คู่มือการออกแบบ PCB ที่จำเป็นสำหรับนักออกแบบทุกคน

วิศวกรมักให้ความสำคัญกับวงจร ส่วนประกอบขั้นสูง และโค้ดในโครงการอิเล็กทรอนิกส์เป็นอันดับแรก ในขณะที่เค้าโครง PCB ซึ่งเป็นองค์ประกอบสำคัญ กลับถูกมองข้ามไป เค้าโครง PCB ที่ไม่เหมาะสมอาจส่งผลให้เกิดปัญหาด้านการทำงานและความน่าเชื่อถือ บทความนี้ให้คำแนะนำที่เป็นประโยชน์เพื่อรับประกันการทำงานและความน่าเชื่อถือที่เหมาะสมที่สุดของโครงการ PCB ของคุณ

การกำหนดขนาดรอย

ทองแดงมีค่าความต้านทานตามธรรมชาติซึ่งอาจทำให้เกิดแรงดันไฟตก สูญเสียพลังงาน และอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน นักออกแบบ PCB แก้ไขปัญหานี้โดยปรับความยาว ความหนา และความกว้างของทองแดง เนื่องจากคุณสมบัติทางกายภาพของทองแดงคงที่ จึงจำเป็นต้องปรับขนาดของทองแดงให้เหมาะสมเพื่อควบคุมความต้านทานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ความหนาของรอยวงจร PCB วัดเป็นออนซ์ของทองแดง ตัวอย่างเช่น ทองแดง 1 ออนซ์เทียบเท่ากับความหนา 1.4 พันส่วนต่อนิ้ว โดยถือว่ามีการกระจายสม่ำเสมอในพื้นที่ 1 ตารางฟุต แม้ว่านักออกแบบหลายคนจะใช้ทองแดง 1 ออนซ์หรือ 2 ออนซ์ แต่ผู้ผลิต PCB บางรายสามารถผลิตทองแดงที่มีความหนาได้ถึง 6 ออนซ์ สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าการผลิตคุณสมบัติที่ละเอียดอ่อน เช่น พินที่อยู่ห่างกันมาก อาจเป็นเรื่องท้าทายหากใช้ทองแดงที่หนากว่า ขอแนะนำให้ปรึกษาผู้ผลิต PCB ของคุณเพื่อทำความเข้าใจเกี่ยวกับความสามารถของพวกเขา

ในการกำหนดความหนาและความกว้างที่เหมาะสมที่สุดสำหรับรอยเชื่อมของคุณ เราขอแนะนำให้ใช้เครื่องคำนวณความกว้างของรอยเชื่อมบน PCB โดยอิงตามการใช้งานเฉพาะของคุณ เป้าหมายคือทำให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นประมาณ 5°C หากมีพื้นที่เพียงพอบนบอร์ด ขอแนะนำให้เลือกรอยเชื่อมที่มีความกว้างมากขึ้น เนื่องจากจะคุ้มต้นทุน โปรดทราบว่าสำหรับบอร์ดหลายชั้น รอยเชื่อมบนชั้นนอกจะระบายความร้อนได้ดีกว่าชั้นใน เนื่องจากความร้อนจากชั้นในจะต้องผ่านชั้นทองแดงและวัสดุ PCB หลายชั้นก่อนจึงจะระบายออกหรือถ่ายเทออกไปได้

รักษาลูปให้เล็ก

ขอแนะนำให้รักษาลูปให้มีขนาดเล็กที่สุด โดยเฉพาะที่ความถี่สูง การลดขนาดลูปจะส่งผลให้ค่าเหนี่ยวนำและความต้านทานลดลง การวางลูปไว้เหนือระนาบกราวด์จะช่วยลดค่าเหนี่ยวนำลงอีก ซึ่งจะช่วยลดแรงดันไฟฟ้าความถี่สูง นอกจากนี้ ลูปขนาดกะทัดรัดยังช่วยลดการเหนี่ยวนำจากแหล่งภายนอกและการออกอากาศจากโหนด ซึ่งเป็นประโยชน์ในกรณีส่วนใหญ่ ยกเว้นเมื่อออกแบบเสาอากาศ เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งที่จะต้องรักษาลูปขนาดเล็กในวงจรออปแอมป์เพื่อป้องกันไม่ให้สัญญาณรบกวนถูกเชื่อมต่อเข้ากับวงจร

