แนวทางการออกแบบเลย์เอาต์ PCB ที่เป็นมิตรต่อวิศวกร ห้ามพลาด

ในขั้นตอนเบื้องต้นของกระบวนการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB)การจัดวางแผงวงจรพิมพ์ (PCB layout) เป็นหนึ่งในขั้นตอนที่สำคัญที่สุดในการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ เนื่องจากคุณภาพของมันเป็นตัวกำหนดคุณภาพของการเดินลายวงจรบนแผง (PCB routing) ซึ่งส่งผลต่อความน่าเชื่อถือและการทำงานของแผงวงจรพิมพ์ในขั้นสุดท้าย ดังนั้นจึงสรุปได้ว่าการจัดวางแผงวงจรพิมพ์ที่เหมาะสมเป็นการปูทางไปสู่แผงวงจรพิมพ์คุณภาพสูง ในทางกลับกัน การจัดวางแผงวงจรพิมพ์ที่ไม่เหมาะสมอาจนำไปสู่ปัญหาในด้านการทำงานและความน่าเชื่อถือ การจัดวางแผงวงจรพิมพ์ที่ออกแบบมาอย่างดีจะช่วยอำนวยความสะดวกมากขึ้น ไม่เพียงแต่ช่วยประหยัดพื้นที่บนผิวแผงวงจรพิมพ์เท่านั้น แต่ยังรับประกันประสิทธิภาพของวงจรอีกด้วย

เลย์เอาต์ PCB แบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก คือ เลย์เอาต์แบบโต้ตอบและเลย์เอาต์อัตโนมัติ โดยทั่วไปแล้ว เลย์เอาต์อัตโนมัติจะเป็นโครงร่างพื้นฐานซึ่งเลย์เอาต์แบบโต้ตอบจะใช้ในการปรับแต่งเพิ่มเติม ระหว่างการจัดเลย์เอาต์ PCB สามารถทำการกระจายใหม่ของวงจรเกตได้ตามสถานการณ์เฉพาะของการเดินลาย เมื่อมีการสลับวงจรเกตสองวงจร ก็จะได้เลย์เอาต์ที่เหมาะสมที่สุดซึ่งเอื้อต่อการเดินลายมากที่สุด

หลังจากการทำเลย์เอาต์ PCB เสร็จสิ้นแล้ว สามารถใส่ข้อมูลบางอย่างลงในไฟล์ออกแบบ PCB หรือในสเกแมติกได้ เพื่อให้ข้อมูลหรือดาต้าที่เกี่ยวข้องบน PCB มีความสอดคล้องกับสิ่งที่แสดงไว้ในสเกแมติก ส่งผลให้สามารถคงการเปลี่ยนแปลงแบบซิงโครนัสได้ทั้งในขั้นตอนการกำหนดโปรไฟล์และการแก้ไขออกแบบ PCB นอกจากนี้ ยังสามารถอัปเดตข้อมูลแบบแอนะล็อก และทำการตรวจสอบในระดับบอร์ดได้ทั้งในด้านสมรรถนะทางไฟฟ้าและฟังก์ชันการทำงาน

กฎพื้นฐานของการออกแบบเลย์เอาต์ PCB

โดยพื้นฐานแล้ว การออกแบบเลย์เอาต์ PCB ควรเป็นไปตามกฎพื้นฐานสองข้อคือ
1). การจัดวางแผงวงจรพิมพ์ (PCB layout) ควรรับประกันคุณภาพสูง
2). เลย์เอาต์ PCB ควรมีลักษณะเรียบร้อยและชัดเจน ทำให้สามารถจัดวางชิ้นส่วนได้อย่างสม่ำเสมอบนพื้นผิวบอร์ด

เมื่อผลิตภัณฑ์มีผลการทำงานเป็นที่น่าพอใจในสองแง่มุมที่กล่าวถึงข้างต้น ก็สามารถถือได้ว่าสมบูรณ์แบบ

แนวทางปฏิบัติในการออกแบบเลย์เอาต์ PCB

แนวทางปฏิบัติข้อที่ 1: ลูปควรสั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

