เคล็ดลับและเทคนิคการออกแบบแผงวงจรไฟฟ้าขนาดเล็กเพื่อลดขนาด pcb

สำหรับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ใด ๆ ไม่ว่าจะเป็นโทรศัพท์มือถือที่ซับซ้อนหรือของเล่นอิเล็กทรอนิกส์ราคาประหยัดอื่น ๆ แผงวงจรพิมพ์ (PCB) เป็นส่วนประกอบที่จำเป็น ในวงจรการพัฒนาผลิตภัณฑ์การจัดการต้นทุนการออกแบบเป็นปัญหาใหญ่และ PCB เป็นองค์ประกอบที่ถูกละเลยและเสียค่าใช้จ่ายมากที่สุดใน BOM PCB มีค่าใช้จ่ายมากกว่าส่วนประกอบอื่น ๆ ที่ใช้ในวงจรดังนั้นการลดขนาด PCB ไม่เพียง แต่จะช่วยลดขนาดของผลิตภัณฑ์ของเรา แต่ยังช่วยลดต้นทุนการผลิตในกรณีส่วนใหญ่ด้วย แต่วิธีลดขนาด PCBเป็นคำถามที่ซับซ้อนในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เนื่องจากขนาดของ PCB นั้นขึ้นอยู่กับบางสิ่งและมีข้อ จำกัด ในบทความนี้เราจะอธิบายถึงเทคนิคการออกแบบเพื่อลดขนาด PCB โดยการเปรียบเทียบการแลกเปลี่ยนและแนวทางแก้ไขที่เป็นไปได้

Multi-Layer PCB สำหรับลดพื้นที่ติดตามและระยะห่างของชิ้นส่วน

พื้นที่สำคัญในแผงวงจรพิมพ์ถูกยึดโดยการกำหนดเส้นทาง ขั้นตอนต้นแบบเมื่อใดก็ตามที่ทดสอบวงจรจะใช้บอร์ด PCB สองชั้นหนึ่งชั้นหรือสูงสุด แต่ส่วนใหญ่ของเวลาที่วงจรที่ทำโดยใช้ SMD (Surface Mount อุปกรณ์) ซึ่งกองกำลังของนักออกแบบที่จะใช้ชั้นแผงวงจรคู่การออกแบบบอร์ดเป็นสองชั้นจะเปิดการเข้าถึงพื้นผิวไปยังส่วนประกอบทั้งหมดและจัดเตรียมช่องว่างของบอร์ดสำหรับการกำหนดเส้นทางการติดตาม พื้นที่ผิวกระดานสามารถเพิ่มขึ้นได้อีกหากชั้นของกระดานเพิ่มขึ้นมากกว่าสองชั้นเช่นสี่หรือหกชั้น แต่มีข้อเสียเปรียบ หากบอร์ดได้รับการออกแบบโดยใช้เลเยอร์สอง, สี่หรือมากกว่านั้นจะสร้างความซับซ้อนอย่างมากในแง่ของการทดสอบการซ่อมแซมและการทำวงจรใหม่

ดังนั้นหลายเลเยอร์ (สี่ชั้นส่วนใหญ่) จะเป็นไปได้ก็ต่อเมื่อบอร์ดได้รับการทดสอบอย่างดีในเฟสต้นแบบ นอกจากขนาดของบอร์ดแล้วเวลาในการออกแบบยังสั้นกว่าการออกแบบวงจรเดียวกันในบอร์ดชั้นเดียวหรือสองชั้นที่ใหญ่กว่ามาก

โดยทั่วไปเลเยอร์การเติมร่องรอยกำลังและเส้นทางการส่งคืนพื้นจะถูกระบุว่าเป็นเส้นทางกระแสสูงดังนั้นจึงต้องมีร่องรอยหนา การติดตามสูงเหล่านี้สามารถกำหนดเส้นทางในเลเยอร์ด้านบนหรือด้านล่างและพา ธ หรือชั้นสัญญาณกระแสต่ำสามารถใช้เป็นเลเยอร์ภายในใน PCB สี่ชั้นได้ ภาพด้านล่างแสดง PCB 4 ชั้น

