يعتمد أداء لوحة PCB بنسبة 70% على تصميم تخطيطها. يمكن أن يؤدي نفس المخطط إلى التشغيل العادي أو الفشل المتكرر مع تخطيطات وتوجيهات مختلفة، حتى أنه يؤثر بشكل مباشر على الاستقرار، والامتثال لـ EMC، وإنتاجية الإنتاج. سواء كنت مبتدئًا في تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور أو مهندسًا متمرسًا يبحث عن حلول للتحسين، فإن إتقان النقاط الرئيسية التالية يمكن أن يوفر لك 90% من المتاعب في عملية التصميم الخاصة بك.

I. الإعداد المسبق للتصميم: 3 خطوات لوضع أساس متين وتجنب إعادة العمل

1. تحديد قيود التصميم: تأكد من الأبعاد المادية للوحة PCB، وعدد الطبقات (اختيار لوحة فردية/مزدوجة/متعددة الطبقات)، ومتطلبات المعاوقة (على سبيل المثال، إشارة عالية السرعة 50 أوم، إشارة تفاضلية 90 أوم)، وحدود انخفاض جهد سكة الطاقة، ومعايير EMC (CE/FCC، وما إلى ذلك)، ومعلمات عملية التصنيع (الحد الأدنى لعرض التتبع، وتباعد التتبع، عبر الحجم) مقدمًا. اكتب هذه القيود في قواعد التصميم (DRC) لتجنب الانتهاكات منذ البداية.

2. المراجعة التخطيطية والتحسين

قبل التخطيط، من الضروري إجراء مراجعة تخطيطية ثانية: التحقق من مسارات الطاقة والأرض والإشارة للتأكد من عقلانيتها، وتجنب التقاطعات غير الضرورية؛ الوحدات الوظيفية الجماعية (مثل وحدات الطاقة، والواجهات عالية السرعة، والدوائر التناظرية) لتوفير أساس منطقي لتخطيط التخطيط اللاحق؛ قم بتسمية الإشارات الرئيسية (مثل الساعة والأزواج التفاضلية) للتحكم المركّز أثناء التخطيط.

3. اختيار المكونات وتأكيد الحزمة
إعطاء الأولوية للمكونات ذات الحزم القياسية ومسافة الدبوس المعقولة (تجنب الحزم ذات المسافة الدقيقة التي تقل عن 0.4 مم، والتي تزيد من صعوبة اللحام)؛ تأكد من دقة مكتبة الحزم (تعريفات الدبوس، ومواقع الشاشة الحريرية، وأحجام اللوحة)، خاصة بالنسبة للمكونات الدقيقة مثل BGA وQFP، حيث أن التغليف غير الصحيح يمكن أن يؤدي مباشرة إلى فشل التصميم.

ثانيا. التصميم التخطيطي: اتبع المبادئ الثلاثة "تقسيم المناطق، والقرب، وتبديد الحرارة"

1. تخطيط تقسيم المناطق الوظيفي

قم بتقسيم التخطيط إلى مناطق فرعية وفقًا لنوع الإشارة والوظيفة: المنطقة التناظرية (ADC/DAC، أجهزة الاستشعار)، المنطقة الرقمية (MCU، FPGA)، منطقة الطاقة (رقائق الطاقة، المحاثات، المكثفات)، منطقة الواجهة (USB، Ethernet، RF). احتفظ بنطاقات العزل (الموصى بها ≥3 مم) بين كل منطقة لمنع الإشارات الرقمية من التداخل مع الإشارات التناظرية.

2. إعطاء الأولوية لتخطيط المكونات الهامة: ضع شرائح إمداد الطاقة (LDO، DC-DC) بالقرب من الحمل لتقليل طول مسار الطاقة؛ ضع المحاثات والمكثفات بالقرب من أطراف شريحة مصدر الطاقة لتكوين دائرة ترشيح كاملة (تجنب تخطيطات "السلك الطائر").

