Belangrijkste PCB-ontwerpvalkuilen uitgelegd: Een uitgebreide analyse

PCB (Printed Circuit Board) is de kern van elektronische producten – toegepast in bijna alle apparaten, van klein tot groot, van computers en telecom tot militair hardware. Simpel gezegd: de PCB realiseert de functies van elektronische producten.

Toch is PCB-ontwerp nooit makkelijk; veel relaties (tussen lagen, componenten, schakelingen) moeten correct worden afgehandeld. Een slecht doordacht ontwerp kan falen of catastrofes veroorzaken in een elektronisch systeem. Ondanks de inherentie complexiteit kunnen veelvoorkomende problemen worden samengevat, zodat ontwerpers ervan op de hoogte zijn en ze aanpakken vóór fabricage.

LET OP: Dit artikel bespreekt problemen en oplossingen gebaseerd op Altium Designer.

PCB-ontwapproblemen in Schema

Probleem 1: ERC-rapport: geen toegangssignaal op pinnen.

Analyse: a. I/O moet gedefinieerd zijn op pinnen bij footprint-aanmaak; b. Bij plaatsen/aanmaken component kan attribuut "inconformity" gewijzigd zijn → pinnen en lijnen los; c. Pin heeft omgekeerde richting bij aanmaak.

Probleem 2: Componenten vallen buiten papier.

Analyse: Bestanden niet in centrum van componentbibliotheek-papier aangemaakt.

Probleem 3: Netlist uit projectbestand heeft alleen gedeeltelijke toegang tot PCB.

Analyse: Item "global" niet aangevinkt bij netlistgeneratie.

Probleem 4: Componenten kunnen niet gedraaid worden.

Analyse: Invoermethode moet gewisseld worden.

PCB-ontwapproblemen in PCB

Probleem 1: Bij netwerk laden: rapport "NODE doesn't occur".

Analyse: a. Schema-componenten gebruiken footprint niet beschikbaar in bibliotheek; b. Schema-componenten gebruiken footprints incompatibel met bibliotheek.

Probleem 2: DRC-rapport: netwerk verdeeld in secties.

Analyse: Netwerk is niet verbonden. CONNECTED COPPER gebruiken om door bestand te navigeren.

Probleem 3: Blauw scherm zo min mogelijk gebruiken.

Analyse: Bestanden meerdere keren exporteren voor nieuwe DDR-bestanden om bestandsgrootte te verkleinen. Auto-routing niet aanbevolen bij complexe PCB.

Routing-context: Routing is cruciaal; alle voorgaande stappen zijn voorbereiding. Classificatie: single-side, double-side, multi-side. Methodes: auto-routing en interactieve routing. Voorafgaand aan auto-routing: interactieve routing voor complexe systemen. In/uitgangsporen niet parallel (voorkomt RF-interferentie). Grondlijnen toevoegen waar nodig. Routing op aangrenzende lagen loodrecht op elkaar. Parallele lijnen → parasitaire koppeling. Auto-routing-slagingspercentage hangt af van goed doordachte layout en vooraf ingestelde regels. Doorgaans: enquiry-based routing eerst, daarna optimaliseren. Geroute lijnen sluiten, herrouteren voor verbetering. Bij component-dichte PCB: alleen doorboorgaten (vias) voldoen niet – veel routingkanalen verspild. Blind/buried via-technologie bespaart kanalen → routing makkelijker, soepeler, beter.

PCB-ontwapproblemen op Interferentie en Oplossingen

Interferentie treedt altijd op tijdens debug en toepassing – veel oorzaken. Naast omgevingsinterferentie: irrationele routing en onjuiste componentplaatsing veroorzaken de meeste interferentie. Interferentie kan apparatuur onwerkzaam maken of laten faalen. Mogelijke interferentie moet in ontwerpfase worden beperkt.

Probleem 1: Opstanding en beheersing van grondlijninterferentie.

Analyse & Oplossingen: Als grondlijnen nulpotentieel aangeven, zou potentiële verschil tussen alle aardingspunten ook nul moeten zijn. Praktisch onmogelijk absolute nul te garanderen; kleine verschillen worden versterkt door versterkerschakelingen → interferentie.

Methoden: a. Correcte aardingsrichtlijnen volgen; b. Digitale grond scheiden van analoge grond; c. Grondlijnen zo dik mogelijk maken; d. Aarding zo veel mogelijk bedekken (copper pour).

Probleem 2: Voedinginterferentie en onderdrukking.

Analyse & Oplossingen: Oorzaak: irrationeel schema, routing of layout. AC-DC-lus niet verbinden tijdens routing. Grondlijnen niet parallel aan grote lus. Voedings- en signaallijnen niet te dicht/parallel. Filters tussen voedingsuitgang en toestel toevoegen waar nodig.

Probleem 3: EMI (Electromagnetische Interferentie) en onderdrukking.

Dichte componentplaatsing + irrationeel ontwerp → EMI (distributieparameter-interferentie, component-EMI). Verschillende maatregelen per interferentietype.

Analyse & Oplossingen:

• Parasitaire koppeling tussen printsporen: Effect van distributieparameter tussen twee parallelle sporen op korte afstand = wederzijdse koppeling van inductie en capaciteit. Signaal loopt door één spoor, inductief signaal in ander. Signaallijnen nooit parallel ontwerpen of schermlijnen gebruiken voor zwakke interferentie.
• Interferentie tussen magnetische delen: Luidsprekers/elektromagneten = constant magneetveld; hoge-spannings transformatoren/relais = wisselend magneetveld. Beide storend voor omgeving. Maatregelen:
  • Snijding van printlijnen door magnetische lijnen minimaliseren.
  • Posities van twee magnetische delen loodrecht op elkaar (verschillende magnetische richtingen) voor minimale koppeling.
  • Interferentiebron magnetisch schermen; scherm goed met grond verbinden.

Probleem 4: Thermische interferentie en onderdrukking.

Analyse & Oplossingen: Hoogvermogenapparaten = hoge temperatuur = warmtebronnen in schakeling → interferentie met printschakeling. Temperatuursgevoelige componenten ver van warmtebronnen plaatsen. Warmtebronnen aan luchtzijde bord plaatsen om warmteoverdracht/thermische dissipatie te voorkomen. Indien nodig: thermische dissipatieblad toevoegen.

Dit artikel dekt de meest voorkomende problemen en oplossingen. Meer issues ontdekt u in praktijkervaring.

Nuttige bronnen:

• Hoe hoogwaardige PCBs te ontwerpen
• De belangrijkste PCB-ontwerpregels die u moet kennen
• Richtlijn van Schema naar PCB-ontwerp met Altium Designer
• Hoe interferentie in PCB-ontwerp te verslaan
• Methoden om anti-interferentievermogen in PCB-ontwerp te versterken