如何设计小型的印刷电路板

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　　对于任何电子产品，无论是复杂的手机还是任何其他简单的低成本电子玩具，印刷电路板(PCB)都是必不可少的组件。在产品开发周期中，设计成本管理是一个巨大的问题，而PCB是BOM中最容易被忽视和成本更高的组件。PCB的成本远高于电路中使用的任何其他组件，因此减小PCB 尺寸不仅会减小产品的尺寸，而且在大多数情况下还会降低生产成本。但是，如何减小PCB 尺寸是电子产品生产中的一个复杂问题，因为PCB的尺寸取决于一些因素并且有其局限性。在本文中，我们将介绍减小PCB尺寸的设计技术。

　　1.用于减少轨道空间和组件间距的多层PCB

　　印刷电路板中的主要空间由布线占据。原型阶段，无论何时测试电路，都使用一层或最多双层 PCB 板。然而，大多数情况下，电路是使用SMD(表面贴装器件)制成的，这就使设计人员使用双层电路板。以双层设计电路板打开了所有组件的表面通路，并为布线提供了电路板空间。如果板层增加超过两层，例如四层或六层，则板表面空间可以再次增加。但是，有一个缺点。如果电路板设计为使用两层、四层甚至更多层，则在电路的测试、维修和返工方面会产生巨大的复杂性。

　　因此，只有在原型阶段对电路板进行了良好的测试，才能实现多层(主要是四层)。除了电路板尺寸外，设计时间也比在更大的单层或双层板上设计相同的电路要短得多。通常，电源走线和接地回路填充层被识别为高电流路径，因此它们需要较粗的走线。这些高走线可以在顶层或底层布线，低电流路径或信号层可以用作四层 PCB 的内部层。图1显示了四层PCB。

　　图1 四层PCB

　　但是有一些通用的权衡。多层PCB的成本高于单层板。因此，在将单层或双层板更改为四层PCB之前，必须计算成本。但是增加层数可能会显着改变电路板的尺寸。

　　2.通过改变铜厚度来管理散热问题

　　PCB为大电流电路设计提供了一个非常有用的案例，即PCB中的热管理。当大电流流过PCB走线时，它会增加散热并在路径上产生电阻。然而，除了用于管理高电流路径的专用粗走线之外，PCB的一个主要优势是创建PCB 散热器。因此，如果电路设计使用大量PCB铜面积进行热管理或为高电流迹线分配巨大空间，则可以通过增加铜层厚度来缩小电路板尺寸。

　　根据IPC2221A，设计人员应为所需的电流路径使用最小走线宽度，但应考虑总走线面积。通常，PCB过去的铜层厚度为1Oz (35um)。但是可以增加铜的厚度。因此，通过使用简单的数学运算，将厚度加倍到2Oz (70um)可以将走线尺寸减少一半，而电流容量则相同。除此之外，2Oz铜厚度也有利于基于PCB的散热器。还有更重的铜容量，范围从4Oz 到10Oz。

　　因此，增加铜厚度有效地减小了 PCB 尺寸。下图2是用于计算PCB走线宽度的在线计算器。

　　图2 计算PCB走线宽度的在线计算器

　　将流过迹线的电流值为1A。铜的厚度设置为1 盎司(35 微米)。在25 摄氏度的环境温度下，迹线上的温度会升高10度。根据IPC2221A 标准的走线宽度输出是：

　　现在，在相同的规格中，如果增加铜厚，可以减少走线宽度。

　　所需的厚度仅为：

　　3.元件封装选择

　　元件选择是电路设计中的一件大事。电子产品中有相同但不同的封装组件。例如，额定功率为0.125瓦的简单电阻器可以采用不同的封装，如0402、0603、0805、1210 等。大多数情况下，原型 PCB使用更大的组件，这些组件使用0805或1210电阻器以及具有比一般更高间隙的非极化电容器，因为更易于处理、焊接、更换或测试。但这种设计最终会占用大量的棋盘空间。在生产阶段，可以将组件更改为具有相同额定值的较小封装，并且可以压缩电路板空间。我们可以减小这些组件的封装尺寸。

　　图3 组件的封装尺寸

　　但是使用小于0402的封装是不切实际的，因为可用于生产的标准拾放机在处理小于0402的SMD封装时可能存在限制。较小组件的另一个缺点是额定功率。比0603更小的封装可以处理比0805或1210低得多的电流。因此，需要仔细考虑选择合适的组件。在这种情况下，当较小的封装不能用于减小PCB 尺寸时，可以编辑封装占位面积并尽可能缩小元件焊盘。设计师可以通过改变足迹来将东西挤得更紧。

　　由于设计公差，可用的默认封装是可以容纳任何版本封装的通用封装。例如，0805封装的占位面积是这样制作的，它可以覆盖尽可能多的0805 变化。这些变化是由于制造能力的差异而发生的。不同的公司使用不同的生产机器，过去对同一个0805封装有不同的公差。因此，默认封装尺寸略大于所需。可以使用特定组件的数据表手动编辑封装，并可以根据需要缩小焊盘尺寸。

　　使用基于SMD的电解电容器也可以缩小电路板尺寸，因为它们的直径似乎比具有相同额定值的通孔元件更小。

　　图4 0805封装

　　4.紧凑型连接器

　　另一个需要空间的组件是连接器。连接器使用更大的电路板空间，占用空间也使用更大直径的焊盘。如果电流和电压额定值允许，更改连接器类型会非常有用。连接器制造公司，例如Molex或Wurth Electronics或任何其他大公司，总是提供基于多种尺寸的同类型连接器。因此，选择合适的尺寸可以节省成本和电路板空间。

　　5.电阻网络

　　主要在基于微控制器的设计中，串联传输电阻始终是保护微控制器免受流经IO引脚的高电流所必需的。因此，需要8个以上的电阻，有时需要16个以上的电阻作为串联通过电阻。如此大量的电阻器在PCB中增加了更多空间。这个问题可以通过使用电阻网络来解决。一个简单的基于1210 封装的电阻器网络可以为4或6个电阻器节省空间。图5是1206封装中的5个电阻器。

　　图5 1206封装中的5个电阻器

　　6.堆叠包装而不是标准包装

　　有很多设计需要多个晶体管甚至两个以上的MOSFET 用于不同目的。与使用堆叠封装相比，添加单个晶体管或Mosfets 最终可能会占用更多空间。有多种选项可在单个封装中使用多个组件。例如，还提供双 Mosfet 或四 MOSFET 封装，它们仅占用一个 Mosfet 的空间，可以节省大量电路板空间。

　　这些技巧几乎可以应用于每个组件。这会导致更小的电路板空间，而且好处是，有时这些组件的成本低于使用单个组件的成本。

　　以上就是如何设计小型的印刷电路板(PCB)介绍了。然而，成本、复杂性与印刷电路板(PCB)尺寸之间总是存在一些与决策相关的关键权衡，因此需要选择取决于目标应用或特定目标电路设计的确切路径。