แต่มีข้อแลกเปลี่ยนทั่วไป ต้นทุนของ PCB หลายชั้นสูงกว่าบอร์ดชั้นเดียว ดังนั้นจึงจำเป็นต้องคำนวณวัตถุประสงค์ด้านต้นทุนก่อนที่จะเปลี่ยนบอร์ดชั้นเดียวหรือสองชั้นเป็น PCB สี่ชั้น แต่การเพิ่มจำนวนเลเยอร์สามารถเปลี่ยนขนาดของบอร์ดได้อย่างมาก

การจัดการปัญหาความร้อนโดยการเปลี่ยนความหนาของทองแดง

PCB ก่อกรณีที่มีประโยชน์มากสำหรับการออกแบบวงจรสูงในปัจจุบันซึ่งเป็นการจัดการความร้อนใน PCB เมื่อกระแสไฟฟ้าสูงไหลผ่านการติดตาม PCB จะเพิ่มการกระจายความร้อนและสร้างความต้านทานบนเส้นทาง อย่างไรก็ตามนอกเหนือจากร่องรอยหนาโดยเฉพาะสำหรับการจัดการเส้นทางที่สูงในปัจจุบันได้เปรียบที่สำคัญของ PCB คือการสร้างsinks ความร้อน PCBดังนั้นหากการออกแบบวงจรจะใช้เป็นจำนวนมากของพื้นที่ copper PCB สำหรับการจัดการความร้อนหรือการจัดสรรพื้นที่ขนาดใหญ่สำหรับร่องรอยสูงในปัจจุบันหนึ่งสามารถหดขนาดของบอร์ดโดยใช้การเพิ่มความหนาของชั้นทองแดง

ตาม IPC2221A ผู้ออกแบบควรใช้ความกว้างการติดตามขั้นต่ำสำหรับพา ธ ปัจจุบันที่ต้องการ แต่ควรคำนึงถึงพื้นที่การติดตามทั้งหมด โดยทั่วไป PCBs เคยมีความหนาของชั้นทองแดง 1Oz (35um) แต่สามารถเพิ่มความหนาของทองแดงได้ ดังนั้นการใช้คณิตศาสตร์อย่างง่ายการเพิ่มความหนาสองเท่าเป็น 2Oz (70um) สามารถลดขนาดการติดตามลงครึ่งหนึ่งของความจุกระแสไฟฟ้าที่เท่ากันได้ นอกเหนือจากนี้ความหนาของทองแดง 2Oz ยังเป็นประโยชน์สำหรับแผงระบายความร้อนที่ใช้ PCB ด้วย นอกจากนี้ยังมีความจุทองแดงที่หนักกว่าซึ่งสามารถใช้ได้ตั้งแต่ 4Oz ถึง 10Oz

ดังนั้นการเพิ่มความหนาของทองแดงจึงช่วยลดขนาด PCB ได้อย่างมีประสิทธิภาพ มาดูกันว่าจะได้ผลอย่างไร ภาพด้านล่างเป็นเครื่องคิดเลขออนไลน์ตามสำหรับการคำนวณ PCB กว้างร่องรอย

ค่าของกระแสที่จะไหลผ่านการติดตามคือ 1A ความหนาของทองแดงกำหนดไว้ที่ 1 ออนซ์ (35 um) การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิบนร่องรอยจะเท่ากับ 10 องศาที่อุณหภูมิแวดล้อม 25 องศาเซลเซียส เอาต์พุตของความกว้างการติดตามตามมาตรฐาน IPC2221A คือ -

