- PCB multistrato per ridurre lo spazio delle tracce e la spaziatura dei componenti
- Gestione dei problemi termici modificando lo spessore del rame
- Selezione del pacchetto dei componenti
- Connettori compatti New Age
- Reti di resistori
- Pacchetti impilati invece di pacchetti standard
Per qualsiasi prodotto elettronico, sia esso un telefono cellulare complesso o qualsiasi altro semplice giocattolo elettronico a basso costo, i circuiti stampati (PCB) sono un componente essenziale. In un ciclo di sviluppo del prodotto, la gestione dei costi di progettazione è un problema enorme e il PCB è il componente più trascurato e più costoso della distinta base. Il PCB costa molto di più di qualsiasi altro componente utilizzato in un circuito, quindi ridurre le dimensioni del PCB non solo ridurrà le dimensioni del nostro prodotto, ma ridurrà anche i costi di produzione nella maggior parte dei casi. Ma come ridurre le dimensioni di un PCB è una questione complessa nella produzione di elettronica perché la dimensione del PCB dipende da alcune cose e ha i suoi limiti. In questo articolo descriveremo le tecniche di progettazione per ridurre le dimensioni del PCB confrontando i compromessi e le possibili soluzioni.
PCB multistrato per ridurre lo spazio delle tracce e la spaziatura dei componenti
Lo spazio maggiore in un circuito stampato è occupato dall'instradamento. Le fasi del prototipo, ogni volta che il circuito viene testato, utilizza uno strato o massimo di schede PCB a doppio strato. Tuttavia, la maggior parte delle volte, il circuito è realizzato utilizzando SMD (Surface Mount Devices) che costringe il progettista a utilizzare una scheda a doppio strato. La progettazione della scheda in un doppio strato apre la superficie di accesso a tutti i componenti e fornisce gli spazi della scheda per l'instradamento delle tracce. Lo spazio della superficie della scheda può aumentare di nuovo se lo strato della scheda viene aumentato più dei due strati, ad esempio quattro o sei strati. Ma c'è un inconveniente. Se la scheda è progettata utilizzando due, quattro o anche più livelli, si crea un'enorme complessità in termini di test, riparazioni e rilavorazioni di un circuito.
Pertanto, più strati (principalmente quattro strati) sono possibili solo se la scheda è ben testata nella fase di prototipo. Oltre alle dimensioni della scheda, il tempo di progettazione è anche molto più breve rispetto alla progettazione dello stesso circuito in una scheda a uno o due strati più grande.
Generalmente, le tracce di alimentazione e gli strati di riempimento del percorso di ritorno a terra sono identificati come percorsi ad alta corrente, quindi richiedono tracce spesse. Queste tracce alte possono essere instradate negli strati TOP o Bottom e i percorsi a bassa corrente o strati di segnale possono essere usati come strati interni in PCB a quattro strati. L'immagine sotto mostra un PCB a 4 strati.
Ma ci sono compromessi generici. Il costo del PCB multistrato è superiore a quello delle schede monostrato. Pertanto, è essenziale calcolare lo scopo del costo prima di cambiare una scheda a uno o due strati in un PCB a quattro strati. Ma aumentare il numero di strati potrebbe cambiare drasticamente le dimensioni della tavola.
Gestione dei problemi termici modificando lo spessore del rame
PCB rappresenta un caso molto utile per progetti di circuiti ad alta corrente, che è la gestione termica in PCB. Quando una corrente elevata scorre attraverso una traccia PCB, aumenta le dissipazioni di calore e crea resistenza sui percorsi. Tuttavia, a parte le tracce spesse dedicate per la gestione di percorsi ad alta corrente, uno dei principali vantaggi del PCB è creare i dissipatori di calore PCB. Pertanto, se il progetto del circuito utilizza una quantità significativa di area di rame del PCB per la gestione termica o allocare enormi spazi per tracce ad alta corrente, è possibile ridurre le dimensioni della scheda utilizzando l'aumento dello spessore dello strato di rame.
Come per IPC2221A, un progettista dovrebbe utilizzare una larghezza di traccia minima per i percorsi di corrente richiesti, ma la considerazione dovrebbe essere presa per l'area di traccia totale. In generale, i PCB avevano lo spessore dello strato di rame di 1Oz (35um). Ma lo spessore del rame può essere aumentato. Pertanto, utilizzando la matematica semplice, raddoppiando lo spessore a 2Oz (70um) si potrebbe ridurre la dimensione della traccia della metà rispetto a una capacità di corrente ampia. Oltre a questo, lo spessore del rame 2Oz può essere utile anche per il dissipatore di calore basato su PCB. C'è anche la capacità di rame più pesante che può essere disponibile anche che varia da 4Oz a 10Oz.
Pertanto, aumentare lo spessore del rame riduce efficacemente le dimensioni del PCB. Vediamo come può essere efficace. L'immagine sotto è un calcolatore online per il calcolo della larghezza della traccia PCB.
Il valore della corrente che fluirà attraverso la traccia è 1A. Lo spessore del rame è impostato su 1 Oz (35 um). L'aumento della temperatura sulla traccia sarà di 10 gradi su 25 gradi Celsius di temperatura ambiente. L'output della larghezza della traccia secondo lo standard IPC2221A è:
Ora, nella stessa specifica, se lo spessore del rame viene aumentato, la larghezza della traccia può essere ridotta.
