Bir PCB kartının performansı %70 oranında yerleşim tasarımına bağlıdır. Aynı şema, normal çalışmaya veya farklı yerleşim düzenleri ve yönlendirmelerle sık sık arızalara yol açabilir, hatta kararlılığı, EMC uyumluluğunu ve üretim verimini doğrudan etkileyebilir. İster PCB tasarımında acemi olun, ister optimizasyon çözümleri arayan deneyimli bir mühendis olun, aşağıdaki önemli noktalarda uzmanlaşmak sizi tasarım sürecinizdeki sorunlardan %90 oranında kurtarabilir.

I. Tasarım Öncesi Hazırlık: Sağlam Bir Temel Atmak ve Yeniden Çalışmalardan Kaçınmak için 3 Adım

1. Tasarım Kısıtlamalarını Tanımlayın: PCB kartının fiziksel boyutlarını, katman sayısını (tek/çift/çok katmanlı kart seçimi), empedans gereksinimlerini (örneğin, 50Ω yüksek hızlı sinyal, 90Ω diferansiyel sinyal), güç rayı voltaj düşüş limitlerini, EMC standartlarını (CE/FCC, vb.) ve üretim süreci parametrelerini (minimum iz genişliği, iz aralığı, boyuta göre) önceden onaylayın. İhlalleri en başından önlemek için bu kısıtlamaları Tasarım Kurallarına (DRC) yazın.

2. Şematik İnceleme ve Optimizasyon

Düzenlemeden önce ikinci bir şematik inceleme gereklidir: Gereksiz kavşaklardan kaçınarak güç, zemin ve sinyal yollarını rasyonellik açısından kontrol edin; sonraki yerleşim planlaması için mantıksal temel sağlamak amacıyla işlevsel modülleri (güç modülleri, yüksek hızlı arayüzler ve analog devreler gibi) gruplandırın; Düzenleme sırasında odaklanmış kontrol için tuş sinyallerini (saat ve diferansiyel çiftleri gibi) etiketleyin.

3. Bileşen Seçimi ve Paket Onayı
Standartlaştırılmış paketlere ve makul pin aralıklarına sahip bileşenlere öncelik verin (lehimleme zorluğunu artıran 0,4 mm'nin altındaki ince aralıklı paketlerden kaçının); Yanlış paketleme doğrudan tasarım hatasına yol açabileceğinden, özellikle BGA ve QFP gibi hassas bileşenler için paket kitaplığının (pin tanımları, serigrafi konumları, ped boyutları) doğruluğunu onaylayın.

II. Yerleşim Tasarımı: "Bölgeleme, Yakınlık ve Isı Dağıtımı"nın Üç İlkesini Takip Edin

1. Fonksiyonel İmar Düzeni

Sinyal türüne ve işlevine göre düzeni alt bölgelere ayırın: Analog alan (ADC/DAC, sensörler), Dijital alan (MCU, FPGA), Güç alanı (güç yongaları, indüktörler, kapasitörler), Arayüz alanı (USB, Ethernet, RF). Dijital sinyallerin analog sinyallere karışmasını önlemek için her alan arasında izolasyon bantları (≥3 mm önerilir) ayırın.

2. Kritik Bileşenlerin Düzenine Öncelik Verin: Güç yolu uzunluğunu azaltmak için güç kaynağı yongalarını (LDO, DC-DC) yükün yakınına yerleştirin; Tam bir filtreleme devresi oluşturmak için indüktörleri ve kapasitörleri güç kaynağı çip pinlerinin yakınına yerleştirin ("uçan kablo" düzenlerinden kaçının).

İletim yolunu kısaltmak ve girişim bağlantısını azaltmak için yüksek hızlı sinyal kaynaklarını (kristal osilatörler ve saat çipleri gibi) alıcının yakınına yerleştirin; kristal osilatör muhafazasını topraklayın ve çevresinde ≥5mm'lik bakırsız bir alan bırakın.

Isı üreten bileşenleri (güç transistörleri ve LED sürücüleri gibi) hassas bileşenlerden (MCU'lar ve sensörler gibi) uzak tutun ve ısı dağıtımı için yeterli alan sağlayın; gerekirse bakır kaplı ısı emiciler tasarlayın.

3. Yerleşim Mantıklılığını Kontrol Edin: Bileşen pimlerinin engellenmediğinden ve serigrafi işaretlerinin açıkça okunabildiğinden emin olun; delik içi bileşen aralığının ≥2,5 mm olduğundan ve yüzeye monte bileşen aralığının ≥0,5 mm olduğundan emin olun; Kolay takma, çıkarma ve yönlendirme için konnektörleri ve arayüz bileşenlerini PCB kenarına yakın yerleştirin.