وضع مصادر إشارة عالية السرعة (مثل المذبذبات البلورية ورقائق الساعة) بالقرب من جهاز الاستقبال لتقصير مسار الإرسال وتقليل اقتران التداخل؛ قم بتأريض غلاف المذبذب البلوري واترك مساحة خالية من النحاس تبلغ ≥5 مم حوله.

إبقاء مكونات توليد الحرارة (مثل ترانزستورات الطاقة ومحركات LED) بعيدًا عن المكونات الحساسة (مثل وحدات MCU وأجهزة الاستشعار)، وتوفير مساحة كافية لتبديد الحرارة؛ تصميم المشتتات الحرارية المطلية بالنحاس إذا لزم الأمر.

3. التحقق من عقلانية التخطيط: تأكد من عدم إعاقة دبابيس المكونات وأن علامات الشاشة الحريرية مقروءة بوضوح؛ التأكد من أن تباعد المكونات عبر الفتحة هو ≥2.5 مم وأن التباعد بين المكونات المثبتة على السطح هو ≥0.5 مم؛ ضع الموصلات ومكونات الواجهة بالقرب من حافة PCB لسهولة الإدخال والإزالة والتوجيه.

ثالثا. تصميم الكابلات: "قصير، مستقيم، وسلس" باعتباره القلب، مع الأخذ في الاعتبار المعاوقة والتوافق الكهرومغناطيسي (EMC).

1. قواعد الكابلات الأساسية: إعطاء الأولوية لتوجيه الإشارات الحرجة (الساعة، والأزواج التفاضلية، وإشارات البيانات عالية السرعة)، ثم الإشارات العامة؛ خطوط الطاقة والأرضية لها الأسبقية على خطوط الإشارة لضمان إمدادات طاقة مستقرة.

اجعل الكابلات قصيرة ومستقيمة قدر الإمكان، وتجنب الانحناءات والطرق غير الضرورية؛ إذا كانت الانحناءات ضرورية، استخدم زوايا 45 درجة أو حواف مستديرة، وتجنب الزوايا اليمنى 90 درجة (للحد من انعكاس الإشارة وإشعاع EMC).

مطابقة عرض المسار: حدد عرض التتبع وفقًا للتيار (على سبيل المثال، تيار 1A يتوافق مع عرض التتبع 1 مم، 0.5A يتوافق مع 0.5 مم، ويوصى بعرض تتبع الإشارة أن يكون 0.2-0.3 مم)؛ يجب أن يلتزم عرض تتبع الإشارة التفاضلية وتباعدها بشكل صارم بمتطلبات المعاوقة (على سبيل المثال، تتطلب أزواج USB 3.0 التفاضلية عرض تتبع يبلغ 0.2 مم وتباعد 0.4 مم).

2. النقاط الرئيسية لتوجيه الإشارات عالية السرعة
يجب أن تكون الإشارات التفاضلية (مثل HDMI وPCIe وEthernet) متساوية الطول ومتوازية ومقترنة بإحكام، مع التحكم في فرق الطول في حدود 5 مم. تجنب التفرع أو استخدام فيا.

يجب أن تستخدم إشارات الساعة طوبولوجيا النجمة أو السلسلة التعاقبية لتجنب الاتصال المتوازي المباشر للأحمال المتعددة. استخدم النحاس المطحون حول خط الساعة لتشكيل درع وتقليل التداخل.

يجب أن تتجنب الإشارات عالية السرعة عبور المناطق المقسمة (مثل مستويات الطاقة والأرض)، وإلا فإنها ستؤدي إلى تعطيل المستوى المرجعي وتسبب مشكلات في سلامة الإشارة.

3. إرشادات تجنب مخاطر التوجيه
لا يُسمح لخطوط الإشارة بعبور الطاقة أو انقسامات المستوى الأرضي. إذا كان العبور أمرًا لا مفر منه، فيجب إضافة طريق عند نقطة العبور للاتصال بالمستوى المرجعي.

