對(duì)于任何電子產(chǎn)品，無(wú)論是復(fù)雜的手機(jī)還是任何其他簡(jiǎn)單的低成本電子玩具，印刷電路板(PCB)都是必不可少的組件。在產(chǎn)品開發(fā)周期中，設(shè)計(jì)成本管理是一個(gè)巨大的問(wèn)題，而PCB是BOM中最容易被忽視和成本更高的組件。PCB的成本遠(yuǎn)高于電路中使用的任何其他組件，因此減小PCB 尺寸不僅會(huì)減小產(chǎn)品的尺寸，而且在大多數(shù)情況下還會(huì)降低生產(chǎn)成本。但是，如何減小PCB 尺寸是電子產(chǎn)品生產(chǎn)中的一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題，因?yàn)镻CB的尺寸取決于一些因素并且有其局限性。在本文中，我們將介紹減小PCB尺寸的設(shè)計(jì)技術(shù)。
1.用于減少軌道空間和組件間距的多層PCB
印刷電路板中的主要空間由布線占據(jù)。原型階段，無(wú)論何時(shí)測(cè)試電路，都使用一層或最多雙層 PCB 板。然而，大多數(shù)情況下，電路是使用SMD(表面貼裝器件)制成的，這就使設(shè)計(jì)人員使用雙層電路板。以雙層設(shè)計(jì)電路板打開了所有組件的表面通路，并為布線提供了電路板空間。如果板層增加超過(guò)兩層，例如四層或六層，則板表面空間可以再次增加。但是，有一個(gè)缺點(diǎn)。如果電路板設(shè)計(jì)為使用兩層、四層甚至更多層，則在電路的測(cè)試、維修和返工方面會(huì)產(chǎn)生巨大的復(fù)雜性。
因此，只有在原型階段對(duì)電路板進(jìn)行了良好的測(cè)試，才能實(shí)現(xiàn)多層(主要是四層)。除了電路板尺寸外，設(shè)計(jì)時(shí)間也比在更大的單層或雙層板上設(shè)計(jì)相同的電路要短得多。通常，電源走線和接地回路填充層被識(shí)別為高電流路徑，因此它們需要較粗的走線。這些高走線可以在頂層或底層布線，低電流路徑或信號(hào)層可以用作四層 PCB 的內(nèi)部層。圖1顯示了四層PCB。
圖1 四層PCB
但是有一些通用的權(quán)衡。多層PCB的成本高于單層板。因此，在將單層或雙層板更改為四層PCB之前，必須計(jì)算成本。但是增加層數(shù)可能會(huì)顯著改變電路板的尺寸。
2.通過(guò)改變銅厚度來(lái)管理散熱問(wèn)題
PCB為大電流電路設(shè)計(jì)提供了一個(gè)非常有用的案例，即PCB中的熱管理。當(dāng)大電流流過(guò)PCB走線時(shí)，它會(huì)增加散熱并在路徑上產(chǎn)生電阻。然而，除了用于管理高電流路徑的專用粗走線之外，PCB的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是創(chuàng)建PCB 散熱器。因此，如果電路設(shè)計(jì)使用大量PCB銅面積進(jìn)行熱管理或?yàn)楦唠娏髹E線分配巨大空間，則可以通過(guò)增加銅層厚度來(lái)縮小電路板尺寸。
根據(jù)IPC2221A，設(shè)計(jì)人員應(yīng)為所需的電流路徑使用最小走線寬度，但應(yīng)考慮總走線面積。通常，PCB過(guò)去的銅層厚度為1Oz (35um)。但是可以增加銅的厚度。因此，通過(guò)使用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算，將厚度加倍到2Oz (70um)可以將走線尺寸減少一半，而電流容量則相同。除此之外，2Oz銅厚度也有利于基于PCB的散熱器。還有更重的銅容量，范圍從4Oz 到10Oz。
因此，增加銅厚度有效地減小了 PCB 尺寸。下圖2是用于計(jì)算PCB走線寬度的在線計(jì)算器。
圖2 計(jì)算PCB走線寬度的在線計(jì)算器
將流過(guò)跡線的電流值為1A。銅的厚度設(shè)置為1 盎司(35 微米)。在25 攝氏度的環(huán)境溫度下，跡線上的溫度會(huì)升高10度。根據(jù)IPC2221A 標(biāo)準(zhǔn)的走線寬度輸出是：
現(xiàn)在，在相同的規(guī)格中，如果增加銅厚，可以減少走線寬度。
所需的厚度僅為：
3.元件封裝選擇
