مکان قرارگیری قطعات در طراحی PCB

در ادامه مجموعه آموزشی نرم افزار Altium Desginer در این بخش به تشریح اهمیت یکی از مهم ترین بخش های طراحی PCB یعنی قرارگیری مکان قطعات در سطح برد می پردازیم.

چرا مکان قطعات در PCB مهم هست؟

کسانی که برای اولین بار شروع به یادگیری و طراحی PCB میکنند شاید اولین سوالی که در ذهنشان می آید این است که چیدمان قطعات در سطح PCB باید چگونه باشد؟

معمولا اولین پاسخ هایی که به این سوال داده می شود یا به ذهن خودمون میرسه اینه که باید قطعاتی مشخص در لبه برد قرار بگیرند. مثلا کانکتورهای ورودی و خروجی یا تغذیه یا موارد مشابه. اما بقیه قطعات چی؟ آیا مکان قرار گیری آنها هم مهم هست یا سلیقه ای است؟

برای پاسخ دادن به این سوال اجازه بدهید یک مثال را با هم بررسی کنیم :

فرض کنیم یک سنسور دما مثلا LM35 دارید که باید دمای محیط را اندازه گیری کند، از طرفی در مدار خود یک ترانزیستور قدرت دارید که بدنه فلزی دارد و گرمای زیادی از خود ساطع می کند. میتونید حدس بزنید که اگر این دو قطعه در کنار یکدیگر قرار بگیرند گرمای تولید شده توسط ترانزیستور روی دماسنج تاثیر میزاره و دیگه خیلی روی دمایی که دماسنج محاسبه میکنه نمیشه حساب کرد یا همیشه حداقل یه چند درجه ای باید ازش کم کرد!

مثال های مشابه زیادی وجود دارد که مکان قرارگیری قطعات ممکن است روی عملکرد صحیح مدار تاثیر بگذارد. یه مثال دیگه از اون ور بزنیم…

فرض کنید یه میکروکنترلر یا FPGA دارید و نیازمند یک تغذیه دقیق مثلا 3.3V  یا 1.8V برای اون هستید و اگر چند دهم ولت این تغذیه تغییر کند میکروکنترلر یا FPGA دچار مشکل میشود (خود این مشکل میتواند بستگی به نوع میکروکنترلر یا FPGA و تنظیماتی که روی آن انجام شده است حالت های مختلفی داشته باشد مثلا ممکن است وارد حالت brown-out یا کاهش تغذیه شود یا دائما ریست شود و…)

خوب معمولا در اینجا میریم سراغ یک فروشنده معتبر و یکی از دقیق ترین رگولاتورهای موجود در بازار رو میخریم. (یا حتی ممکنه به دلیل دقت کار و تعداد بالا سفارش بدیم از خارج وارد بشه)

معمولا در چنین شرایطی تصور میکنیم که دیگه خیالمون از تغذیه مدار راحت هست و اگر سیستممون به هر دلیلی کار نکنه مشکل از تغذیه نیست و به دنبال عیب یابی بخش های دیگه میریم… ولی این اشتباه بزرگی هست که تصور کنیم انتخاب صحیح قطعات و تضمین کیفیت اونها و حتی طراحی دقیق و درست شماتیک همه ماجرا است…

حالا فرض کنید این رگولاتور دقیق رو طراح PCB (که در اینجا خودمون نیستیم!) مانند شکل زیر میزاره پایین برد و ترک تغذیه رو با این ضخامت و این شکلی از پایین میکشه تا برسونه به میکروکنترلر یا FPGA… اینجاست که قانون اهم تو طراحی PCB خودش رو نشون میده!

افت ولتاژ این ترک اونقدر زیاد هست که عملا ولتاژ مورد نیاز میکروکنترلر تامین نمیشه. البته اگر میکروکنترلری که استفاده می کنیم ساده باشد و تعداد پایه ها مورد استفاده و پردازش آن کم باشد شاید مشکل اساسی پیش نیاید ولی قطعا این برد با استانداردهای لازم برای کار در محیط های صنعتی طراحی نشده و در شرایط مختلف ممکن است دچار مشکل شود.

نکاتی برای تعیین مکان قطعات در PCB :

همان طور که اشاره شد در تعیین مکان قطعات همواره باید نکاتی را که به ماهیت قطعات مدار و مشخصات الکتریکی وابسته است در نظر گرفته شود. واقعیت این است که شاید نتوان قوانین کلی برای مکان قطعات مختلف ارائه کرد چون هر قطعه ای و مداری ملاحظات خاص خود را می طلبد و باید طراح PCB با دانش و تجربه ای که در زمینه قطعات و کاربردهای مختلف دارد ملاحظات لازم را در مکان قرارگیری قطعات لحاظ کند. در واقع دانش استفاده از نرم افزارهایی مانند Altium Designer تنها ابزاری اولیه برای ورود به حوزه طراحی بردهای الکترونیکی است و طراح واقعی کسی است که از دانش لازم در تعیین موقعیت قطعات و مسیریابی صحیح بهره مند باشد که این نیز به نوبه خود با تمرین و تجربه به دست می آید.

اما برای شروع جانمایی قطعات معمولا نکاتی که در اغلب بردها صدق می کنند مطرح می شود که در اینجا به برخی از آنها اشاره می کنیم :

1. کانکتورهایی که لازم است در لبه برد قرار گیرند (edge connectors) و همچنین سوکت ها را در مکانی مناسب در لبه برد قرار دهید.
2. قطعات تولید کننده یا منتشرکننده گرما (ترانزیستورها و دیودهای قدرت، هیت سینک و…) در کنار قطعات حساس به گرما مانند سنسورها قرار ندهید.
3. کنترل کننده یا پردازنده اصلی برد را در مرکز برد قرار دهید.
4. توزیع قطعات در سطح برد به صورت یکنواخت باشد.
5. قطعات متصل به یکدیگر را در کنارهم مشابه شماتیک قرار دهید.
6. از خطوط راهنمای اتصال قطعات (نت ها) و راهنمای خود نرم افزار که به رنگ خطوط سبز (مناسب) و قرمز(نامناسب) نشان داده می شود برای انتخاب مکان بهینه برای قطعات استفاده نمایید.
7. و…

تعداد این نکات برای بردهای پیشرفته و فرکانس بالا بسیار زیاد است اما رعایت همین نکات در بردهای ساده میتواند به طراحی دقیق تر و استانداردتر برد کمک کند.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.