecí a má svoje obmedzenia. V tomto článku popíšeme návrhové techniky na zníženie veľkosti PCB porovnaním kompromisov a možných riešení.

Viacvrstvová doska s plošnými spojmi pre zníženie priestoru na trati a rozstupu komponentov

Smerovanie zaberá hlavný priestor v doske s plošnými spojmi. Fázy prototypu, kedykoľvek sa testuje obvod, používajú jednu alebo najviac dvojvrstvových dosiek s plošnými spojmi. Väčšinou sa však obvod vyrába pomocou SMD (Surface Mount Devices), čo núti konštruktéra používať dvojvrstvovú dosku s plošnými spojmi. Návrh dosky v dvojitej vrstve otvára povrchový prístup ku všetkým komponentom a poskytuje doske priestor na smerovanie stôp. Povrchový priestor dosky sa môže opäť zväčšiť, ak sa vrstva dosky zvýši viac ako dve vrstvy, napríklad štyri alebo šesť vrstiev. Existuje však nevýhoda. Ak je doska navrhnutá pomocou dvoch, štyroch alebo dokonca viacerých vrstiev, vytvára to obrovskú zložitosť, pokiaľ ide o testovanie, opravy a prepracovanie obvodu.

Viaceré vrstvy (hlavne štyri vrstvy) sú preto možné iba vtedy, ak je doska vo fáze prototypu dobre otestovaná. Okrem veľkosti dosky je čas návrhu tiež oveľa kratší ako pri návrhu rovnakého obvodu vo väčšej jedno alebo dvojvrstvovej doske.

Všeobecne sú energetické stopy a vrstvy výplne spätnej cesty zeme identifikované ako cesty vysokého prúdu, preto si vyžadujú hrubé stopy. Tieto vysoké stopy je možné smerovať do vrchných alebo spodných vrstiev a nízkoprúdové cesty alebo signálne vrstvy je možné použiť ako vnútorné vrstvy v štyroch vrstvách PCB. Na nasledujúcom obrázku je štvorvrstvová doska plošných spojov.

Existujú však všeobecné kompromisy. Cena viacvrstvových PCB je vyššia ako u jednovrstvových dosiek. Preto je nevyhnutné pred zmenou jedno alebo dvojvrstvovej dosky na štyri vrstvy PCB vypočítať účel nákladov. Ale zvýšenie počtu vrstiev by mohlo dramaticky zmeniť veľkosť dosky.

Správa tepelných problémov zmenou hrúbky medi

PCB prispieva k veľmi užitočnému prípadu pre návrh obvodov s vysokým prúdom, ktorým je správa tepla v PCB. Keď vysoký prúd preteká stopou PCB, zvyšuje sa odvod tepla a vytvára sa odpor na cestách. Avšak okrem vyhradených hrubých stôp pre správu ciest vysokého prúdu je hlavnou výhodou DPS vytvorenie chladičov DPS. Ak teda návrh obvodu využíva značné množstvo medenej oblasti PCB na riadenie tepla alebo prideľuje obrovské priestory pre stopy vysokého prúdu, je možné zmenšiť veľkosť dosky zväčšením hrúbky medenej vrstvy.

Podľa protokolu IPC2221A by mal návrhár používať minimálnu šírku stopy pre požadované prúdové cesty, treba však brať ohľad na celkovú oblasť stopy. Všeobecne mali PCB hrúbku medenej vrstvy 1Oz (35 um). Hrúbka medi sa ale môže zväčšiť. Preto pomocou jednoduchej matematiky môže zdvojnásobenie hrúbky na 2 Oz (70 um) znížiť veľkosť stopy o polovicu na rovnako veľkú súčasnú kapacitu. Okrem toho môže byť hrúbka medi 2Oz prospešná aj pre chladič na báze PCB. K dispozícii je tiež ťažšia kapacita medi, ktorá sa môže pohybovať od 4 Oz do 10 Oz.

Zvyšovanie hrúbky medi teda účinne zmenšuje veľkosť PCB. Pozrime sa, ako to môže byť účinné. Na nasledujúcom obrázku je online kalkulačka na výpočet šírky stopy PCB.

Hodnota prúdu, ktorý bude pretekať cez stopu, je 1A. Hrúbka medi je nastavená na 1 Oz (35 um). Nárast teploty na stope bude 10 stupňov pri teplote okolia 25 stupňov Celzia. Výstup šírky stopy podľa štandardu IPC2221A je -

Teraz, v tej istej špecifikácii, ak sa zvýši hrúbka medi, šírka stopy sa môže zmenšiť.

Požadovaná hrúbka je iba -

Výber balíka komponentov

Výber komponentov je hlavnou vecou pri návrhu obvodu. V elektronike sú k dispozícii rovnaké, ale rôzne komponenty balenia. Napríklad jednoduchý rezistor s výkonom 0,125 W môže byť dostupný v rôznych balíkoch, napríklad 0402, 0603, 0805, 1210 atď.