تجنب التوجيه المتوازي الطويل لخطوط الإشارة على طبقات مختلفة (لتقليل التداخل بين الطبقات). يجب أن يكون التباعد بين خطوط الإشارة المتوازية على نفس الطبقة ≥3 أضعاف عرض الخط.

كلما قل عدد التأشيرات، كلما كان ذلك أفضل. يجب ألا تحتوي الإشارات الحرجة بشكل مثالي على أكثر من 2 فيا (عبر تقديم محاثة وسعة طفيلية، مما يؤثر على سلامة الإشارة).

رابعا. تصميم التأريض: التطبيق المرن لـ "التأريض أحادي النقطة" و"التأريض متعدد النقاط"

4. مبادئ التأريض جوهر التأريض هو "تقليل مساحة الحلقة الأرضية" وتجنب التداخل الناجم عن الاختلافات المحتملة الأرضية. يجب أن يتم توصيل الأسلاك التناظرية والأرضية الرقمية بشكل منفصل وأن يتم توصيلهما في النهاية عند نقطة واحدة عند مصدر الطاقة (على سبيل المثال، من خلال مقاومة 0Ω، أو حبة الفريت، أو الاتصال المباشر). يحظر الخلط المباشر بين الأرضية التناظرية والرقمية.

1. أنواع مختلفة من تصميم التأريض

إشارة أرضية: استخدم "التأريض النجمي" لربط جميع الإشارات الأرضية بنقطة أرضية مشتركة لتقليل التداخل بين الإشارات.

أرض الطاقة: استخدم "التأريض متعدد النقاط"، لتوصيل أطراف التأريض لرقائق الطاقة ومكثفات المرشح بأقرب مستوى طاقة أرضي لتقصير مسار التأريض وتقليل مقاومة التأريض.

أرض التدريع: يجب أن يكون تأريض الأغلفة المعدنية وأغطية التدريع موثوقًا به، مع مقاومة تأريض ≥1Ω، مع تجنب تكوين "أرض عائمة" (الأرض العائمة عرضة لتراكم الكهرباء الساكنة، مما يؤدي إلى فشل التوافق الكهرومغناطيسي).

2. تقنيات تصميم الطائرة الأرضية
يوصى باستخدام اللوحات متعددة الطبقات لبنية تجميع "مستوى الطاقة + المستوى الأرضي" (على سبيل المثال، الأعلى - الطاقة - GND - الأسفل). يجب أن يكون المستوى الأرضي مطليًا بالنحاس بالكامل لتكوين مستوى مرجعي منخفض المقاومة. يجب أن تعمل الألواح ذات الطبقة الواحدة أو الطبقة المزدوجة على زيادة مساحة النحاس الأرضية إلى الحد الأقصى، باستخدام "أرضية شبكية" أو "سطح أرضي كبير المساحة"، وتوصيل طبقات الأرض العلوية والسفلية من خلال فتحات لتعزيز فعالية التأريض.

V. تصميم مصدر الطاقة: تعتبر التصفية والفصل وتنظيم الجهد كلها ضرورية

1. تصفية وفصل مصدر الطاقة
يجب وضع مكثف سيراميك 0.1μF (مكثف الفصل) بجوار طرف الطاقة لكل جهاز نشط (MCU، شريحة)، بالقرب من الدبوس والمستوى الأرضي، لمعالجة مشكلات إمداد التيار اللحظي. يجب وضع مكثف كهربائيا 10μF + مكثف سيراميك 0.1μF عند مدخلات الطاقة لتصفية الضوضاء المنخفضة التردد والعالية التردد.

يجب وضع المكثفات الإلكتروليتية والمكثفات الخزفية عند أطراف الإدخال والإخراج لمصدر الطاقة DC-DC، على التوالي. يجب أن تبقى أطراف الحث بعيدة عن الإشارات الحساسة لمنع تداخل الاقتران المغناطيسي.