元件選擇是電路設(shè)計(jì)中的一件大事。電子產(chǎn)品中有相同但不同的封裝組件。例如，額定功率為0.125瓦的簡(jiǎn)單電阻器可以采用不同的封裝，如0402、0603、0805、1210 等。大多數(shù)情況下，原型 PCB使用更大的組件，這些組件使用0805或1210電阻器以及具有比一般更高間隙的非極化電容器，因?yàn)楦子谔幚怼⒑附印⒏鼡Q或測(cè)試。但這種設(shè)計(jì)最終會(huì)占用大量的棋盤空間。在生產(chǎn)階段，可以將組件更改為具有相同額定值的較小封裝，并且可以壓縮電路板空間。我們可以減小這些組件的封裝尺寸。
圖3 組件的封裝尺寸
但是使用小于0402的封裝是不切實(shí)際的，因?yàn)榭捎糜谏a(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)拾放機(jī)在處理小于0402的SMD封裝時(shí)可能存在限制。較小組件的另一個(gè)缺點(diǎn)是額定功率。比0603更小的封裝可以處理比0805或1210低得多的電流。因此，需要仔細(xì)考慮選擇合適的組件。在這種情況下，當(dāng)較小的封裝不能用于減小PCB 尺寸時(shí)，可以編輯封裝占位面積并盡可能縮小元件焊盤。設(shè)計(jì)師可以通過(guò)改變足跡來(lái)將東西擠得更緊。
由于設(shè)計(jì)公差，可用的默認(rèn)封裝是可以容納任何版本封裝的通用封裝。例如，0805封裝的占位面積是這樣制作的，它可以覆蓋盡可能多的0805 變化。這些變化是由于制造能力的差異而發(fā)生的。不同的公司使用不同的生產(chǎn)機(jī)器，過(guò)去對(duì)同一個(gè)0805封裝有不同的公差。因此，默認(rèn)封裝尺寸略大于所需。可以使用特定組件的數(shù)據(jù)表手動(dòng)編輯封裝，并可以根據(jù)需要縮小焊盤尺寸。
使用基于SMD的電解電容器也可以縮小電路板尺寸，因?yàn)樗鼈兊闹睆剿坪醣染哂邢嗤~定值的通孔元件更小。
圖4 0805封裝
4.緊湊型連接器
另一個(gè)需要空間的組件是連接器。連接器使用更大的電路板空間，占用空間也使用更大直徑的焊盤。如果電流和電壓額定值允許，更改連接器類型會(huì)非常有用。連接器制造公司，例如Molex或Wurth Electronics或任何其他大公司，總是提供基于多種尺寸的同類型連接器。因此，選擇合適的尺寸可以節(jié)省成本和電路板空間。
5.電阻網(wǎng)絡(luò)
主要在基于微控制器的設(shè)計(jì)中，串聯(lián)傳輸電阻始終是保護(hù)微控制器免受流經(jīng)IO引腳的高電流所必需的。因此，需要8個(gè)以上的電阻，有時(shí)需要16個(gè)以上的電阻作為串聯(lián)通過(guò)電阻。如此大量的電阻器在PCB中增加了更多空間。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)使用電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)解決。一個(gè)簡(jiǎn)單的基于1210 封裝的電阻器網(wǎng)絡(luò)可以為4或6個(gè)電阻器節(jié)省空間。圖5是1206封裝中的5個(gè)電阻器。
圖5 1206封裝中的5個(gè)電阻器
6.堆疊包裝而不是標(biāo)準(zhǔn)包裝
有很多設(shè)計(jì)需要多個(gè)晶體管甚至兩個(gè)以上的MOSFET 用于不同目的。與使用堆疊封裝相比，添加單個(gè)晶體管或Mosfets 最終可能會(huì)占用更多空間。有多種選項(xiàng)可在單個(gè)封裝中使用多個(gè)組件。例如，還提供雙 Mosfet 或四 MOSFET 封裝，它們僅占用一個(gè) Mosfet 的空間，可以節(jié)省大量電路板空間。
這些技巧幾乎可以應(yīng)用于每個(gè)組件。這會(huì)導(dǎo)致更小的電路板空間，而且好處是，有時(shí)這些組件的成本低于使用單個(gè)組件的成本。
以上就是如何設(shè)計(jì)小型的印刷電路板(PCB)介紹了。然而，成本、復(fù)雜性與印刷電路板(PCB)尺寸之間總是存在一些與決策相關(guān)的關(guān)鍵權(quán)衡，因此需要選擇取決于目標(biāo)應(yīng)用或特定目標(biāo)電路設(shè)計(jì)的確切路徑。
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