实用|成功PCB设计之,基于约束的设计要点和方法

文摘   2024-10-23 06:52   广东  
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作为现代电子产品的支柱,PCB 为我们的日常设备(从智能手机到笔记本电脑)注入了活力。打造可靠且功能齐全的 PCB 不仅仅是连接组件。它需要对各个方面有细致的理解,以实现最佳性能和可制造性。这项工作的核心是基于约束的 PCB 设计,这是一种精心管理 PCB 物理和电气特性的战略方法。这些限制不仅可以防止制造陷阱,还可以确保电气实力,最终使产品不仅符合标准,而且设定了新标准。在这篇文章中,我们将探讨 PCB 约束以及它们如何在确保成功设计方面发挥关键作用。
把握基于约束的 PCB 设计
基于约束的设计涉及定义决定 PCB 构建方式的参数。这些约束包括多个方面,包括电气、物理和制造考虑因素。在设计过程的早期考虑约束至关重要,因为它为符合项目要求和最终目标的成功设计奠定了基础。
基于约束的 PCB 设计类似于大师编排交响乐。它平衡了众多要求,以塑造整个设计过程,确保和谐的结果。这些约束可能会有所不同:
  • 电气约束:
    • 走线宽度和间距:定义走线的宽度和间距,以确保适当的载流能力并避免短路。
    • 通孔尺寸和类型:根据设计要求和制造能力指定过孔的尺寸和类型。
    • 阻抗控制:确保走线设计为具有特定的阻抗值,这对于高速设计至关重要。
    • 清仓:定义不同电气实体(如走线、焊盘、过孔)之间的最小距离,以避免短路。
    • 高速约束:与高速电路设计相关的规则,包括长度匹配、差分对布线和相位控制。

  • 物理约束:
    • 板尺寸:指定 PCB 的大小和形状。
    • 层叠:定义 PCB 中铜层和绝缘层的数量和排列。
    • 元件放置:提供在电路板上放置元件的指南,确保它们不会相互干扰,并遵守热和机械注意事项。
    • 热约束:确保产生高温的区域有足够的散热,包括使用散热器或热通孔。

  • 可制造性约束 (Design for Manufacturability - DFM):
    • 阻焊间隙:确保适当应用阻焊层,以避免在焊接过程中发生短路。
    • 丝网印刷重叠:确保元件标签或其他丝印元件不与焊盘或过孔重叠。
    • 孔尺寸:根据制造能力指定钻孔的最小和最大尺寸。
    • 环形戒指尺寸:定义钻孔周围铜环的最小宽度。
    • 铜到边缘间隙:定义 PCB 边缘与任何铜特征之间所需的最小距离。

  • 装配约束 (装配设计 - DFA):
    • 组件方向:确保组件方向正确,以便进行自动装配。
    • 零部件间隙:确保组件之间有足够的空间,以便组装并避免干扰。
    • 极性和引脚 1 指示灯:标记零部件以确保在装配过程中正确放置零部件的准则。

  • 可靠性约束:
    • 弯曲和弯曲: 定义在 Flex PCB 中可以弯曲和不能弯曲的区域。
    • 振动和冲击: 确保组件能够承受特定振动和冲击水平的限制,尤其是在恶劣的应用中。

  • 测试约束(测试设计 - DFT):
    • 测试点要求:指定在线测试的测试点的数量和位置。
    • 访问探测:确保测试设备在测试期间可以访问关键节点。

  • 环境和法规限制:
    • RoHS/无铅设计:确保 PCB 的设计符合环境法规,如有害物质限制 (RoHS)。
    • 电磁兼容性 (EMC):确保设计符合电磁干扰 (EMI) 和敏感性要求。


