Ein Leitfaden zum grundlegenden PCB-Layout für jeden Designer

Es kommt häufig vor, dass Ingenieure bei Elektronikprojekten Schaltkreisen, fortschrittlichen Komponenten und Code den Vorzug geben, während das PCB-Layout – ein entscheidendes Element – ​​manchmal übersehen wird. Ein unzureichendes PCB-Layout kann zu Funktions- und Zuverlässigkeitsproblemen führen. Dieser Artikel bietet praktische Ratschläge, um die optimale Funktion und Zuverlässigkeit Ihrer PCB-Projekte zu gewährleisten.

Leiterbahndimensionierung

Kupferleiterbahnen haben einen natürlichen Widerstand, der bei Stromfluss zu Spannungsabfällen, Leistungsverlusten und Temperaturerhöhungen führen kann. PCB-Designer gehen diesem Problem entgegen, indem sie Länge, Dicke und Breite der Leiterbahnen anpassen. Da die physikalischen Eigenschaften von Kupfer festgelegt sind, ist es wichtig, die Leiterbahngröße zu optimieren, um den Widerstand effektiv zu steuern.

Die Leiterbahndicke von Leiterplatten wird in Unzen Kupfer gemessen. Eine Unze Kupfer entspricht beispielsweise einer Dicke von 1,4 Tausendstel Zoll, wenn man von einer gleichmäßigen Verteilung auf einer Fläche von einem Quadratfuß ausgeht. Während viele Designer 1 oz oder 2 oz Kupfer verwenden, können bestimmte Leiterplattenhersteller Dicken von bis zu 6 oz liefern. Es ist wichtig zu beachten, dass die Herstellung feiner Details, wie z. B. eng beieinanderliegender Pins, bei dickerem Kupfer eine Herausforderung darstellen kann. Es ist ratsam, Ihren Leiterplattenhersteller zu konsultieren, um sich über seine Möglichkeiten zu informieren.

Um die optimale Dicke und Breite Ihrer Leiterbahnen zu bestimmen, empfehlen wir Ihnen, einen PCB-Leiterbahnbreitenrechner zu verwenden, der auf Ihrer spezifischen Anwendung basiert. Ziel ist es, einen Temperaturanstieg von etwa 5 °C zu erreichen. Wenn auf der Platine ausreichend Platz vorhanden ist, empfiehlt es sich, breitere Leiterbahnen zu wählen, da diese kostengünstig sind. Es ist zu beachten, dass bei mehrschichtigen Platinen Leiterbahnen auf äußeren Schichten im Vergleich zu Leiterbahnen auf inneren Schichten besser gekühlt werden. Dies liegt daran, dass die Wärme aus den inneren Schichten mehrere Schichten Kupfer und PCB-Material durchlaufen muss, bevor sie abgeführt oder abgeleitet wird.

Halten Sie die Schleifen klein

Es ist ratsam, Schleifen, insbesondere bei hohen Frequenzen, so kompakt wie möglich zu halten. Die Reduzierung der Schleifengröße führt zu einer Verringerung von Induktivität und Widerstand. Die Platzierung der Schleifen über einer Massefläche dient dazu, die Induktivität weiter zu minimieren, was wiederum dazu beiträgt, die Hochfrequenzspannung zu senken. Darüber hinaus minimieren kompakte Schleifen die induktive Kopplung von externen Quellen und die Ausstrahlung vom Knoten, was in den meisten Fällen von Vorteil ist, außer beim Entwurf einer Antenne. Es ist von größter Bedeutung, kleine Schleifen in Operationsverstärkerschaltungen beizubehalten, um zu verhindern, dass Rauschen in die Schaltung eingekoppelt wird.

Platzierung von Entkopplungskondensatoren

Es wird empfohlen, Entkopplungskondensatoren so nah wie möglich an den Strom- und Erdungsanschlüssen integrierter Schaltkreise zu platzieren, um die Entkopplungsleistung zu optimieren. Eine größere Entfernung der Komponenten kann zur Entstehung von Streuinduktivität führen.

Kelvin-Verbindungen

Die Vierpolmessung, auch Kelvinmessung genannt, ist nach William Thomson, Lord Kelvin, benannt, der 1861 die Kelvinbrücke zur präzisen Messung sehr niedriger Widerstände entwickelte. Bei dieser Methode wird jedes Paar Drähte als Kelvin-Verbindung bezeichnet.

Kelvin-Verbindungen sind für präzise Messungen unerlässlich, da sie an genauen Punkten platziert werden, um Streuwiderstand und Induktivität zu minimieren. Wenn Sie beispielsweise einen Strommesswiderstand messen, ist es wichtig, die Verbindungen direkt an den Widerstandspads und nicht an beliebigen Punkten auf den Leiterbahnen zu platzieren. Obwohl das Schema ähnlich aussehen kann, unabhängig davon, ob Verbindungen an den Pads oder anderswo hergestellt werden, ist es wichtig zu beachten, dass echte Leiterbahnen Induktivität und Widerstand aufweisen, die die Messgenauigkeit beeinträchtigen können, wenn keine Kelvin-Verbindungen verwendet werden.