III. Kablolama Tasarımı: Empedans ve EMC dikkate alınarak Çekirdek olarak "Kısa, Düz ve Pürüzsüz".

1. Temel Kablolama Kuralları: Kritik sinyallerin (saat, diferansiyel çiftler, yüksek hızlı veri sinyalleri), ardından genel sinyallerin yönlendirilmesine öncelik verin; Güç ve toprak hatları, istikrarlı güç kaynağı sağlamak için sinyal hatlarına göre önceliklidir.

Gereksiz kıvrımlardan ve yollardan kaçınarak kabloları mümkün olduğunca kısa ve düz tutun; bükülmeler gerekiyorsa, 45°'lik açılar veya yuvarlatılmış kenarlar kullanın ve 90°'lik dik açılardan kaçının (sinyal yansımasını ve EMC radyasyonunu azaltmak için).

İz Genişliği Eşleştirme: Akıma göre iz genişliğini seçin (örneğin, 1A akım 1 mm iz genişliğine karşılık gelir, 0,5A 0,5 mm'ye karşılık gelir, sinyal iz genişliğinin 0,2-0,3 mm olması önerilir); diferansiyel sinyal iz genişliği ve aralığı, empedans gerekliliklerine sıkı sıkıya bağlı olmalıdır (örneğin, USB 3.0 diferansiyel çiftleri, 0,2 mm'lik bir iz genişliği ve 0,4 mm'lik bir aralık gerektirir).

2. Yüksek Hızlı Sinyal Yönlendirmede Önemli Noktalar
Diferansiyel sinyaller (HDMI, PCIe ve Ethernet gibi) eşit uzunlukta, paralel olmalı ve uzunluk farkı 5 mm dahilinde kontrol edilecek şekilde sıkı bir şekilde bağlanmış olmalıdır. Dallanmaktan veya via kullanmaktan kaçının.

Birden fazla yükün doğrudan paralel bağlantısını önlemek için saat sinyallerinde yıldız veya zincirleme topoloji kullanılmalıdır. Koruma oluşturmak ve karışmayı azaltmak için saat hattının etrafında toprak bakır kullanın.

Yüksek hızlı sinyaller bölünmüş alanları (güç ve yer düzlemleri gibi) geçmekten kaçınmalıdır; aksi takdirde referans düzlemini bozacak ve sinyal bütünlüğü sorunlarına neden olacaktır.

3. Yönlendirme Tuzaklarından Kaçınma Yönergeleri
Sinyal hatlarının güç veya yer düzlemi ayrımlarından geçmesine izin verilmez. Geçiş kaçınılmazsa, referans düzlemine bağlanmak için geçiş noktasına bir geçiş noktası eklenmelidir.

Farklı katmanlardaki sinyal hatlarının uzun süre paralel yönlendirilmesinden kaçının (katmanlar arası karışmayı azaltmak için). Aynı katmandaki paralel sinyal hatları arasındaki mesafe, hat genişliğinin ≥3 katı olmalıdır.

Ne kadar az yol olursa o kadar iyi. Kritik sinyaller ideal olarak 2'den fazla yola sahip olmamalıdır (parazit indüktans ve kapasitans sağlayan yollar, sinyal bütünlüğünü etkiler).

IV. Topraklama Tasarımı: "Tek Noktadan Topraklama" ve "Çok Noktadan Topraklama"nın Esnek Uygulaması

4. Topraklama Prensipleri Topraklamanın özü "topraklama döngüsü alanını azaltmak" ve toprak potansiyeli farklılıklarından kaynaklanan parazitleri önlemektir. Analog toprak ve dijital toprak ayrı ayrı kablolanmalı ve sonuçta güç kaynağında tek bir noktaya bağlanmalıdır (örneğin, 0Ω direnç, ferrit boncuk veya doğrudan bağlantı yoluyla). Analog ve dijital toprakların doğrudan karıştırılması yasaktır.

1. Farklı Topraklama Tasarımı Türleri

Sinyal Topraklaması: Sinyaller arasındaki karışmayı azaltmak için tüm sinyal topraklarını ortak bir topraklama noktasına bağlayan "yıldız topraklamayı" kullanın.

Güç Topraklaması: Topraklama yolunu kısaltmak ve topraklama empedansını azaltmak için güç yongalarının ve filtre kapasitörlerinin topraklama terminallerini en yakın güç topraklama düzlemine bağlayarak "çok noktalı topraklama" kullanın.

Koruyucu Toprak: Metal mahfazaların ve koruyucu kapakların topraklaması güvenilir olmalı, ≤1Ω topraklama direncine sahip olmalı ve "yüzen toprak" oluşumunu önlemelidir (yüzen toprak, statik elektrik birikmesine eğilimlidir, bu da EMC arızalarına yol açar).

2. Yer Düzlemi Tasarım Teknikleri
Çok katmanlı kartların "güç düzlemi + zemin düzlemi" yığın yapısı (örneğin, Üst - Güç - GND - Alt) kullanılması önerilir. Düşük empedanslı bir referans düzlemi oluşturmak için toprak düzlemi tamamen bakır kaplı olmalıdır. Tek katmanlı veya çift katmanlı levhalar, bir "ızgara zemin" veya "geniş alanlı zemin düzlemi" kullanarak ve topraklama etkinliğini artırmak için üst ve alt zemin katmanlarını kanallar aracılığıyla birbirine bağlayarak toprak bakır alanını maksimuma çıkarmalıdır.

