دليل تخطيط PCB الأساسي لكل مصمم

ليس من غير المألوف أن يعطي المهندسون الأولوية للدوائر والمكونات المتقدمة والترميز في مشاريع الإلكترونيات، بينما يتم تجاهل تصميم لوحة الدوائر المطبوعة - وهو عنصر بالغ الأهمية - في بعض الأحيان. يمكن أن يؤدي التصميم غير الكافي للوحة الدوائر المطبوعة إلى مشكلات وظيفية وموثوقية. تقدم هذه المقالة نصائح عملية لضمان الأداء الأمثل وموثوقية مشاريع لوحة الدوائر المطبوعة الخاصة بك.

تحديد حجم التتبع

تتمتع مسارات النحاس بمقاومة طبيعية يمكن أن تسبب انخفاض الجهد وتبديد الطاقة وارتفاع درجة الحرارة عندما يتدفق التيار من خلالها. يعالج مصممو لوحات الدوائر المطبوعة هذه المشكلة عن طريق إجراء تعديلات على طول وسمك وعرض المسارات. ونظرًا لأن الخصائص الفيزيائية للنحاس ثابتة، فمن الضروري تحسين حجم المسار من أجل التحكم بشكل فعال في المقاومة.

يتم قياس سمك لوحة الدوائر المطبوعة بالأونصات من النحاس. على سبيل المثال، أونصة واحدة من النحاس تعادل سمك 1.4 ألف من البوصة، على افتراض توزيع متساوٍ على مساحة قدم مربع واحد. في حين يستخدم العديد من المصممين أونصة واحدة أو أونصتين من النحاس، يمكن لمصنعي لوحات الدوائر المطبوعة المختارين توفير سمك يصل إلى 6 أونصات. من المهم ملاحظة أن إنتاج الميزات الدقيقة، مثل الدبابيس المتقاربة، يمكن أن يكون صعبًا مع النحاس الأكثر سمكًا. يُنصح باستشارة الشركة المصنعة للوحة الدوائر المطبوعة من أجل فهم قدراتها.

لتحديد السُمك والعرض الأمثلين للمسارات، نوصي باستخدام حاسبة عرض مسار PCB بناءً على تطبيقك المحدد. والهدف هو تحقيق ارتفاع في درجة الحرارة بمقدار 5 درجات مئوية تقريبًا. إذا كانت هناك مساحة كافية على اللوحة، فمن المستحسن اختيار مسارات أوسع، لأنها فعالة من حيث التكلفة. تجدر الإشارة إلى أنه بالنسبة للوحات متعددة الطبقات، تتمتع المسارات الموجودة على الطبقات الخارجية بتبريد أفضل مقارنة بتلك الموجودة على الطبقات الداخلية. ويرجع هذا إلى حقيقة أن الحرارة من الطبقات الداخلية يجب أن تمر عبر طبقات متعددة من النحاس ومادة PCB قبل تبديدها أو نقلها بعيدًا.

حافظ على الحلقات صغيرة

من المستحسن أن تكون الحلقات، وخاصة عند الترددات العالية، مضغوطة قدر الإمكان. يؤدي تقليل حجم الحلقات إلى انخفاض كل من المحاثة والمقاومة. يساعد وضع الحلقات فوق مستوى الأرض على تقليل المحاثة بشكل أكبر، مما يساعد بدوره على خفض الجهد عالي التردد. بالإضافة إلى ذلك، تعمل الحلقات المضغوطة على تقليل اقتران الحث من المصادر الخارجية والبث من العقدة، وهو أمر مفيد في معظم الحالات، باستثناء عند تصميم الهوائي. من الأهمية بمكان الحفاظ على حلقات صغيرة في دوائر مكبر التشغيل من أجل منع اقتران الضوضاء بالدائرة.

وضع مكثفات الفصل

يوصى بوضع مكثفات فصل التيار بالقرب من أطراف الطاقة والأرض في الدوائر المتكاملة قدر الإمكان لتحسين أداء فصل التيار. قد يؤدي وضع المكونات على مسافة أكبر إلى إدخال محاثة ضالة.

اتصالات كلفن

إن الاستشعار رباعي الأطراف، المعروف أيضًا باسم الاستشعار كلفن، يأخذ اسمه من ويليام تومسون، اللورد كلفن، الذي طور جسر كلفن في عام 1861 لقياس المقاومات المنخفضة جدًا بدقة. في هذه الطريقة، يشار إلى كل زوج من الأسلاك باسم اتصال كلفن.

تعتبر توصيلات كلفن ضرورية لإجراء قياسات دقيقة، حيث يتم وضعها في نقاط دقيقة لتقليل المقاومة الضالة والمحاثة. على سبيل المثال، عند قياس مقاومة استشعار التيار، من الضروري وضع التوصيلات مباشرة عند منصات المقاومة، بدلاً من نقاط عشوائية على المسارات. وبينما قد يبدو الرسم التخطيطي متشابهًا سواء تم إجراء التوصيلات عند المنصات أو في مكان آخر، فمن المهم ملاحظة أن المسارات الحقيقية لها محاثة ومقاومة يمكن أن تؤثر على دقة القياس إذا لم يتم استخدام توصيلات كلفن.