ตอนนี้ในข้อกำหนดเดียวกันถ้าความหนาของทองแดงเพิ่มขึ้นความกว้างของรอยจะลดลง

ความหนาที่ต้องการคือ -

การเลือกแพ็คเกจส่วนประกอบ

การเลือกส่วนประกอบเป็นสิ่งสำคัญในการออกแบบวงจร มีส่วนประกอบของแพ็คเกจที่เหมือนกัน แต่แตกต่างกันในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ตัวอย่างเช่นตัวต้านทานแบบธรรมดาที่มีพิกัด. 125 วัตต์สามารถมีจำหน่ายในแพ็คเกจต่างๆเช่น 0402, 0603, 0805, 1210 เป็นต้น

โดยส่วนใหญ่แล้ว PCB ต้นแบบจะใช้ส่วนประกอบที่ใหญ่กว่าซึ่งใช้ตัวต้านทาน 0805 หรือ 1210 รวมถึงตัวเก็บประจุแบบไม่โพลาไรซ์ที่มีระยะห่างสูงกว่าทั่วไปเนื่องจากง่ายต่อการจัดการบัดกรีเปลี่ยนหรือทดสอบ แต่กลยุทธ์นี้จบลงด้วยการมีพื้นที่ว่างบนกระดานจำนวนมาก ในระหว่างขั้นตอนการผลิตส่วนประกอบสามารถเปลี่ยนเป็นบรรจุภัณฑ์ขนาดเล็กที่มีระดับเดียวกันและสามารถบีบอัดพื้นที่บอร์ดได้ เราสามารถลดขนาดแพ็คเกจของส่วนประกอบเหล่านั้นได้

แต่สถานการณ์จะเลือกแพ็คเกจไหนดี? เป็นไปไม่ได้ที่จะใช้บรรจุภัณฑ์ขนาดเล็กกว่า 0402 เนื่องจากเครื่องรับและวางมาตรฐานที่พร้อมใช้งานสำหรับการผลิตอาจมีข้อ จำกัด ในการจัดการบรรจุภัณฑ์ SMD ที่มีขนาดเล็กกว่า 0402

ข้อเสียเปรียบอีกประการหนึ่งของส่วนประกอบที่มีขนาดเล็กคืออัตรากำลัง แพคเกจที่เล็กกว่า 0603 สามารถรองรับกระแสไฟฟ้าที่ต่ำกว่า 0805 หรือ 1210 มากดังนั้นจึงต้องมีการพิจารณาอย่างรอบคอบเพื่อเลือกส่วนประกอบที่เหมาะสม ในกรณีเช่นนี้เมื่อใดก็ตามที่ไม่สามารถใช้แพคเกจที่เล็กลงเพื่อลดขนาด PCB เราสามารถแก้ไขรอยเท้าของบรรจุภัณฑ์และสามารถหดแผ่นส่วนประกอบให้มากที่สุด นักออกแบบอาจบีบสิ่งต่างๆให้แน่นขึ้นเล็กน้อยโดยการเปลี่ยนรอยเท้า เนื่องจากความคลาดเคลื่อนของการออกแบบรอยเท้าเริ่มต้นที่พร้อมใช้งานจึงเป็นรอยเท้าทั่วไปที่สามารถรองรับแพ็คเกจเวอร์ชันใดก็ได้ ตัวอย่างเช่นรอยเท้าของแพ็คเกจ 0805 ถูกสร้างขึ้นในลักษณะที่สามารถครอบคลุมรูปแบบต่างๆสำหรับ 0805 ได้มากที่สุดรูปแบบต่างๆเกิดขึ้นเนื่องจากความแตกต่างของความสามารถในการผลิตบริษัท ต่างๆใช้เครื่องจักรการผลิตที่แตกต่างกันซึ่งเคยมีค่าความคลาดเคลื่อนที่แตกต่างกันสำหรับแพ็คเกจ 0805 เดียวกัน ดังนั้นรอยเท้าของแพ็คเกจเริ่มต้นจึงใหญ่กว่าที่จำเป็นเล็กน้อย

คุณสามารถแก้ไขรอยเท้าด้วยตนเองโดยใช้เอกสารข้อมูลของส่วนประกอบเฉพาะและสามารถลดขนาดแผ่นได้ตามต้องการ