V. Güç Kaynağı Tasarımı: Filtreleme, Ayırma ve Gerilim Düzenlemenin Tamamı Önemlidir

1. Güç Kaynağı Filtreleme ve Ayırma
Anlık akım besleme sorunlarını gidermek için her aktif cihazın (MCU, çip) güç pininin yanına, pin ve toprak düzlemine yakın bir 0,1μF seramik kapasitör (dekuplaj kapasitörü) yerleştirilmelidir. Düşük frekanslı ve yüksek frekanslı gürültüyü filtrelemek için güç girişine 10μF elektrolitik kapasitör + 0.1μF seramik kapasitör yerleştirilmelidir.

DC-DC güç kaynağının giriş ve çıkış terminallerine sırasıyla elektrolitik kapasitörler ve seramik kapasitörler yerleştirilmelidir. Manyetik bağlantı girişimini önlemek için indüktör terminalleri hassas sinyallerden uzak tutulmalıdır.

2. Güç Rayının Yönlendirilmesi
Yüksek akımlı güç rayları (pil gücü ve motor sürücüleri gibi), voltaj düşüşünü ve ısı oluşumunu azaltmak için geniş hatlar veya bakır kaplama kullanmalıdır; kısa devreleri önlemek için birden fazla güç rayı arasında izolasyon şeritleri ayrılmalıdır; Güç bölümlendirmesinde, net ayırma çizgileri olan "ada tarzı" bir tasarım benimsenmeli ve sinyal hatlarının bunların üzerinden geçmesine izin verilmemelidir.

VI. EMC Optimizasyonu: Düzen Kaynağından Gelen Elektromanyetik Parazitlerin Azaltılması

1. Koruyucu Tasarım
Hassas devreler (RF alıcıları ve analog sinyal işleme gibi) iyi topraklanmış metal koruyucu kapaklar kullanmalıdır; yüksek hızlı sinyal ve güç hatları, kendileriyle hassas hatlar arasında yeterli mesafeyi (≥10mm) korumalı veya toprak bakırıyla izole edilmelidir.

2. Filtreleme ve Topraklama Optimizasyonu
Arayüz devreleri (USB, Ethernet, güç arayüzleri), ortak mod girişimini bastırmak için seri ortak mod indüktörleri ve paralel TVS diyotlarını kullanmalıdır; Harici arayüzlerin tüm sinyal hatları PCB'den dışarı çıkarılmadan önce filtrelenmelidir.

3. Radyasyon Kaynaklarını Azaltın
Uzun paralel kablolardan, sonlandırılmamış iletim hatlarından ve asılı bakırın geniş alanlarından kaçının. Saat sinyallerini ve yüksek hızlı sinyalleri mümkün olduğu kadar kısa tutun ve elektromanyetik radyasyonu azaltan bir "mikroşerit hattı" yapısı oluşturmak için bunları yer düzlemleriyle çevreleyin.

VII. Tasarım Sonrası Denetim: Üretilebilirliği ve Gizli Tehlikelerin Olmamasını Sağlamak İçin 3 Temel Adım

1. DRC Kural Kontrolü
Düzen tamamlandıktan sonra, ihlal olmadığından emin olmak için iz genişliği, iz aralığı, boyut, bileşen aralığı, empedans uyumu vb.nin tasarım kurallarına uygun olup olmadığına odaklanan bir DRC kontrolü gerçekleştirilmelidir.

2. Sinyal Bütünlüğü ve EMC Simülasyonu
Yüksek hızlı PCB'ler (örn. ≥100MHz sinyaller) için yansımaları, karışmayı, zamanlama sorunlarını vb. kontrol etmek için sinyal bütünlüğü simülasyonu (SI) önerilir. Karmaşık ürünler, girişim sorunlarını erken tespit etmek ve çözmek için EMC simülasyonuna (örn. yayılan emisyonlar, elektrostatik deşarj) ihtiyaç duyar.

3. Üretilebilirlik Kontrolü (DFM)
Görüntü Boyutu: ≥0,8 mm'lik delikli geçişler, ≥0,3 mm'lik yüzeye montajlı geçişler, delme zorluklarına neden olan aşırı küçük geçişlerden kaçınır.

Lehim maskesi ve serigrafi: Bakırın açığa çıkmasını önlemek için lehim maskesi açıklıkları pedleri kapatmalıdır; serigrafi pedleri veya kanalları kapatmamalı ve karakterler açıkça okunabilir olmalıdır.

Panel tasarımı: Panelleştirme gerekiyorsa, V-kesimli yuvaları veya damga deliklerini ayırın ve kolay SMT üretimi için panel kenarlarında ≥3 mm'lik bir işlem kenarı bırakın.