การวางตัวเก็บประจุแบบแยกส่วน

ขอแนะนำให้วางตัวเก็บประจุแยกสายให้ใกล้กับพินไฟฟ้าและกราวด์ของวงจรรวมให้มากที่สุดเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการแยกสาย การวางตำแหน่งส่วนประกอบให้ห่างกันมากขึ้นอาจส่งผลให้เกิดการเหนี่ยวนำหลงทาง

การเชื่อมต่อเคลวิน

การตรวจจับสี่ขั้ว หรือที่เรียกว่าการตรวจจับเคลวิน ได้ชื่อมาจากวิลเลียม ทอมสัน ลอร์ดเคลวิน ผู้พัฒนาสะพานเคลวินในปี 1861 เพื่อการวัดความต้านทานต่ำมากอย่างแม่นยำ ในวิธีนี้ สายไฟแต่ละคู่จะเรียกว่าการเชื่อมต่อเคลวิน

การเชื่อมต่อเคลวินมีความจำเป็นสำหรับการวัดที่แม่นยำ เนื่องจากการเชื่อมต่อนี้จะต้องวางในจุดที่แน่นอนเพื่อลดความต้านทานและความเหนี่ยวนำที่หลงเหลือ ตัวอย่างเช่น เมื่อวัดตัวต้านทานตรวจจับกระแส จำเป็นต้องวางการเชื่อมต่อโดยตรงที่แผ่นตัวต้านทาน แทนที่จะวางที่จุดใดก็ได้บนเส้นวงจร แม้ว่าแผนผังอาจดูคล้ายกันไม่ว่าจะทำการเชื่อมต่อที่แผ่นตัวต้านทานหรือที่อื่นก็ตาม แต่สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าเส้นวงจรจริงมีค่าเหนี่ยวนำและความต้านทาน ซึ่งอาจส่งผลต่อความแม่นยำในการวัดได้ หากไม่ใช้การเชื่อมต่อเคลวิน

แยกร่องรอยดิจิตอลและสัญญาณรบกวนจากร่องรอยอนาล็อก

สิ่งสำคัญที่ต้องทราบคือ วงจรขนานหรือตัวนำมีศักยภาพในการสร้างความจุ ซึ่งอาจส่งผลให้เกิดการจับคู่แบบเก็บประจุระหว่างสัญญาณ โดยเฉพาะที่ความถี่สูง เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาที่อาจเกิดขึ้นจากสัญญาณรบกวนที่ไม่ต้องการ จำเป็นต้องรักษาการแยกสัญญาณความถี่สูงและสัญญาณรบกวนออกจากสัญญาณที่มีความละเอียดอ่อนอย่างชัดเจน

พื้นดินไม่ใช่พื้นดิน

สิ่งสำคัญที่ต้องทราบคือกราวด์ไม่ใช่ตัวนำที่สมบูรณ์แบบ ดังนั้น จึงมีความจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องกำหนดเส้นทางกราวด์ที่มีสัญญาณรบกวนให้ห่างจากสัญญาณที่อ่อนไหว เพื่อรักษาคุณภาพสัญญาณให้เหมาะสม จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องแน่ใจว่ารอยกราวด์มีความกว้างเพียงพอที่จะรองรับการไหลของกระแสไฟฟ้าที่คาดว่าจะเกิดขึ้น การวางระนาบกราวด์ไว้ใต้รอยสัญญาณโดยตรงเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการลดความต้านทาน ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณ

ผ่านขนาดและปริมาณ

Vias ช่วยเพิ่มค่าเหนี่ยวนำและความต้านทานโดยรวมของวงจร ในกรณีที่ต้องเดินวงจรผ่านแผงวงจรพิมพ์ (PCB) และต้องใช้ค่าเหนี่ยวนำหรือความต้านทานต่ำ แนะนำให้ใช้ Vias หลายตัว Vias ที่มีขนาดใหญ่กว่าจะลดความต้านทาน ทำให้ Vias มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการต่อตัวเก็บประจุตัวกรองและโหนดกระแสสูงลงดิน

