Consells i tècniques per al disseny de petites plaques de circuit per reduir la mida del PCB

Per a qualsevol producte electrònic, ja sigui un telèfon mòbil complex o qualsevol altre simple joguina electrònica de baix cost, les plaques de circuit imprès (PCB) són un component essencial. En un cicle de desenvolupament de productes, la gestió de costos de disseny és un problema enorme i el PCB és el component més descuidat i costós de la llista de materials. El PCB costa molt més que qualsevol altre component utilitzat en un circuit, de manera que reduir la mida del PCB no només reduirà la mida del nostre producte, sinó que també reduirà els costos de producció en la majoria dels casos. Però, com reduir la mida d'un PCB és una qüestió complexa en la producció d'electrònica, ja que la mida del PCB depèn d'algunes coses i té les seves limitacions. En aquest article, descriurem les tècniques de disseny per reduir la mida del PCB comparant les compensacions i les possibles solucions.

PCB multicapa per reduir l’espai de la pista i l’espai entre components

L'encaminament ocupa l'espai principal d'una placa de circuit imprès. Les fases del prototip, sempre que es prova el circuit, utilitzen una capa o màxim de placa PCB de doble capa. No obstant això, la majoria de les vegades, el circuit es fa mitjançant SMD (Surface Mount Devices) que obliga el dissenyador a utilitzar una placa de circuit de doble capa. Dissenyar el tauler en doble capa obre l'accés a la superfície a tots els components i proporciona els espais de la placa per encaminar les traces. L'espai superficial del tauler pot tornar a augmentar si la capa del tauler augmenta més que les dues capes, per exemple, quatre o sis capes. Però hi ha un inconvenient. Si la placa està dissenyada amb dues, quatre o fins i tot més capes, es crea una complexitat enorme en termes de proves, reparacions i reelaboració d’un circuit.

Per tant, múltiples capes (principalment quatre capes) només són possibles si el tauler està ben provat en la fase de prototipus. A part de la mida de la placa, el temps de disseny també és molt més curt que el de dissenyar el mateix circuit en una placa de capa simple o doble més gran.

Generalment, les traces d’alimentació i les capes d’ompliment del camí de retorn de terra s’identifiquen com a camins d’alta intensitat, per la qual cosa requereixen traços gruixuts. Aquests rastres elevats es poden encaminar a les capes TOP o inferior i els camins de corrent baix o capes de senyal es poden utilitzar com a capes internes en PCB de quatre capes. La imatge següent mostra un PCB de 4 capes.

Però hi ha compensacions genèriques. El cost del PCB multicapa és superior al de les juntes d’una sola capa. Per tant, és essencial calcular el propòsit del cost abans de canviar una placa de capa única o doble a PCB de quatre capes. Però augmentar el nombre de capes podria canviar dràsticament la mida del tauler.

Gestió dels problemes tèrmics canviant el gruix del coure

El PCB aporta un cas molt útil per als dissenys de circuits d’alta intensitat, que és la gestió tèrmica del PCB. Quan un corrent elevat flueix a través d'un traçat de PCB, augmenta les dissipacions de calor i crea resistència als camins. No obstant això, a part de les traces gruixudes dedicades per a la gestió de camins d’alta intensitat, un dels avantatges principals del PCB és crear dissipadors de calor del PCB. Per tant, si el disseny del circuit utilitza una quantitat important de superfície de coure de PCB per a la gestió tèrmica o assigna grans espais per a traces de corrent elevat, es pot reduir la mida de la placa utilitzant un gruix de capa de coure creixent.

Segons l’IPC2221A, el dissenyador hauria d’utilitzar un ample de traça mínim per als camins actuals requerits, però s’hauria de tenir en compte l’àrea de traça total. En general, els PCB solien tenir el gruix de la capa de coure d’1Oz (35um). Però es pot augmentar el gruix del coure. Per tant, si utilitzeu matemàtiques simples, duplicar el gruix a 2Oz (70um) podria reduir la mida de la traça a la meitat d'una gran capacitat de corrent. A part d'això, el gruix de coure de 2 oz també pot ser beneficiós per al dissipador de calor basat en PCB. També hi ha una capacitat de coure més gran que també pot estar disponible, que oscil·la entre els 4Oz i els 10Oz.

Per tant, augmentar el gruix del coure redueix efectivament la mida del PCB. Vegem com pot ser efectiu. La imatge següent és una calculadora basada en línia per calcular l’amplada del traçat de PCB.

El valor del corrent que fluirà per la traça és 1A. El gruix del coure s'estableix en 1 Oz (35 um). La pujada de la temperatura a la traça serà de 10 graus a 25 graus centígrads de temperatura ambient. La sortida de l’amplada de traça segons l’estàndard IPC2221A és-

Ara, en la mateixa especificació, si augmenta el gruix del coure, es pot reduir l'amplada del traç.