ลูป โดยเฉพาะลูปความถี่สูง ควรมีความยาวสั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ลูปขนาดเล็กมักมีค่าความเหนี่ยวนำและความต้านทานต่ำกว่า และสามารถช่วยลดจำนวนสัญญาณที่ถูกคัปปลิงเข้าสู่น็อดที่มาจากแหล่งภายนอกหรือถูกส่งผ่านโดยน็อดได้ ค่าความเหนี่ยวนำสามารถลดลงได้หากลูปถูกวางไว้บนกราวด์เพลน คุณยังสามารถทำให้ลูปของวงจรโอปแอมป์สั้นที่สุดเท่าที่จะทำได้เพื่อป้องกันสัญญาณรบกวนที่คัปปลิงเข้าสู่วงจร

แนวทางปฏิบัติข้อที่ 2: ควรจัดวางตำแหน่งรูผ่านระบายความร้อนให้เหมาะสม

รูนำความร้อนจากปลายด้านหนึ่งของแผ่น PCB ไปยังอีกด้านหนึ่ง ซึ่งมีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อแผ่นวงจรถูกติดตั้งบนฮีตซิงที่ตัวถัง ภายใต้เงื่อนไขดังกล่าว ตัวถังจะช่วยระบายความร้อนต่อไป รูขนาดใหญ่ให้ประสิทธิภาพการกระจายความร้อนได้ดีกว่ารูขนาดเล็ก การใช้รูหลายรูมีประสิทธิภาพมากกว่าการใช้รูเดี่ยวในด้านการกระจายความร้อน และช่วยลดอุณหภูมิการทำงานของชิ้นส่วน อุณหภูมิการทำงานที่ต่ำกว่าจะนำไปสู่ความน่าเชื่อถือที่สูงขึ้น

แนวทางปฏิบัติข้อที่ 3: ควรจัดขนาดและจำนวนของ via ให้เหมาะสม

ทางผ่าน (via) มีทั้งค่าความเหนี่ยวนำและความต้านทาน หากคุณวางแผนจะจัดการลายวงจรจากปลายด้านหนึ่งของแผ่น PCB ไปยังอีกด้านหนึ่ง และต้องการค่าความเหนี่ยวนำหรือความต้านทานที่ค่อนข้างต่ำ สามารถใช้ทางผ่านหลายจุดร่วมกันได้ ทางผ่านขนาดใหญ่จะมีค่าความต้านทานต่ำกว่า วิธีนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อใช้เชื่อมต่อระหว่างตัวเก็บประจุกรองกับโหนดกระแสสูงลงสู่กราวด์

แนวทางปฏิบัติข้อที่ 4 ดูแลส่วนประกอบที่ไวต่อความร้อน

ควรจัดวางชิ้นส่วนที่ไวต่อความร้อนไว้ให้ห่างจากชิ้นส่วนที่ก่อให้เกิดความร้อน ชิ้นส่วนที่ไวต่อความร้อนรวมถึงเทอร์โมคัปเปิลและตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์ การวัดอุณหภูมิอาจได้รับผลกระทบเมื่อเทอร์โมคัปเปิลถูกจัดวางไว้ใกล้แหล่งความร้อน ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์จะมีอายุการใช้งานลดลงเมื่อถูกจัดวางไว้ใกล้ชิ้นส่วนที่ก่อให้เกิดความร้อน ชิ้นส่วนที่ก่อให้เกิดความร้อนอาจรวมถึงไดโอด ตัวเหนี่ยวนำ ไดโอด บริดจ์เรกติไฟเออร์ MOSFET และตัวต้านทาน ซึ่งความร้อนที่เกิดขึ้นขึ้นอยู่กับกระแสที่ไหลผ่านพวกมัน

แนวทางปฏิบัติข้อที่ 5: ควรจัดวางตัวเก็บประจุสำหรับการแยกสัญญาณอย่างรอบคอบ

ควรติดตั้งตัวเก็บประจุแยก (decoupling capacitor) ไว้ใกล้ขาพาวเวอร์หรือกราวด์ของ IC เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการแยกสูงสุด หากติดตั้งตัวเก็บประจุไว้ไกลเกินไปจะทำให้เกิดค่าความจุ寄生 (stray capacitance) ควรจัดให้มี via หลายจุดระหว่างขาของตัวเก็บประจุกับระนาบกราวด์เพื่อลดค่าความเหนี่ยวนำ