ขนาดบอร์ดสามารถหดได้โดยใช้ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรลีติคที่ใช้ SMD เช่นกันเนื่องจากดูเหมือนว่าจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กกว่าชิ้นส่วนทะลุผ่านที่มีพิกัดเดียวกัน

New Age Compact Connecters

ส่วนประกอบอื่นที่หิวโหยคือตัวเชื่อมต่อ ตัวเชื่อมต่อใช้พื้นที่บอร์ดขนาดใหญ่ขึ้นและรอยเท้ายังใช้แผ่นรองที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางสูงขึ้น การเปลี่ยนประเภทขั้วต่อจะมีประโยชน์มากหากการจัดอันดับกระแสและแรงดันอนุญาต

บริษัท ผลิตตัวเชื่อมต่อเช่น Molex หรือ Wurth Electronics หรือ บริษัท ขนาดใหญ่อื่น ๆ มักจะจัดหาตัวเชื่อมต่อประเภทเดียวกันหลายขนาด ดังนั้นการเลือกขนาดที่เหมาะสมจะช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายและพื้นที่บอร์ด

เครือข่ายตัวต้านทาน

โดยส่วนใหญ่ในการออกแบบโดยใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ตัวต้านทานแบบอนุกรมเป็นสิ่งที่จำเป็นเสมอเพื่อป้องกันไมโครคอนโทรลเลอร์จากการไหลของกระแสสูงผ่านพิน IO ดังนั้นจึงต้องใช้ตัวต้านทานมากกว่า 8 ตัวบางครั้งต้องใช้ตัวต้านทานมากกว่า 16 ตัวเป็นตัวต้านทานแบบอนุกรม ตัวต้านทานจำนวนมากดังกล่าวเพิ่มพื้นที่ใน PCB มากขึ้น ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้โดยใช้เครือข่ายตัวต้านทาน เครือข่ายตัวต้านทานแบบแพ็คเกจ 1210 แบบธรรมดาสามารถประหยัดพื้นที่สำหรับตัวต้านทาน 4 หรือ 6 ตัว ภาพด้านล่างคือตัวต้านทาน 5 ตัวในแพ็คเกจ 1206

แพ็กเกจแบบเรียงซ้อนแทนแพ็กเกจมาตรฐาน

มีการออกแบบมากมายที่ต้องใช้ทรานซิสเตอร์หลายตัวหรือแม้กระทั่ง MOSFET มากกว่าสองตัวเพื่อวัตถุประสงค์ที่แตกต่างกัน การเพิ่มทรานซิสเตอร์แต่ละตัวหรือ Mosfets อาจทำให้มีพื้นที่มากกว่าการใช้แพ็คเกจแบบซ้อนกัน

มีตัวเลือกมากมายที่ใช้ส่วนประกอบหลายอย่างในแพ็คเกจเดียว ตัวอย่างเช่นแพ็คเกจ Dual Mosfet หรือ Quad MOSFET ที่มีให้ซึ่งใช้พื้นที่เพียง Mosfet เดียวและสามารถประหยัดพื้นที่บอร์ดได้มาก

เทคนิคเหล่านี้สามารถใช้ได้กับเกือบทุกส่วนประกอบ สิ่งนี้นำไปสู่พื้นที่บอร์ดที่เล็กลงและจุดโบนัสคือบางครั้งต้นทุนของส่วนประกอบเหล่านั้นต่ำกว่าการใช้ส่วนประกอบแต่ละชิ้น

ประเด็นข้างต้นเป็นวิธีที่เป็นไปได้สำหรับการลดขนาด PCB อย่างไรก็ตามต้นทุนความซับซ้อนเทียบกับขนาด PCB มักมีข้อแลกเปลี่ยนที่เกี่ยวข้องกับการตัดสินใจที่สำคัญอยู่เสมอ เราต้องเลือกเส้นทางที่แน่นอนซึ่งขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชันเป้าหมายหรือสำหรับการออกแบบวงจรเป้าหมายเฉพาะนั้น