El gruix necessari només és

Selecció de paquets de components

La selecció de components és una cosa important en un disseny de circuits. Hi ha els mateixos però diferents components del paquet disponibles en electrònica. Per exemple, una resistència simple amb una potència de 0,125 watts pot estar disponible en diferents paquets, com ara 0402, 0603, 0805, 1210, etc.

La majoria de les vegades, el prototip de PCB utilitza components més grans que fan servir resistències 0805 o 1210, així com condensadors no polaritzats amb un joc més alt que el general, ja que són més fàcils de manipular, soldar, substituir o provar. Però aquesta tàctica acaba tenint una gran quantitat d’espai al tauler. Durant la fase de producció, els components es poden canviar a un paquet més petit amb la mateixa classificació i es pot comprimir l’espai de la placa. Podem reduir la mida del paquet d’aquests components.

Però la situació és quin paquet escollir? No és pràctic utilitzar paquets més petits que 0402 perquè les màquines de recollida i col·locació estàndard disponibles per a la producció poden tenir limitacions per gestionar paquets SMD més petits que el 0402.

Un altre inconvenient dels components més petits és la potència nominal. Els paquets més petits que el 0603 podrien suportar un corrent molt inferior al 0805 o al 1210. Per tant, cal tenir en compte consideracions per seleccionar els components adequats. En aquest cas, sempre que no es puguin utilitzar els paquets més petits per reduir les mides de PCB, es pot editar la petjada del paquet i es pot reduir el coixinet de components tant com sigui possible. És possible que el dissenyador pugui apretar una mica més les coses canviant les petjades. A causa de les toleràncies de disseny, la petjada predeterminada disponible és una petjada comuna que pot contenir qualsevol versió dels paquets. Per exemple, la petjada dels paquets 0805 es fa de manera que pugui cobrir tantes variacions com sigui possible per al 0805. Les variacions es produeixen a causa de la diferència de la capacitat de fabricació.Diferents empreses utilitzen màquines de producció diferents que solien tenir toleràncies diferents per al mateix paquet 0805. Per tant, les petjades predeterminades del paquet són lleugerament més grans del necessari.

Es pot editar manualment la petjada mitjançant els fulls de dades dels components específics i es pot reduir la mida del coixinet segons es requereixi.

La mida de la placa es pot reduir mitjançant l'ús de condensadors electrolítics basats en SMD, ja que semblaven tenir diàmetres més petits que els components del forat passant amb la mateixa qualificació.

Connectors compactes New Age

Un altre component que té gana d’espai són els connectors. Els connectors utilitzen un espai més gran per a la placa i la petjada també utilitza coixinets de major diàmetre. Canviar els tipus de connectors pot ser molt útil si es permeten els valors de corrent i tensió.

La companyia fabricant de connectors, per exemple, Molex o Wurth Electronics o qualsevol altra gran empresa sempre proporcionen connectors basats en mides múltiples. Així, si seleccioneu la mida adequada, podríeu estalviar tant el cost com l’espai de la taula.

Xarxes de resistències

Principalment en el disseny basat en microcontroladors, les resistències de pas en sèrie són el que sempre es requereix per protegir el microcontrolador d’un flux de corrent elevat a través dels pins IO. Per tant, cal utilitzar més de 8 resistències, de vegades més de 16 resistències com a resistències de sèrie. Un nombre tan enorme de resistències sumen molt més espai al PCB. Aquest problema es pot solucionar mitjançant l'ús de xarxes de resistències. Una senzilla xarxa de resistències basada en paquets 1210 podria estalviar espai per a 4 o 6 resistències. La imatge següent és una resistència de 5 al paquet 1206.

Paquets apilats en lloc de paquets estàndard

Hi ha molts dissenys que requereixen diversos transistors o fins i tot més de dos MOSFET per a propòsits diferents. Si afegiu transistors o Mosfets individuals, podríeu acabar tenint més espai que l’ús de paquets apilats.

Hi ha una varietat d'opcions que fan servir diversos components en un sol paquet. Per exemple, també hi ha disponibles dos paquets MOSFET Mosfet o quad que ocupen l'espai d'un sol Mosfet i poden estalviar una gran quantitat d'espai a la placa.

Aquests trucs es poden aplicar a gairebé tots els components. Això condueix a un espai de tauler més petit i el punt bo és que, de vegades, el cost d’aquests components és inferior a l’ús de components individuals.

Els punts anteriors són la possible sortida per a la reducció de la mida del PCB. No obstant això, el cost, la complexitat i la mida del PCB sempre té algunes compensacions crucials relacionades amb les decisions. Cal seleccionar la ruta exacta que depèn de l'aplicació orientada o del disseny específic del circuit orientat.