แนวทางปฏิบัติข้อที่ 6: ควรจัดวางแผ่นระบายความร้อนอย่างเหมาะสม

การตั้งค่าแผ่นระบายความร้อนมีจุดมุ่งหมายเพื่อลดระยะห่างระหว่างลายวงจรหรือพื้นที่ถมทองแดงกับขาอุปกรณ์ให้เล็กที่สุด ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการบัดกรี การเชื่อมต่อที่มีขนาดเล็กจะมีความยาวสั้นลงเมื่อพูดถึงการลดค่าความต้านทาน เมื่อไม่ได้ใช้แผ่นระบายความร้อนบนขาอุปกรณ์ อุณหภูมิของอุปกรณ์จะต่ำลง การเชื่อมต่อทางความร้อนที่ดีกว่าสามารถทำได้โดยการเชื่อมต่อลายวงจรหรือพื้นที่ถมทองแดง ซึ่งช่วยในการกระจายความร้อน อย่างไรก็ตาม จะทำให้การบัดกรีหรือการถอดบัดกรียากขึ้น

แนวทางปฏิบัติข้อที่ 7: ร่องรอยสัญญาณดิจิทัลและสัญญาณรบกวนควรอยู่ห่างจากวงจรแอนะล็อก

รอยทางหรือสื่อนำไฟฟ้าที่วางขนานกันอาจทำให้เกิดค่าคาปาซิแตนซ์ได้ สัญญาณมักจะเกิดการคัปปลิงกันบนวงจรเมื่อรอยทางอยู่ใกล้กันมากเกินไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่ความถี่ค่อนข้างสูง รอยทางสัญญาณความถี่สูงและรอยทางสัญญาณรบกวนควรอยู่ห่างจากรอยทางที่คุณไม่ต้องการให้ถูกรบกวนด้วยสัญญาณรบกวน

แนวทางปฏิบัติข้อที่ 8: ควรจัดระยะห่างระหว่างลายวงจรและรูมอนต์ให้เหมาะสม

ควรรักษาระยะห่างที่เพียงพอระหว่างลายทองแดงหรือลายถมทองแดงกับรู via สำหรับยึด เพื่อป้องกันอันตรายจากไฟดูด นอกจากนี้ เนื่องจากซอลเดอร์มาสก์ไม่ใช่วัสดุฉนวนที่เชื่อถือได้ จึงควรรักษาระยะห่างที่เพียงพอระหว่างทองแดงกับฮาร์ดแวร์ยึดทุกชนิดด้วย

แนวทางปฏิบัติข้อที่ 9: พื้นกราวด์อาจเป็นอันตรายได้หากคุณให้ความสนใจกับมันเพียงเล็กน้อยในการออกแบบเลย์เอาต์ PCB

กราวด์ไม่ใช่ตัวนำที่สมบูรณ์แบบ ดังนั้นควรระมัดระวังเมื่อวางกราวด์ของสัญญาณรบกวนให้ห่างจากสัญญาณที่เงียบ เส้นลายกราวด์ควรมีขนาดใหญ่เพียงพอเพื่อให้สามารถรองรับกระแสที่ไหลได้ การวางระนาบกราวด์ไว้ใต้เส้นลายสัญญาณสามารถช่วยลดอิมพีแดนซ์ของเส้นลายได้ ซึ่งถือเป็นสภาวะที่เหมาะสม

แนวทางปฏิบัติข้อที่ 10. ควรมองว่าแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) เป็นฮีตซิงค์

ควรเพิ่มปริมาณทองแดงรอบ ๆ อุปกรณ์แบบติดตั้งบนพื้นผิวเพื่อให้มีพื้นที่ผิวมากขึ้นสำหรับการกระจายความร้อน ซึ่งเป็นวิธีที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพให้สูงขึ้น แนวทางที่คล้ายกันนี้ยังถูกกล่าวถึงในเอกสารข้อมูลของอุปกรณ์บางชนิดอีกด้วย

