Выбор деталей и планирование их размещения на печатной плате – важные этапы в процессе проектирования, потому что от этого зависит не только функциональность и надежность устройства, но и реализуемость проекта и стоимость производства. Поэтому недооценивать эти задачи не стоит. Здесь представлены рекомендации, которых следует придерживаться чтобы получить наилучшие результаты.

Прежде всего, оптимальное расположение радиокомпонентов на плате позволяет более эффективно использовать пространство, доступное для разработки. Это, в свою очередь, способствует созданию компактных устройств с обширным функционалом, спрос на которые постоянно растет вместе с развитием Интернета вещей (IoT), носимой электроники и телекоммуникаций.

В эпоху миниатюризации схем с высокой плотностью соединений и компонентов, использование передовых практик в этой области также позволяет избежать проблем с целостностью сигнала и электромагнитной совместимостью, что влияет на надежность устройства. Кроме того, оптимальное расположение деталей на печатной плате облегчает сборку, снижая время выполнения и производственные затраты.

При планировании размещения компонентов на плате стоит соблюдать определенную последовательность. Сначала следует расположить разъемы по краям печатной платы. Далее спланировать расположение основных функциональных цепей схемы, таких как, например, микроконтроллеры, операционные усилители, драйверы и импульсные блоки питания, с целью обеспечения кратчайших путей между ними. Затем необходимо разместить вспомогательные элементы – кварцевые генераторы или разделительные конденсаторы, рядом с основными функциональными схемами с которыми они взаимодействуют. На следующем этапе разместить оставшиеся пассивные элементы.

Функциональное разделение блоков

Хорошей практикой будет разделение печатной платы на секции в зависимости от функциональности. На практике это означает различение, например, следующих частей: аналоговой, цифровой, высокоскоростной, сильноточной, силовой и так далее. Помимо функциональности отдельных цепей, их уровни напряжения и значения тока также должны быть проанализированы. Устройства с одинаковым напряжением питания и заземления можно сгруппировать и разместить рядом друг с другом.

Это особенно важно в проектах со смешанными сигналами, где компоненты беспроводной связи (сотовая, Wi-Fi, Bluetooth), цифровые и аналоговые компоненты, такие как усилители звука или видео, работают бок о бок. Разделяя их друг от друга, тем самым избегаем интерференции сигналов чувствительных к помехам схем с сигналами, генерируемыми сильно мешающими компонентами. Хотя в принципе это может показаться простой задачей, реализовать зонирование в реальных конструкциях печатных плат может быть сложно.

Скин-эффект можно использовать для разделения компонентов печатной платы с разными функциями. Благодаря этому обратные токи цифровых или радиосигналов на практике движутся только по поверхности заземляющего слоя, и этот слой настолько тонкий, что они не будут мешать обратным токам других типов компонентов. Поэтому одна плоскость массы в диапазоне более высоких частот подобна соединению двух, которые не контактируют друг с другом.

Например при десятикратном увеличении частоты в мегагерцовом диапазоне глубина проникновения тока уменьшается примерно в 3 раза. Поскольку на этих частотах это часть стандартной толщины медных слоев, можно с уверенностью предположить что обратные токи, протекающие по противоположным сторонам плоскости масс, определенно не будут “смешиваться”. Полученная “двойная” плоскость может использоваться, например, путем размещения модулей связи на верхней стороне печатной платы, а цифровых компонентов на нижней.

Специфика высокоскоростных схем

Рекомендуется избегать размещения высокоскоростных микросхем близко к краю печатной платы. Это связано с тем, что ближе к краям платы управлять сопротивлением труднее. Кроме того, на периферии печатных плат такие компоненты с большей вероятностью будут подвергаться более сильным электромагнитным помехам. Источником их могут быть разъемы, установленные на краях. Поэтому высокоскоростные компоненты следует размещать ближе к центру печатной платы.

Еще надо учитывать их больший нагрев по сравнению с платами без таких компонентов. Поэтому для обеспечения оптимальных условий работы необходимо обеспечить поток воздуха. Поэтому не размещайте крупные детали, такие как соединители, в высокоскоростных схемах по пути охлаждения воздушного потока.

В случае печатных плат с компонентами этого типа оконечные резисторы также требуют особого внимания. Чем длиннее соединение между выводом микросхемы и резистором, тем сильнее отражение волны может повлиять на качество сигналов. Поэтому следует постараться максимально сократить длину этих соединений.

Разработка печатной платы

Распространенная ошибка при разработке печатной платы – не учитывать ее выполнимость. Сосредоточившись на других моментах, легко подготовить проект который сложно реализовать.

Одним из потенциально проблемных упущений является слишком близкое расположение компонентов печатной платы. Во-первых, это может вызвать функциональные проблемы, например если не обеспечивается надлежащее охлаждение и компоненты расположенные слишком близко друг к другу становятся очень горячими, а во-вторых, такое трудно собрать.

Поэтому в этом отношении рекомендуется соблюдать минимальные расстояния между деталями. Расстояние между дискретными компонентами, такими как конденсаторы и резисторы, всегда должно быть не менее 0,254 мм, рекомендуется 0,762 мм. Соблюдая эти правила можно избежать многих проблем.

Выбор техники сборки

Не следует «смешивать» компоненты для бессвинцовой пайки с компонентами, которые не следует собирать этим методом. Потому что, если какой-либо элемент требует бессвинцовой пайки и для него нет традиционной замены, тогда вся плата должна быть собрана без свинца. Следовательно, все остальные компоненты также должны подходить для бессвинцовой сборки.

По возможности следует избегать использования радиодеталей, предназначенных для сборки различными способами. Например преимущества включения в конструкцию одного компонента для сборки в сквозном отверстии обычно редко перевешивают связанные с этим затраты. Более эффективное решение, – использовать много таких компонентов или не использовать их вообще. Здесь также стоит напомнить, что если решим использовать элементы для сквозной сборки, все такие компоненты должны быть размещены на одной стороне печатной платы. Это сократит время изготовления и облегчит настройку.