Prejsť na obsah
Inovasense

PCB Design

Návrh PCB — Inžinierska disciplína navrhovania viacvrstvových dosiek plošných spojov, ktoré prepájajú elektronické súčiastky v hardvérových výrobkoch.

Definícia
Návrh PCB — Inžinierska disciplína navrhovania viacvrstvových dosiek plošných spojov, ktoré prepájajú elektronické súčiastky v hardvérových výrobkoch.

PCB Design — Návrh dosiek plošných spojov

Návrh PCB (Printed Circuit Board, doska plošných spojov) je inžiniersky proces tvorby fyzickej dosky, ktorá mechanicky nesie a elektricky prepája elektronické súčiastky pomocou vodivých medených spojov, plôšok a prekovov (via) vyleptaných na vrstvách laminátového substrátu.

Prečo na návrhu PCB záleží

Na doske plošných spojov sa schéma výrobku mení na fyzickú realitu. Nekvalitný návrh PCB môže spôsobiť:

  • Zlyhania integrity signálu — Presluchy, odrazy, impedančné neprispôsobenie vo vysokorýchlostných rozhraniach.
  • Problémy s napájaním — Poklesy napätia, nadmerný šum, zákmity zeme (ground bounce).
  • Nesúlad s požiadavkami EMC — Nesplnenie požiadaviek na označenie CE (EN 55032/55035) v dôsledku vyžarovaných alebo vedených emisií.
  • Tepelné problémy — Prehrievanie súčiastok, znižovanie ich zaťažiteľnosti (derating), kratšia životnosť výrobku.
  • Výrobné chyby — Porušenia pravidiel DFM, ktoré zvyšujú podiel nepodarkov a náklady.

Skladba vrstiev PCB (stack-up)

Moderné hardvérové výrobky používajú viacvrstvové dosky plošných spojov. Počet vrstiev závisí od zložitosti:

AplikáciaTypický počet vrstievHlavné výzvy
Jednoduchý senzor IoT2–4Optimalizácia nákladov, umiestnenie antény
Priemyselná riadiaca jednotka4–6Oddelenie analógových a digitálnych signálov (mixed-signal), EMC
Nosná doska pre FPGA8–12Vysokorýchlostné DDR, riadená impedancia (controlled impedance)
Systém pre obranu/letectvo a kozmonautiku12–20Trasovanie SerDes (112G), integrita napájania
Serverová/HPC doska16–24PCIe Gen5/6, tepelný manažment

Kľúčové disciplíny návrhu PCB

Integrita signálu (SI)

Pri vysokorýchlostných rozhraniach (DDR5, PCIe Gen5, 112G SerDes, LVDS) analýza integrity signálu zabezpečuje:

  • Riadenú impedanciu — Šírky spojov a skladba vrstiev vyladené na 50 Ω/100 Ω diferenciálne.
  • Vyrovnanie dĺžok — Kľúčové pre DDR a paralelné zbernice.
  • Optimalizáciu prekovov — Spätné odvŕtanie (back-drilling), prekov v plôške (via-in-pad), dimenzovanie anti-padov.
  • Analýzu presluchov — Pravidlá rozstupov, ktoré bránia väzbe medzi susednými spojmi.

Integrita napájania (PI)

Analýza napájacej siete (Power Delivery Network, PDN) zabezpečuje stabilné napájacie napätie:

  • Rozmiestnenie blokovacích kondenzátorov — Optimalizované na cieľovú impedanciu v celom frekvenčnom rozsahu.
  • Analýza rezonancií plôch (plane resonance) — Identifikácia a tlmenie rezonancií PDN.
  • Návrh modulu regulátora napätia (VRM) — Regulátory v mieste záťaže (point-of-load), poradie nábehu napájacích napätí (power sequencing).
  • Analýza prúdovej hustoty — Predchádzanie prehrievaniu medi na cestách s veľkým prúdom.

Návrh pre výrobu (Design for Manufacturing, DFM)

  • Rozmiestnenie súčiastok — Ohľad na automatizovanú montáž (odstupy pre osadzovacie automaty pick-and-place).
  • Panelizácia — Optimalizácia rozloženia dosiek na výrobnom paneli pre efektívnu výrobu.
  • Testovateľnosť — Prístup k testovacím bodom pre test v obvode (In-Circuit Test, ICT) a boundary scan (JTAG).
  • Normy IPC — IPC-2221 (všeobecná), IPC-6012 (kvalifikácia), IPC-A-610 (prijateľnosť).

EMC a súlad s predpismi

  • Označenie CE — Skúšky EMC podľa EN 55032 (emisie) a EN 55035 (odolnosť).
  • Tienenie — Strategicky umiestnené zemné plochy, ochranné spoje (guard traces), tieniace kryty.
  • Filtrácia — Prúdovo kompenzované tlmivky (common-mode chokes), feritové perly na rozhraniach I/O.
  • REACH a RoHS — Súlad materiálov s environmentálnymi predpismi EÚ.

Postup návrhu PCB

  1. Tvorba schémy — Výber súčiastok, návrh obvodu, priradenie sietí (netov).
  2. Knižnica súčiastok — Tvorba a overovanie puzdier (footprintov), 3D modelov a schematických značiek.
  3. Obrys dosky a obmedzenia — Mechanický formát (form factor), montážne otvory, polohy konektorov.
  4. Definícia skladby vrstiev — Cieľové impedancie, rozloženie signálových, napájacích a zemných vrstiev.
  5. Rozmiestnenie súčiastok — Strategické umiestnenie s ohľadom na tok signálov, teplo a vyrobiteľnosť.
  6. Trasovanie — Vedenie spojov podľa pravidiel riadených obmedzeniami (impedancia, dĺžka, rozstupy).
  7. DRC/ERC — Kontrola návrhových pravidiel (Design Rule Check) a kontrola elektrických pravidiel (Electrical Rule Check).
  8. Výrobné podklady — Súbory Gerber, vŕtacie súbory, kusovník (BOM), montážne výkresy.

Nástroje na návrh PCB

NástrojDodávateľTypické použitie
Altium DesignerAltiumVšeobecný profesionálny návrh PCB
Cadence AllegroCadenceVysokorýchlostné, zložité viacvrstvové dosky
PADS Professional / XpeditionSiemensVeľké podniky, obrana, automobilový priemysel
KiCadOpen source (otvorený zdrojový kód)Prototypovanie, vzdelávanie, projekty citlivé na náklady
OrCADCadenceProfesionálny návrh strednej triedy

Súvisiace pojmy

  • FPGA — Dosky plošných spojov pre systémy s FPGA vyžadujú pokročilé skladby vrstiev a vysokorýchlostné trasovanie.
  • SoC — Obvody typu System-on-Chip vyžadujú starostlivý súbežný návrh PCB z hľadiska napájania a odvodu tepla.
  • IoT — Dosky plošných spojov výrobkov IoT musia vyvážiť obmedzenia nákladov, rozmerov, antény a napájania.
  • Označenie CE — Skúšky zhody EMC sú neoddeliteľné od kvality návrhu PCB.

Naša služba priemyselného dizajnu a návrhu PCB pokrýva tvorbu schémy, návrh viacvrstvovej skladby, analýzu integrity signálu a napájania a revíziu DFM — aby hardvér spĺňal požiadavky EMC pre označenie CE už od prvého prototypu.

Oficiálne referencie

Súvisiace pojmy