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  • 怎么設計小型的印刷電路板
    • 發布時間:2022-02-24 16:33:55
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    怎么設計小型的印刷電路板
    對于任何電子產品,無論是復雜的手機還是任何其他簡單的低成本電子玩具,印刷電路板(PCB)都是必不可少的組件。在產品開發周期中,設計成本管理是一個巨大的問題,而PCB是BOM中最容易被忽視和成本更高的組件。PCB的成本遠高于電路中使用的任何其他組件,因此減小PCB 尺寸不僅會減小產品的尺寸,而且在大多數情況下還會降低生產成本。但是,如何減小PCB 尺寸是電子產品生產中的一個復雜問題,因為PCB的尺寸取決于一些因素并且有其局限性。在本文中,我們將介紹減小PCB尺寸的設計技術。
    1.用于減少軌道空間和組件間距的多層PCB
    印刷電路板中的主要空間由布線占據。原型階段,無論何時測試電路,都使用一層或最多雙層 PCB 板。然而,大多數情況下,電路是使用SMD(表面貼裝器件)制成的,這就使設計人員使用雙層電路板。以雙層設計電路板打開了所有組件的表面通路,并為布線提供了電路板空間。如果板層增加超過兩層,例如四層或六層,則板表面空間可以再次增加。但是,有一個缺點。如果電路板設計為使用兩層、四層甚至更多層,則在電路的測試、維修和返工方面會產生巨大的復雜性。
    因此,只有在原型階段對電路板進行了良好的測試,才能實現多層(主要是四層)。除了電路板尺寸外,設計時間也比在更大的單層或雙層板上設計相同的電路要短得多。通常,電源走線和接地回路填充層被識別為高電流路徑,因此它們需要較粗的走線。這些高走線可以在頂層或底層布線,低電流路徑或信號層可以用作四層 PCB 的內部層。圖1顯示了四層PCB。
    小型電路板
    圖1 四層PCB
    但是有一些通用的權衡。多層PCB的成本高于單層板。因此,在將單層或雙層板更改為四層PCB之前,必須計算成本。但是增加層數可能會顯著改變電路板的尺寸。
    2.通過改變銅厚度來管理散熱問題
    PCB為大電流電路設計提供了一個非常有用的案例,即PCB中的熱管理。當大電流流過PCB走線時,它會增加散熱并在路徑上產生電阻。然而,除了用于管理高電流路徑的專用粗走線之外,PCB的一個主要優勢是創建PCB 散熱器。因此,如果電路設計使用大量PCB銅面積進行熱管理或為高電流跡線分配巨大空間,則可以通過增加銅層厚度來縮小電路板尺寸。
    根據IPC2221A,設計人員應為所需的電流路徑使用最小走線寬度,但應考慮總走線面積。通常,PCB過去的銅層厚度為1Oz (35um)。但是可以增加銅的厚度。因此,通過使用簡單的數學運算,將厚度加倍到2Oz (70um)可以將走線尺寸減少一半,而電流容量則相同。除此之外,2Oz銅厚度也有利于基于PCB的散熱器。還有更重的銅容量,范圍從4Oz 到10Oz。
    因此,增加銅厚度有效地減小了 PCB 尺寸。下圖2是用于計算PCB走線寬度的在線計算器。
    小型電路板
    圖2 計算PCB走線寬度的在線計算器
    將流過跡線的電流值為1A。銅的厚度設置為1 盎司(35 微米)。在25 攝氏度的環境溫度下,跡線上的溫度會升高10度。根據IPC2221A 標準的走線寬度輸出是:
    小型電路板
    現在,在相同的規格中,如果增加銅厚,可以減少走線寬度。
    小型電路板
    所需的厚度僅為:
    小型電路板
    3.元件封裝選擇
    元件選擇是電路設計中的一件大事。電子產品中有相同但不同的封裝組件。例如,額定功率為0.125瓦的簡單電阻器可以采用不同的封裝,如0402、0603、0805、1210 等。大多數情況下,原型 PCB使用更大的組件,這些組件使用0805或1210電阻器以及具有比一般更高間隙的非極化電容器,因為更易于處理、焊接、更換或測試。但這種設計最終會占用大量的棋盤空間。在生產階段,可以將組件更改為具有相同額定值的較小封裝,并且可以壓縮電路板空間。我們可以減小這些組件的封裝尺寸。
    小型電路板
    圖3 組件的封裝尺寸
    但是使用小于0402的封裝是不切實際的,因為可用于生產的標準拾放機在處理小于0402的SMD封裝時可能存在限制。較小組件的另一個缺點是額定功率。比0603更小的封裝可以處理比0805或1210低得多的電流。因此,需要仔細考慮選擇合適的組件。在這種情況下,當較小的封裝不能用于減小PCB 尺寸時,可以編輯封裝占位面積并盡可能縮小元件焊盤。設計師可以通過改變足跡來將東西擠得更緊。
    由于設計公差,可用的默認封裝是可以容納任何版本封裝的通用封裝。例如,0805封裝的占位面積是這樣制作的,它可以覆蓋盡可能多的0805 變化。這些變化是由于制造能力的差異而發生的。不同的公司使用不同的生產機器,過去對同一個0805封裝有不同的公差。因此,默認封裝尺寸略大于所需。可以使用特定組件的數據表手動編輯封裝,并可以根據需要縮小焊盤尺寸。
    使用基于SMD的電解電容器也可以縮小電路板尺寸,因為它們的直徑似乎比具有相同額定值的通孔元件更小。
    小型電路板
    圖4 0805封裝
    4.緊湊型連接器
    另一個需要空間的組件是連接器。連接器使用更大的電路板空間,占用空間也使用更大直徑的焊盤。如果電流和電壓額定值允許,更改連接器類型會非常有用。連接器制造公司,例如Molex或Wurth Electronics或任何其他大公司,總是提供基于多種尺寸的同類型連接器。因此,選擇合適的尺寸可以節省成本和電路板空間。
    5.電阻網絡
    主要在基于微控制器的設計中,串聯傳輸電阻始終是保護微控制器免受流經IO引腳的高電流所必需的。因此,需要8個以上的電阻,有時需要16個以上的電阻作為串聯通過電阻。如此大量的電阻器在PCB中增加了更多空間。這個問題可以通過使用電阻網絡來解決。一個簡單的基于1210 封裝的電阻器網絡可以為4或6個電阻器節省空間。圖5是1206封裝中的5個電阻器。
    小型電路板
    圖5 1206封裝中的5個電阻器
    6.堆疊包裝而不是標準包裝
    有很多設計需要多個晶體管甚至兩個以上的MOSFET 用于不同目的。與使用堆疊封裝相比,添加單個晶體管或Mosfets 最終可能會占用更多空間。有多種選項可在單個封裝中使用多個組件。例如,還提供雙 Mosfet 或四 MOSFET 封裝,它們僅占用一個 Mosfet 的空間,可以節省大量電路板空間。
    這些技巧幾乎可以應用于每個組件。這會導致更小的電路板空間,而且好處是,有時這些組件的成本低于使用單個組件的成本。
    以上就是如何設計小型的印刷電路板(PCB)介紹了。然而,成本、復雜性與印刷電路板(PCB)尺寸之間總是存在一些與決策相關的關鍵權衡,因此需要選擇取決于目標應用或特定目標電路設計的確切路徑。
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