การใช้ PCB เป็นตัวระบายความร้อน

ขอแนะนำให้เพิ่มทองแดงรอบ ๆ ส่วนประกอบที่ติดตั้งบนพื้นผิวเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวเพื่อให้ระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น โดยทั่วไปแล้ว แผ่นข้อมูลส่วนประกอบ โดยเฉพาะที่เกี่ยวข้องกับไดโอดกำลัง MOSFET หรือตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า มักจะให้แนวทางสำหรับการใช้พื้นที่ผิว PCB เป็นฮีตซิงก์

ช่องทางความร้อน

Vias ช่วยให้ถ่ายเทความร้อนจากด้านหนึ่งของ PCB ไปยังอีกด้านหนึ่งได้สะดวกขึ้น ซึ่งถือเป็นข้อได้เปรียบเมื่อติดตั้ง PCB ไว้บนแผ่นระบายความร้อนหรือแชสซีเพื่อการกระจายความร้อนที่ดีขึ้น การใช้ vias ขนาดใหญ่กว่าจะถ่ายเทความร้อนได้มีประสิทธิภาพมากกว่า via ขนาดเล็ก นอกจากนี้ การใช้ vias หลายอันมักจะมีประสิทธิภาพมากกว่าการใช้ via เพียงอันเดียว ส่งผลให้อุณหภูมิในการทำงานของส่วนประกอบลดลง ซึ่งจะช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือของส่วนประกอบนั้นๆ

การบรรเทาความร้อน

การระบายความร้อนเป็นเทคนิคการบัดกรีที่ใช้การเชื่อมต่อเล็กๆ ระหว่างรอยเชื่อมหรือฟิลเลอร์กับพินส่วนประกอบเพื่อให้กระบวนการบัดกรีมีประสิทธิภาพมากขึ้น การเชื่อมต่อเหล่านี้จะถูกทำให้สั้นลงเพื่อลดความต้านทานไฟฟ้า ซึ่งเป็นประโยชน์จากมุมมองทางวิศวกรรม หากไม่มีการระบายความร้อน แม้ว่าส่วนประกอบต่างๆ อาจระบายความร้อนได้ดีขึ้นเนื่องจากเชื่อมต่อโดยตรงกับรอยเชื่อมหรือฟิลเลอร์ที่ระบายความร้อน แต่การบัดกรีและการถอดบัดกรีส่วนประกอบอาจกลายเป็นเรื่องท้าทายมากขึ้น

ระยะห่างระหว่างรอยและรูยึด

สิ่งสำคัญคือต้องรักษาระยะห่างที่เหมาะสมระหว่างรอยทองแดงหรือวัสดุอุดและรูยึดเพื่อลดความเสี่ยงต่ออันตรายจากไฟฟ้าช็อต สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าหน้ากากประสานไม่สามารถให้ฉนวนที่เชื่อถือได้ ดังนั้น จึงจำเป็นต้องแน่ใจว่ามีระยะห่างเพียงพอระหว่างพื้นที่ทองแดงและฮาร์ดแวร์ยึด

ส่วนประกอบที่ไวต่อความร้อน

สิ่งสำคัญคือต้องแน่ใจว่าแยกชิ้นส่วนที่ไวต่อความร้อนออกจากชิ้นส่วนที่สร้างความร้อน ตัวอย่างของชิ้นส่วนที่ไวต่อความร้อน ได้แก่ เทอร์โมคัปเปิลและตัวเก็บประจุไฟฟ้า ควรทราบว่าการวางเทอร์โมคัปเปิลไว้ใกล้แหล่งความร้อนอาจทำให้การอ่านอุณหภูมิไม่แม่นยำ ในขณะที่การวางตัวเก็บประจุไฟฟ้าไว้ใกล้กับชิ้นส่วนที่สร้างความร้อนอาจส่งผลเสียต่ออายุการใช้งาน ชิ้นส่วนที่สร้างความร้อน ได้แก่ วงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ ไดโอด MOSFET ตัวเหนี่ยวนำ และตัวต้านทาน ปริมาณความร้อนที่เกิดจากชิ้นส่วนเหล่านี้ขึ้นอยู่กับกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน

บทสรุป

บทความนี้ได้นำเสนอเคล็ดลับสำคัญเกี่ยวกับการจัดวาง PCB ที่สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานและความน่าเชื่อถือของการออกแบบของคุณได้อย่างมาก โปรดแน่ใจว่าได้นำหลักการเหล่านี้ไปใช้ในงานของคุณ