Trennen Sie digitale und verrauschte Spuren von analogen Spuren

Es ist wichtig zu beachten, dass parallele Spuren oder Leiter möglicherweise Kapazitäten erzeugen, die insbesondere bei hohen Frequenzen zu einer kapazitiven Kopplung zwischen Signalen führen können. Um mögliche Probleme mit unerwünschtem Rauschen zu vermeiden, ist es wichtig, eine klare Trennung zwischen hochfrequenten und rauschbehafteten Spuren und den empfindlichen Spuren einzuhalten.

Boden ist nicht Boden

Es ist wichtig zu beachten, dass die Erde kein perfekter Leiter ist. Daher ist es wichtig, störende Erdungen von empfindlichen Signalen fernzuhalten, um eine optimale Signalqualität aufrechtzuerhalten. Es ist wichtig sicherzustellen, dass die Erdungsleitungen breit genug sind, um den erwarteten Stromfluss aufzunehmen. Das Platzieren einer Erdungsebene direkt unter den Signalleitungen ist eine effektive Methode zur Reduzierung der Impedanz, was sich positiv auf die Aufrechterhaltung der Signalintegrität auswirkt.

Via-Größe und -Menge

Durchkontaktierungen tragen zur Gesamtinduktivität und zum Gesamtwiderstand eines Schaltkreises bei. In Fällen, in denen eine Leiterbahn über eine Leiterplatte (PCB) geführt werden muss und eine geringe Induktivität oder ein geringer Widerstand erforderlich ist, ist es ratsam, die Verwendung mehrerer Durchkontaktierungen in Betracht zu ziehen. Größere Durchkontaktierungen verringern den Widerstand und sind daher von unschätzbarem Wert für die Erdung von Filterkondensatoren und Hochstromknoten.

Verwenden der Leiterplatte als Kühlkörper

Es wird empfohlen, zusätzliches Kupfer um oberflächenmontierte Komponenten herum hinzuzufügen, um die Oberfläche für eine effizientere Wärmeableitung zu vergrößern. Es ist üblich, dass Datenblätter von Komponenten, insbesondere von Leistungsdioden, MOSFETs oder Spannungsreglern, Richtlinien für die Nutzung der PCB-Oberfläche als Kühlkörper enthalten.

Thermische Durchkontaktierungen

Durchkontaktierungen erleichtern die Wärmeübertragung von einer Seite einer Leiterplatte zur anderen, was vorteilhaft ist, wenn die Leiterplatte zur besseren Wärmeableitung auf einem Kühlkörper oder Chassis montiert ist. Größere Durchkontaktierungen sind für die Wärmeübertragung effektiver als kleinere. Darüber hinaus ist die Verwendung mehrerer Durchkontaktierungen im Allgemeinen effizienter als die Verwendung einer einzigen Durchkontaktierung. Dies führt zu einer Reduzierung der Betriebstemperatur der Komponenten, was wiederum ihre Zuverlässigkeit erhöht.

Thermische Entlastung

Thermische Entlastung ist eine Löttechnik, die kleine Verbindungen zwischen einer Leiterbahn oder Füllung und einem Bauteilstift verwendet, um den Lötprozess zu optimieren. Diese Verbindungen werden kurz gehalten, um den elektrischen Widerstand zu minimieren, was aus technischer Sicht von Vorteil ist. Ohne thermische Entlastung können Bauteile zwar aufgrund einer direkteren Verbindung zu wärmeableitenden Leiterbahnen oder Füllungen eine bessere Wärmeableitung erreichen, das Löten und Entlöten des Bauteils kann jedoch schwieriger werden.

Abstand zwischen Leiterbahnen und Montagelöchern

Es ist wichtig, den richtigen Abstand zwischen Kupferbahnen oder -füllungen und Montagelöchern einzuhalten, um das Risiko von Stromschlägen zu verringern. Es ist wichtig zu beachten, dass Lötstopplack keine zuverlässige Isolierung bietet. Daher ist es wichtig, sicherzustellen, dass zwischen Kupferflächen und Montageteilen ausreichend Abstand besteht.

Wärmeempfindliche Komponenten

Es ist wichtig, sicherzustellen, dass wärmeempfindliche Komponenten von solchen getrennt sind, die Wärme erzeugen. Beispiele für wärmeempfindliche Komponenten sind Thermoelemente und Elektrolytkondensatoren. Es ist wichtig zu beachten, dass die Platzierung von Thermoelementen in der Nähe von Wärmequellen zu ungenauen Temperaturmessungen führen kann, während die Platzierung von Elektrolytkondensatoren in der Nähe von wärmeerzeugenden Komponenten deren Lebensdauer beeinträchtigen kann. Zu den wärmeerzeugenden Komponenten gehören Brückengleichrichter, Dioden, MOSFETs, Induktoren und Widerstände. Die von diesen Komponenten erzeugte Wärmemenge hängt vom durch sie fließenden Strom ab.

Abschluss

In diesem Artikel wurden wichtige Tipps zum PCB-Layout vorgestellt, die die Funktionalität und Zuverlässigkeit Ihres Designs erheblich verbessern können. Bitte stellen Sie sicher, dass Sie diese Prinzipien bei Ihrer Arbeit anwenden.