2. توجيه السكك الحديدية
يجب أن تستخدم قضبان الطاقة ذات التيار العالي (مثل طاقة البطارية ومحركات المحركات) آثارًا واسعة أو طلاء نحاسي لتقليل انخفاض الجهد وتوليد الحرارة؛ يجب حجز شرائط العزل بين قضبان الطاقة المتعددة لتجنب حدوث دوائر قصيرة؛ وينبغي أن يعتمد تجزئة الطاقة تصميم "على طراز الجزيرة" مع خطوط فاصلة واضحة، ولا ينبغي السماح لخطوط الإشارة بعبورها.

سادسا. تحسين EMC: تقليل التداخل الكهرومغناطيسي من مصدر التخطيط

1. تصميم التدريع
يجب أن تستخدم الدوائر الحساسة (مثل أجهزة استقبال الترددات اللاسلكية ومعالجة الإشارات التناظرية) أغطية حماية معدنية ذات تأريض جيد؛ يجب أن تحافظ خطوط الإشارة والكهرباء عالية السرعة على مسافة كافية (≥10 مم) بينها وبين الخطوط الحساسة، أو أن تكون معزولة بالنحاس المطحون.

2. التصفية والتأريض الأمثل
يجب أن تستخدم دوائر الواجهة (USB، وEthernet، وواجهات الطاقة) سلسلة من المحاثات ذات الوضع المشترك وثنائيات TVS المتوازية لقمع تداخل الوضع الشائع؛ يجب تصفية جميع خطوط الإشارة الخاصة بالواجهات الخارجية قبل إخراجها من PCB.

3. تقليل مصادر الإشعاع
تجنب الأسلاك المتوازية الطويلة وخطوط النقل غير المنتهية والمساحات الكبيرة من النحاس المعلق. اجعل إشارات الساعة والإشارات عالية السرعة قصيرة قدر الإمكان وقم بإحاطتها بمستويات أرضية لتشكيل هيكل "خط صغير"، مما يقلل من الإشعاع الكهرومغناطيسي.

سابعا. فحص ما بعد التصميم: 3 خطوات أساسية لضمان قابلية التصنيع وعدم وجود مخاطر خفية

1. التحقق من قاعدة جمهورية الكونغو الديمقراطية
بعد اكتمال التخطيط، يجب إجراء فحص DRC، مع التركيز على ما إذا كان عرض التتبع، وتباعد التتبع، عبر الحجم، وتباعد المكونات، ومطابقة المعاوقة، وما إلى ذلك، يتوافق مع قواعد التصميم لضمان عدم وجود انتهاكات.

2. سلامة الإشارة ومحاكاة EMC
بالنسبة لمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور عالية السرعة (على سبيل المثال، إشارات ≥100 ميجا هرتز)، يوصى بمحاكاة سلامة الإشارة (SI) للتحقق من الانعكاسات والتداخل ومشكلات التوقيت وما إلى ذلك. تتطلب المنتجات المعقدة محاكاة EMC (على سبيل المثال، الانبعاثات المشعة والتفريغ الكهروستاتيكي) لتحديد مشكلات التداخل وحلها مبكرًا.

3. فحص قابلية التصنيع (DFM)
حجم الوجه: فتحات عبر الفتحة ≥0.8 مم، فتحات تثبيت على السطح ≥0.3 مم، مع تجنب المنافذ الصغيرة جدًا التي تسبب صعوبات في الحفر.

قناع اللحام والشاشة الحريرية: يجب أن تغطي فتحات قناع اللحام الوسادات لتجنب تعريض النحاس؛ يجب ألا تحجب الشاشة الحريرية الوسادات أو المنافذ، ويجب أن تكون الأحرف مقروءة بوضوح.

تصميم اللوحة: إذا كانت الألواح مطلوبة، فاحتفظ بفتحات مقطوعة على شكل حرف V أو فتحات ختم، واترك حافة عملية تبلغ ≥3 مم عند حواف اللوحة لتسهيل إنتاج SMT.