De complexiteit van PCB-lay-out

In het huidige ontwerplandschap is het aan de ontwerper om de meester te zijn van de boardlayout, net zoals de ingenieur de meester is van de circuits. Een van de manieren waarop een boardontwerper die beheersing kan tonen, is door middel van kwalitatieve plaatsings- en routeringstechnieken die zijn verkregen door het lezen en begrijpen van de databladen en toepassingsnotities van de fabrikant.

De veranderende rol van de ontwerper

In het verleden gebruikten ontwerpers databladen voor poort- en footprintinformatie en weinig anders, en lazen ze zelden de toepassingsnotities. Ze vertrouwden op de ingenieurs om componenten en/of de circuits uit te leggen en om de aandacht te vestigen op eventuele kritieke plaatsing of routering.

Maar tegenwoordig is de rol van de ontwerper belangrijker vanwege de toenemende complexiteit van signalen, de laagstructuren, de veranderende boardmaterialen en een verscheidenheid aan fabricageproblemen. Ontwerpers moeten weten hoe de signalen op een bepaald board kunnen reageren en hoe ze deze kunnen beheersen. Ze moeten begrijpen hoe een schijnbaar onbeduidend probleem andere ontwerpproblemen op het board kan beïnvloeden - allemaal zaken die de circuitingenieur mogelijk niet volledig kent of begrijpt.

De evolutie van fabrikantinformatie

Fabrikantinformatie verandert net zoals de behoeften van ontwerpers veranderen. Er is tegenwoordig informatie opgenomen die niet nodig was, of een paar jaar geleden niet beschikbaar was. Deze informatie omvat de stijg- en daaltijd van het signaal, bron- en belastinginformatie van de pinnen, impedantie impedantie in elektriciteit, gemeten in ohm van de mate waarin een elektrisch circuit de stroom van elektrische stroom weerstaat wanneer een spanning over de klemmen wordt aangelegd, problemen, plaatsingsinzichten, RoHS-problemen, assemblage-informatie en meer.

Het kennen van de stijg- en daaltijd van componenten is nu veel kritischer omdat de signaaltijden veel sneller zijn, en er veel meer kennis en ontwerpinspanning nodig is om signalen correct te routeren. We kunnen niet vertrouwen op de kloksnelheid om ons te vertellen wat we moeten weten. Het bijwonen van een high-speed design cursus zal uitleggen waarom controle noodzakelijk is, zelfs op een board met een lage kloksnelheid. Helaas wordt deze informatie niet altijd vermeld in de databladen of toepassingsnotities van de fabrikant, hoewel dit de eerste plaats zou zijn om ernaar te zoeken.

Het belang van pintoewijzing en signaalroutering

Hoe kan een ontwerper componenten plaatsen als hij niet weet welk component een signaal kan genereren? Hoe kunnen ze een board routeren als ze niet weten of het signaal kritieke routeringstechnieken of een stub vereist?

Stubs worden gebruikt voor verschillende doeleinden. Een stub kan bijvoorbeeld worden geïnstalleerd in een clientmachine en een tegenhanger in een server, waar beide nodig zijn om een protocol op te lossen, de lengte van de externe procedure te regelen op hun specifieke board. De pintoewijzing die op de databladen wordt gevonden, moet worden opgenomen in de bibliotheekonderdelen en worden gedefinieerd als bron of belasting (uitgang of ingang), terwijl ook de functie van een signaal wordt gedefinieerd als een bus, een klok, enable, lezen/schrijven, enz.

Dit geeft toegang tot de informatie die nodig is tijdens de lay-out- en ECO-processen. “Langzame” boards zijn vergevingsgezinder voor slechte plaatsings- en routeringstechnieken, maar aangezien alle gefabriceerde onderdelen sneller worden, is het een goed idee om boards te ontwerpen met deze overwegingen in gedachten, zelfs als ze vandaag de dag irrelevant zijn, omdat eventuele latere reparaties aan het board steevast snellere onderdelen zullen gebruiken.

Impedantiespecificaties en aanpassing van de buslengte

Databladen van fabrikanten bevatten soms impedantiespecificaties die nodig zijn voor een bus of signalen. Deze informatie is uiterst belangrijk voor de signaalintegriteit en moet zo nauwkeurig mogelijk worden gevolgd en opgenomen in het boardontwerp. De methode die wordt gebruikt om die impedantie te verkrijgen, is minder belangrijk dan dat aan de vereiste wordt voldaan.

Dus, als de informatie van de fabrikant een bepaalde spoorbreedte, dikte, afstand, enz. specificeert, moet worden vastgesteld of aan de vereisten op het board kan worden voldaan. Vaak is dit niet het geval en moet de ontwerper berekenen hoe aan de vereiste impedantie kan worden voldaan met behulp van andere methoden.

In app-notities kan ook informatie over de aanpassing van de buslengte worden opgenomen. De toegestane lengte skew (of het aankomsttijdverschil tussen signalen) wordt bepaald door het ontvangende onderdeel op de bus en is typisch 20 tot 60 psec, wat overeenkomt met ongeveer 0,100 tot 0,300 inch.

Dus nogmaals, de informatie op het datasheet moet zorgvuldig worden overwogen op nauwkeurigheid als het een willekeurig hoge tolerantie van +/- .050 inch geeft. Ontwerpers moeten de voorkeur geven aan informatie die wordt uitgedrukt in tijd in plaats van lengte, omdat signalen sneller reizen op de buitenste lagen van het board dan op de binnenste lagen.

Overwegingen voor plaatsing en routering

De plaatsing en routering van onderdelen uitsluitend op basis van informatie van de fabrikant veroorzaakt enige controverse, maar is nog steeds het overwegen waard. Hoewel de informatie mogelijk niet alle specifieke problemen op een bepaald board in aanmerking neemt, moet de ontwerper de technische gegevens van de fabrikant lezen en begrijpen om de vereisten van het onderdeel te begrijpen. Als de informatie niet geldig lijkt voor een bepaald ontwerp, kan een gesprek met de circuitontwerper, de fabricage of de test- en reparatiemensen op zijn plaats zijn.

Het opnemen van nieuwe fabricageproblemen

De ontwerper moet ook nieuwe fabricageproblemen, waaronder RoHS-compliance-informatie, opnemen in de onderdelen en de boardlayout. Deze problemen kunnen omvatten, maar zijn niet beperkt tot, het vereiste soldeermaskertype of -formaat, het soldeerpasta-type of de stencildikte, de rakelpersdruk, de grootte en vorm van de pasta-opening, de specificaties van de step-stencil, reinigingsinformatie, thermische cycli en informatie over golf- en reflow-solderen.

Conclusie

Ontwerpers moeten technische gegevens en bijbehorende ontwerpvereisten lezen en leren opnemen om de boardlayoutmeesters te worden die tegenwoordig nodig zijn. Of een nieuw ontwerp nu complex, wijd open, langzaam of snel is, de signaalintegriteit en EMI (RFI) van chips en andere elektronische apparaten. Toegestane limieten worden bepaald door de FCC. (en dus de boardprestaties) kunnen worden beïnvloed door hoe componenten worden geplaatst en sporen worden gerouteerd. Het is van vitaal belang dat de ontwerper de informatie van de fabrikant begrijpt en alle toepasselijke gegevens in hun boardlayout opneemt.