فصل المسارات الرقمية والضوضائية عن المسارات التناظرية

من المهم ملاحظة أن المسارات أو الموصلات المتوازية لديها القدرة على إنشاء سعة، مما قد يؤدي إلى اقتران سعوي بين الإشارات، وخاصة عند الترددات العالية. لتجنب أي مشاكل محتملة مع الضوضاء غير المرغوب فيها، من الضروري الحفاظ على فصل واضح بين المسارات عالية التردد والصاخبة وتلك الحساسة.

الأرض ليست أرضًا

من المهم ملاحظة أن الأرض ليست موصلًا مثاليًا. ونتيجة لذلك، من الضروري توجيه الأراضي الصاخبة بعيدًا عن الإشارات الحساسة من أجل الحفاظ على جودة الإشارة المثلى. ومن الضروري التأكد من أن مسارات الأرض واسعة بما يكفي لاستيعاب تدفق التيار المتوقع. يعد وضع مستوى أرضي مباشرة أسفل مسارات الإشارة طريقة فعالة لتقليل المعاوقة، وهو أمر مفيد للحفاظ على سلامة الإشارة.

حسب الحجم والكمية

تساهم الفتحات في زيادة المحاثة والمقاومة الكلية للدائرة. في الحالات التي يتعين فيها توجيه مسار عبر لوحة دوائر مطبوعة (PCB) ويتطلب الأمر محاثة أو مقاومة منخفضة، فمن المستحسن التفكير في استخدام فتحات متعددة. تعمل الفتحات الأكبر على تقليل المقاومة، مما يجعلها أصلًا لا يقدر بثمن لتأريض مكثفات المرشح والعقد ذات التيار العالي.

استخدام PCB كمبدد للحرارة

يُنصح بإضافة المزيد من النحاس حول مكونات التركيب السطحي لزيادة مساحة السطح من أجل تبديد الحرارة بكفاءة أكبر. ومن الممارسات الشائعة أن تقدم أوراق بيانات المكونات، وخاصة تلك المتعلقة بثنائيات الطاقة أو الترانزستورات المعدنية أو منظمات الجهد، إرشادات لاستخدام مساحة سطح لوحة الدوائر المطبوعة كمشتت حراري.

الممرات الحرارية

تسهل الفتحات نقل الحرارة من أحد جانبي لوحة الدوائر المطبوعة إلى الجانب الآخر، وهو أمر مفيد عندما يتم تثبيت لوحة الدوائر المطبوعة على مبدد حراري أو هيكل لتعزيز تبديد الحرارة. من الأكثر فعالية استخدام فتحات أكبر لنقل الحرارة من الفتحات الأصغر. علاوة على ذلك، فإن استخدام فتحات متعددة يكون أكثر كفاءة بشكل عام من الاعتماد على فتحة واحدة. يؤدي هذا إلى انخفاض درجة حرارة تشغيل المكونات، مما يعزز بدوره موثوقيتها.

تخفيف الحرارة

إن التخفيف الحراري هو تقنية لحام تستخدم وصلات صغيرة بين أثر أو حشو ودبوس مكون لتبسيط عملية اللحام. يتم الحفاظ على هذه الوصلات قصيرة لتقليل المقاومة الكهربائية، وهو أمر مفيد من وجهة نظر هندسية. بدون التخفيف الحراري، في حين أن المكونات قد تحقق تبديدًا حراريًا أفضل بسبب اتصال أكثر مباشرة بآثار أو حشو تبديد الحرارة، فإن لحام المكون وفك لحامه قد يصبح أكثر تحديًا.

المسافة بين المسارات وفتحات التركيب

من المهم الحفاظ على مسافة مناسبة بين مسارات النحاس أو الحشوات وفتحات التثبيت من أجل تقليل مخاطر الصدمات الكهربائية. من المهم ملاحظة أن قناع اللحام لا يوفر عزلًا موثوقًا به. لذلك، من الضروري التأكد من وجود مسافة كافية بين مناطق النحاس وأدوات التثبيت.

المكونات الحساسة للحرارة

من المهم التأكد من فصل المكونات الحساسة للحرارة عن تلك التي تولد الحرارة. ومن أمثلة المكونات الحساسة للحرارة أجهزة قياس الحرارة والمكثفات الكهروليتية. ومن المهم ملاحظة أن وضع أجهزة قياس الحرارة بالقرب من مصادر الحرارة يمكن أن يؤدي إلى قراءات غير دقيقة لدرجة الحرارة، في حين أن وضع المكثفات الكهروليتية بالقرب من المكونات المولدة للحرارة يمكن أن يكون له تأثير ضار على عمرها الافتراضي. تشمل المكونات المولدة للحرارة مقومات الجسر والثنائيات وترانزستورات MOSFET والمحثات والمقاومات. تعتمد كمية الحرارة التي تنتجها هذه المكونات على التيار المتدفق من خلالها.

خاتمة

لقد قدمت هذه المقالة نصائح أساسية حول تصميم لوحة الدوائر المطبوعة والتي يمكنها أن تعمل على تحسين وظائف وموثوقية تصميمك بشكل كبير. يرجى التأكد من تطبيق هذه المبادئ في عملك.