Lo spessore richiesto è solo-
Selezione del pacchetto dei componenti
La selezione dei componenti è una cosa importante nella progettazione di un circuito. Nell'elettronica sono disponibili gli stessi ma diversi componenti del pacchetto. Ad esempio, un semplice resistore con una potenza nominale di.125 Watt può essere disponibile in diversi pacchetti, come 0402, 0603, 0805, 1210, ecc.
La maggior parte delle volte, il prototipo di PCB utilizza componenti più grandi che utilizzano resistori 0805 o 1210 e condensatori non polarizzati con gioco maggiore rispetto al generale a causa della facilità di manipolazione, saldatura, sostituzione o test. Ma questa tattica finisce per avere un'enorme quantità di spazio sul tabellone. Durante la fase di produzione, i componenti possono essere cambiati in un pacchetto più piccolo con la stessa classificazione e lo spazio sulla scheda può essere compresso. Possiamo ridurre le dimensioni del pacchetto di questi componenti.
Ma la situazione è quale pacchetto scegliere? Non è pratico utilizzare confezioni più piccole di 0402 perché le macchine pick and place standard disponibili per la produzione potrebbero avere limitazioni per gestire confezioni SMD più piccole della 0402.
Un altro svantaggio dei componenti più piccoli è la potenza nominale. Pacchetti più piccoli dello 0603 potrebbero gestire una corrente molto inferiore rispetto allo 0805 o al 1210. Pertanto, sono necessarie attente considerazioni per selezionare i componenti appropriati. In tal caso, ogni volta che i pacchetti più piccoli non possono essere utilizzati per la riduzione delle dimensioni del PCB, è possibile modificare l'impronta del pacchetto e ridurre il più possibile il cuscinetto dei componenti. Il designer potrebbe essere in grado di stringere un po 'di più le cose cambiando le impronte. A causa delle tolleranze di progettazione, l'impronta predefinita disponibile è un'impronta comune che potrebbe contenere qualsiasi versione dei pacchetti. Ad esempio, l'impronta delle confezioni 0805 è realizzata in modo tale da poter coprire quante più variazioni possibili per 0805. Le variazioni avvengono a causa della differenza della capacità di produzione.Diverse aziende utilizzano diverse macchine di produzione che avevano tolleranze diverse per la stessa confezione 0805. Pertanto, le impronte del pacchetto predefinito sono leggermente più grandi del necessario.
È possibile modificare manualmente l'impronta utilizzando i fogli dati dei componenti specifici e ridurre le dimensioni del pad come richiesto.
Le dimensioni della scheda possono essere ridotte utilizzando anche condensatori elettrolitici basati su SMD perché sembravano avere diametri inferiori rispetto ai componenti a foro passante con lo stesso valore nominale.
Connettori compatti New Age
Un altro componente affamato di spazio sono i connettori. I connettori utilizzano uno spazio sulla scheda più ampio e l'impronta utilizza anche pad di diametro maggiore. La modifica dei tipi di connettore può essere molto utile se i valori di corrente e tensione lo consentono.
L'azienda produttrice di connettori, ad esempio, Molex o Wurth Electronics o qualsiasi altra grande azienda fornisce sempre connettori dello stesso tipo basati su più dimensioni. Pertanto, la selezione della dimensione giusta potrebbe far risparmiare sia il costo che lo spazio sulla lavagna.
Reti di resistori
Principalmente nel design basato su microcontrollore, i resistori pass in serie sono ciò che è sempre necessario per proteggere il microcontrollore dal flusso di corrente elevato attraverso i pin IO. Pertanto, più di 8 resistori, a volte più di 16 resistori sono necessari per essere utilizzati come resistori passanti in serie. Un numero così elevato di resistori crea molto più spazio nel PCB. Questo problema può essere risolto utilizzando reti di resistori. Una semplice rete di resistori basata su pacchetti 1210 potrebbe risparmiare spazio per 4 o 6 resistori. L'immagine sotto è una resistenza 5 nel pacchetto 1206.
Pacchetti impilati invece di pacchetti standard
Esistono molti progetti che richiedono più transistor o anche più di due MOSFET per scopi diversi. L'aggiunta di singoli transistor o Mosfet potrebbe richiedere più spazio rispetto all'utilizzo di pacchetti impilati.
Sono disponibili numerose opzioni che utilizzano più componenti in un unico pacchetto. Ad esempio, sono disponibili anche pacchetti dual Mosfet o quad MOSFET che occupano lo spazio di un solo Mosfet e potrebbero far risparmiare un'enorme quantità di spazio sulla scheda.
Questi trucchi possono essere applicati a quasi tutti i componenti. Ciò porta a uno spazio sulla scheda più piccolo e il punto bonus è che a volte il costo di questi componenti è inferiore rispetto all'utilizzo dei singoli componenti.
I punti di cui sopra sono la possibile via d'uscita per la riduzione delle dimensioni del PCB. Tuttavia, il costo, la complessità e le dimensioni del PCB hanno sempre alcuni compromessi decisivi cruciali. È necessario selezionare il percorso esatto che dipende dall'applicazione mirata o per quello specifico progetto di circuito mirato.