Prototyp PCB väčšinou využíva väčšie komponenty, ktoré používajú rezistory 0805 alebo 1210, ako aj nepolarizované kondenzátory s vyššou svetlou výškou, ako je bežné, kvôli ľahšej manipulácii, spájkovaniu, výmene alebo testovaniu. Ale táto taktika má nakoniec na palube obrovské množstvo priestoru. Počas fázy výroby môžu byť komponenty zmenené na menšie balenie s rovnakým hodnotením a priestor na doske môže byť stlačený. Môžeme zmenšiť veľkosť balenia týchto komponentov.

Situácia je však taká, aký balík zvoliť? Používanie menších balíkov ako 0402 je nepraktické, pretože štandardné výberové a umiestňovacie stroje, ktoré sú k dispozícii pre výrobu, môžu mať obmedzenia pre manipuláciu s balíčkami SMD menšími ako 0402.

Ďalším nedostatkom menších komponentov je menovitý výkon. Menšie balenia ako 0603 zvládnu oveľa nižší prúd ako 0805 alebo 1210. Pri výbere vhodných komponentov je preto potrebné dôsledné zváženie. V takom prípade, kedykoľvek nie je možné použiť menšie balenia na zmenšenie veľkosti PCB, je možné upraviť pôdorys balíka a v maximálnej možnej miere by to mohlo zmenšiť podložku komponentov. Dizajnér môže byť schopný trochu stlačiť veci zmenou stôp. Kvôli konštrukčným toleranciám je k dispozícii predvolená stopa bežnou stopou, ktorá by mohla obsahovať akúkoľvek verziu balíkov. Napríklad stopa balíkov 0805 je vyrobená takým spôsobom, že môže pokrývať čo najviac variácií pre 0805. K zmenám dochádza v dôsledku rozdielov vo výrobných schopnostiach.Rôzne spoločnosti používajú rôzne výrobné stroje, ktoré predtým mali rozdielne tolerancie pre to isté balenie 0805. Predvolené stopy balíka sú teda o niečo väčšie, ako je potrebné.

Jeden môže manuálne upraviť stopu pomocou údajových listov konkrétnych komponentov a podľa potreby by mohol zmenšiť veľkosť podložky.

Veľkosť dosky sa dá zmenšiť aj pomocou elektrolytických kondenzátorov založených na SMD, pretože sa zdalo, že majú menšie priemery ako súčasti priechodného otvoru s rovnakým hodnotením.

Kompaktné konektory New Age

Ďalším komponentom náročným na priestor sú konektory. Konektory využívajú väčší priestor na doske a stopa tiež využíva podložky s väčším priemerom. Zmena typov konektorov môže byť veľmi užitočná, ak to umožňuje prúd a napätie.

Spoločnosť na výrobu konektorov, napríklad Molex alebo Wurth Electronics alebo akékoľvek iné veľké spoločnosti, vždy poskytujú rôzne typy konektorov rovnakého typu. Správna voľba veľkosti by teda mohla ušetriť náklady i priestor na doske.

Rezistorové siete

Hlavne v dizajne založenom na mikrokontroléroch sú sériové prechodové odpory to, čo je vždy potrebné na ochranu mikrokontroléra pred vysokým prúdom cez IO piny. Preto sa ako sériové rezistory vyžaduje viac ako 8 rezistorov, niekedy aj viac ako 16 rezistorov. Takéto obrovské množstvo rezistorov zaberá na PCB oveľa viac miesta. Tento problém je možné vyriešiť použitím odporových sietí. Jednoduchá sieť rezistorov založená na balíku 1210 by mohla ušetriť miesto pre 4 alebo 6 rezistorov. Na nasledujúcom obrázku je rezistor 5 v balení 1206.

Skladané balíčky namiesto štandardných balíkov

Existuje veľa návrhov, ktoré vyžadujú viac tranzistorov alebo dokonca viac ako dva MOSFETy na rôzne účely. Sčítanie jednotlivých tranzistorov alebo mosfetov by mohlo skončiť väčším priestorom ako pri poukladaní balíkov.

Existuje celý rad možností, ktoré používajú viac komponentov v jednom balíku. K dispozícii sú napríklad aj duálne balíčky Mosfet alebo quad MOSFET, ktoré zaberajú miesto iba pre jeden Mosfet a mohli by ušetriť obrovské množstvo miesta na doske.

Tieto triky je možné použiť takmer na každú súčasť. To vedie k menšiemu priestoru na doske a bonusovým bodom je, že niekedy sú náklady na tieto komponenty nižšie ako pri použití jednotlivých komponentov.

Vyššie uvedené body sú možným východiskom pri znižovaní veľkosti PCB. Cena, zložitosť a veľkosť PCB však vždy majú niektoré rozhodujúce kompromisy súvisiace s rozhodovaním. Je potrebné zvoliť presnú cestu, ktorá závisí od cieľovej aplikácie alebo od konkrétneho zameraného návrhu obvodu.