نکاتی در باب طراحی برد مدار چاپی

 متاسفانه بدلایل کاری مجبورم مدتی از پردازش تصویر (Image Processing) و برنامه های مبتنی بر شناسایی تصویر(Image Recognition) دور باشم. توفیق اجباری شد که دوباره در زمینه مدارات الکترونیک، طراحی بردهای مدار چاپی و برنامه نویسی میکروکنترلرها فعالیت کنم.

در همین زمینه میخوام درباره بعضی اشکالات رایج در طراحی PCB کمی بررسی کنم و از تجربیات خودم و دیگران در اینجا صحبت کنم:

۱- اولین طراحی برد مدار چاپی، طرحی که قراره به عنوان طرح نهایی چاپ بشه نیست!

معمولا اولین طراحی فقط برای پیاده سازی ایده هست. ساخت یک نمونه اولیه (Prototype) همواره با چالش هایی مواجه هست. این نمونه احتمالا با طرح نهایی تفاوتهایی داره و قرار نیست دقیقا این نمونه به عنوان محصول ساخته بشه.

هزینه کرد چند دلاری (متاسفانه عدم ثبات ریال، تخمین ریالی هزینه ها رو ناممکن کرده ولی در طی این سالها معمولا هزینه ها به دلار تغییری نداشته اند) برای ساخت یک نمونه اولیه و رفع ایرادات، در نهایت باعث صرفه جویی در هزینه های کلی مربوط به عیب یابی محصول خواهد شد.

۲- در Prototype محصول در تنظیم ابعاد برد مدار چاپی خساست نکنید!

در نمونه اولیه سایز و شکل برد اهمیت چندانی ندارد. استفاده از طرح های مستطیلی ساده به جای طرح های پیچیده، باعث تمرکز طراح بر صحت کارکرد مدار و استانداردهای طراحی خواهد شد.

استفاده از فاصله مناسب و فضای خالی بین المانها در طرح اولیه کار مونتاژ و دمونتاژ برد را ساده تر خواهد کرد. در نظر بگیرید احتمال تغییرات در برد و المانها وجود خواهد داشت. در بردهای با چگالی المان بالا کار مونتاژ برد و دمونتاژ قطعات برد بسیار انرژی بر خواهد بود. استفاده از قطعات سایز بزرگتر (مثلا استفاده از قطعات 1206 یا 0805 بجای قطعات سایز کوچکتر) به طراح برد در این مرحله کمک خواهد کرد.

۳- قرار دادن نقاط تست (Test Point) در برد

در طراحی بردهای مدار چاپی باید نقاطی برای اندازه گیری ولتاژ مدار قرار داده شود. به عنوان مثال پد هایی بر روی برد تعبیه شود که ولتاژ یک نقطه خاص مدار را بتوان اندازه گیری کرد و در صورت عدم صحت ولتاژ اندازه گیری شده اقدام به عیب یابی نمود.

به عنوان مثال برای اندازه گیری ولتاژ کلکتور یک ترانزیستور میتوان یک پد خالی به پایه کلکتور اتصال داد و در هنگام عیب یابی با اندازه گیری ولتاژ کلکتور و مقایسه با ولتاژ مورد انتظار صحت عملکرد مدار را سنجید.

۴- استفاده از LED در مدار برای عیب یابی مدارات دیجیتال

در مدارات دیجیتال با استفاده از LED میتوان صحت عملیات را بررسی کرد. مثلا بعد از انجام هر مرحله از برنامه یک LED روشن شود یا چشمک بزند. در این حالت میتوان به راحتی اقدام به دیباگ کردن برنامه های میکرو کنترلری نمود.

۵-استفاده از چاپ راهنما در طرح 

با استفاده از چاپ راهنما در PCB احتمال خطا در جایگذاری قطعات کاهش می‌یابد. به این صورت صحت ساخت مدار بالا میرود و سرعت مونتاژ برد افزایش می‌یابد.

سایز ۲ میلی متر در بیشتر دستگاهها یک چاپ با قابلیت مناسب خواندن توسط انسان خواهد بود. بین قطعات فاصله مناسب برای قرار گیری چاپ راهنما را قرار بدهید و از هم تنیدگی اطلاعات قطعات با یکدیگر جلوگیری کنید.

۶- چند بخش کردن PCB و اتصال آنها با یکدیگر به وسیله جامپر

با استفاده از طراحی بخش بخش PCB میتوان صحت کارکرد هر قسمت را بصورت جداگانه سنجید و در صورت ایراد طراحی تنها بخش مورد نظر را تغییر داد. در این حالت میتوان قسمت تغذیه را از قسمت دیجیتال و آنالوگ جدا کرد و بصورت جداگانه هر قسمت را عیب یابی نمود.

۷- قرار دادن چند پایه GPIO خالی بر روی برد

در مدارات میکروکنترلری حتما چند پایه GPIO بلا استفاده بر روی برد تعبیه شود. این کار به توسعه مدار در صورت نیاز و همچنین عیب یابی مدار با اضافه کردن LED خارجی کمک میکند. در نمونه اولیه احتمال تغییرات در مدار وجود دارد. با استفاده از این پایه ها میتوان راحت تر دست به تغییرات احتمالی زد.

۸- چک کردن نحوه Pair شدن دیوایس های دارای اتصال UART با یکدیگر

در صورتیکه از قطعات سریال استفاده میکنید حتما نحوه اتصال این قطعات به میکرو را کنترل کنید. در برگه های فنی بعضی قطعات TX=>TX و RX=>RX هستند و در بعضی قطعات TX=>RX هستند. برای جلوگیری از اشکالات احتمالی میتوان از تکنیک POKA YOKE (همانند تصویر فوق) برای اتصال استفاده نمود. در این روش، با توجه به نوع اتصال میتوان با مقاومت صفر اهم بین پین های متناظر اتصال برقرار کرد.

۹- ممانعت از I2C Conflict

در صورت استفاده از ماژولهای با اینترفیس I2C برای پایه های آدرس ماژول امکان پول آپ و پول داون را در نظر بگیریم. بسنده کردن به آدرس پیش فرض ماژول بدون تغییر در آدرس آن امکان تداخل با دیگر ماژولها را افزایش میدهد.

۱۰- تطبیق Foot Print قطعه و کتابخانه با هم

در هنگام طراحی مدار از تطابق فوت پرینت قطعات و شماتیک آن با فوت پرینت قطعات در نرم افزار طراحی ( آلتیوم- ارکد- پرتئوس- ایگل - کیکد و ...) اطمینان حاصل کنید.

۱۱- بررسی وجود قطعه در بازار

در نهایت از وجود قطعه‌ی مورد استفاده در طراحی در بازار اطمینان حاصل کنید. ممکن است موجودی یک قطعه در موقع طراحی شما، یا فوت پرینت مورد استفاده شما در بازار موجود نباشد. قبل از شروع طراحی از موجودی قابل اتکاء قطعات در بازار اطلاع یابید.

این متن با فرض بلد بودن طراحی و نکات آن نوشته شده است و عمدتا حاوی نکات کاربردی در رابطه با طراحی است. احتمالا در آینده درباره استاندارد های طراحی و نویز در مدارات صحبت کنم. 

تا چه پیش آید.