เคล็ดลับเพิ่มเติมในการออกแบบเลย์เอาต์ PCB

ครั้งหนึ่งเลย์เอาต์ PCBเสร็จสมบูรณ์แล้ว ก่อนที่จะดำเนินการต่อไปยังขั้นตอนถัดไป โปรดตรวจสอบเลย์เอาต์ PCB ของคุณอย่างรอบคอบโดยอ้างอิงจากเคล็ดลับต่อไปนี้
1). ควรตรวจสอบขนาดบอร์ดเพื่อให้แน่ใจว่าเข้ากันได้กับขนาดที่แสดงในแผนผังวงจรหรือข้อกำหนดด้านเทคนิคการผลิตแผ่น PCB และตรวจสอบว่ามีจุดอ้างอิง (fiducial marks) หรือไม่
2). ควรมีการรับประกันว่าองค์ประกอบจะไม่มีความขัดแย้งกันในพื้นที่สองมิติและสามมิติ
3). ควรตรวจสอบชิ้นส่วนเพื่อให้แน่ใจว่าชิ้นส่วนทั้งหมดถูกจัดวางอย่างเรียบร้อยและกระจายอย่างสม่ำเสมอ
4). ควรตรวจสอบชิ้นส่วนที่จำเป็นต้องเปลี่ยนในภายหลังเพื่อให้แน่ใจว่าสามารถเข้าถึงได้สำหรับการเปลี่ยนหรือการดัดแปลง
5). มีการเว้นระยะห่างอย่างเพียงพอระหว่างชิ้นส่วนที่ไวต่อความร้อนกับชิ้นส่วนที่ก่อให้เกิดความร้อน
6). ต้องรับประกันว่าสามารถปรับส่วนประกอบที่ปรับได้ให้สะดวกต่อการใช้งาน
7). พื้นที่ระบายความร้อนควรมีฮีตซิงก์และมีการไหลเวียนของอากาศที่ราบรื่น
8). การไหลของสัญญาณควรเป็นไปอย่างราบรื่นและการเชื่อมต่อระหว่างกันควรสั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

ออกแบบแผงวงจร PCB ได้สมบูรณ์แบบแล้วใช่ไหม? ถ้าอย่างนั้นคุณต้องมีผู้ผลิต PCB ที่เชื่อถือได้เพื่อพิมพ์บอร์ดของคุณ!

PCBCart ได้ผลิตแผงวงจรให้กับบริษัทต่าง ๆ ทั่วโลกมานานกว่า 20 ปี เพียงส่งไฟล์ออกแบบ PCB ของคุณมาให้เรา เรารับประกันว่าคุณจะได้รับแผงวงจรที่ใช้งานได้สมบูรณ์ในระยะเวลาที่สั้นที่สุด เพิ่งออกแบบ PCB ใหม่เสร็จและกำลังมองหาโรงงานผลิต PCB อยู่ใช่ไหม ลองตรวจสอบดูว่าคุณสามารถประหยัดได้มากแค่ไหนเมื่อใช้บริการผลิต PCB ตามสั่งของเรา

ขอใบเสนอราคาแบบทันทีสำหรับการทำต้นแบบแผงวงจรพิมพ์ด่วน

ขอใบเสนอราคาทันทีสำหรับการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์ FR4 ของคุณ

แหล่งข้อมูลที่มีประโยชน์
•ข้อควรพิจารณาในการจัดวางเลย์เอาต์แบบผสมสัญญาณ
•เคล็ดลับการออกแบบความเร็วสูง
•อิทธิพลของการจัดวางแผงวงจรพิมพ์ (PCB Layout) ต่อสมรรถนะ EMC ของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์
•กฎการจัดวางและการเดินลายสำหรับการประกอบกล่อง (Box Build Assembly)
•บริการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) แบบครบทุกฟังก์ชัน พร้อมตัวเลือกเสริมมูลค่าหลากหลาย
•ข้อกำหนดของไฟล์สำหรับการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) อย่างมีประสิทธิภาพ
•การเปรียบเทียบบริการต้นแบบ PCB และการผลิต PCB มาตรฐาน
•เมื่อใดควรใช้บริการต้นแบบ PCB และเมื่อใดควรเปลี่ยนไปใช้บริการ PCB มาตรฐาน
•นอกจากการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) แล้ว PCBCart ยังให้บริการประกอบแผ่นวงจรพิมพ์แบบครบวงจร (Full Turnkey PCB Assembly Service)