基于约束的 PCB 设计的优势

  • 增强的信号完整性和可靠性
在电子领域,信号完整性至关重要。基于约束的设计可最大限度地减少电磁干扰 (EMI),并确保为阻抗控制提供正确的走线布线。通过优化接地层和电源层,降低了噪声,从而提高了信号可靠性。
  • 改进的热管理
高效散热是紧凑型电子产品的一项挑战。基于约束的设计通过战略性地放置组件、利用散热和集成传感器进行实时温度监控来解决这个问题。这可确保设备保持最佳工作温度。
  • 简化制造和装配
可制造性设计 (DFM) 是一个关键概念。基于约束的设计包括元件放置规则,可促进自动装配,减少错误。通过考虑各种焊接和组装技术,制造变得更加无缝。
  • 更快的上市时间
在竞争激烈的电子产品市场中,时间至关重要。基于约束的设计通过仿真及早识别缺陷,减少了对无数次设计迭代的需求。涉及跨职能团队的协作设计也加快了这一过程。
  • 节省成本
重新设计既昂贵又耗时。基于约束的设计通过确保初始设计符合要求来最大限度地减少这些变化。高效的布局优化了素材的使用,无需进行昂贵的后期制作修改。
  • 合规性和标准
子产品必须遵守监管标准。基于约束的设计有助于在设计时考虑 EMC、安全和其他行业标准。这简化了认证过程并确保产品符合法律要求。
实施方法
设计规则检查 (DRC) 是 PCB 设计过程中的基本步骤。它涉及根据一组预定义的规则检查设计,以确保 PCB 功能强大、可制造且可靠。在 PCB 设计过程中实施 DRC 有助于在制造之前发现错误,减少代价高昂的重新设计和潜在的功能问题。
以下是有关如何在 PCB 设计中实现 DRC 的分步指南:
  1. 了解制造能力:
  • 首先从 PCB 制造商那里收集功能和约束。这可能包括与走线宽度和间距、过孔尺寸、孔尺寸、环形环尺寸以及设置设计以取得成功所需的任何规则。
  • 在 PCB 设计软件中设置设计规则:
    • 大多数现代 PCB 设计工具都包括设计规则设置或配置部分;
    • 输入制造商的约束条件和特定设计所需的任何其他规则。这可能包括电气规则、高速规则、热规则等。
  • 特定于图层的规则:
    • 某些规则特定于某些图层。例如,与内部图层相比,顶部图层和底部图层可能具有不同的描线宽度和间距规则。确保定义这些特定于图层的规则。
  • 运行 DRC:
    • 设置规则后,您可以运行 DRC。这通常会根据您设置的规则生成违规或错误列表;
    • 一些常见的违规可能包括走线宽度违规、间隙违规、未连接的网络和重叠的元件。
  • 查看并解决违规行为:
    • 对于每种违规,PCB 设计软件通常会提供描述和视觉指示,说明问题在电路板上的位置;
    • 检查每个违规并更正设计中的问题。这可能涉及移动元件、重新布线或调整设计规则(如果设置不正确)。
  • 迭代过程:
    • 更正已知违规后,再次运行 DRC 以确保没有引入新问题并且之前的所有问题都已解决;
    • 这可能需要重复多次,直到没有发现冲突。
  • 额外检查:
    • 除了标准 DRC 之外,还可以考虑运行其他检查,例如电气规则检查 (ERC) 来捕获逻辑和连接错误,或运行差分对布线检查来捕获高速设计。
  • 记录任何故意的违规行为:
    • 在某些情况下,您可能会选择故意违反特定设计要求的规则。在这种情况下,必须记录此决定,解释理由并确保制造商了解它。
  • 与制造商合作:
    • 在完成设计之前,将设计文件发送给制造商进行审核可能会有所帮助。他们可能会运行自己的 DRC 并根据其特定的制造流程提供反馈。
  • 保持更新:
    • 制造能力和标准会随着时间的推移而变化。定期审查和更新您的设计规则,以确保它们符合最新功能和行业最佳实践。
    结束语
    电子世界瞬息万变,创新以极快的速度出现。其中,基于约束的 PCB 设计成为一盏明灯,为设计人员照亮了道路。通过精心定义、应用和验证约束,设计师可以制作出不仅功能强大,而且高效、经济且质量卓越的 PCB。在一个精度和速度至关重要的时代,您能负担得起任何其他设计方式吗?
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