Altium Designer Dersleri 11 – PCB Çizimi

Merhaba Arkadaşlar,
Yavaş yavaş yazı dizisinin sonuna yaklaşıyoruz. Bugün genel olarak PCB çizimi sırasında dikkat etmemiz gereken konular üzerinde duracağız. Bu dersi serinin sonuna doğru yapmamın nedeni projelerde adım adım ilerlemenin önemli olduğudur. Bence PCB çizimi donanım tasarım projelerinin en eğlenceli bölümüdür, ancak önceki adımları düzgün yapmazsanız PCB’yi tekrar tekrar düzenlemeniz gerekebilir ve bu bir süre sonra eziyete dönüşebilir. O nedenle bana güvenerek yazıları sırayla okuyun. 🙂

Yapılan projeye göre PCB çiziminde farklı şeylere dikkat edilmesi gerekebilir. Örneğin yüksek frekanslı bir devre tasarımı ile düşük frekans ancak yüksek akım değerlerinde çalışan devre tasarımı arasında büyük farklılıklar vardır. Bu nedenle çizime geçmeden önce projemizi tanıyarak tasarım kurallarını belirlememiz gerekmektedir. Tasarım kurallarını belirlediğimizde çizim programınız bizim bu kuralların dışına çıkmamıza izin vermeyerek oluşabilecek hataları engelleyecektir. Bu basit sorulara gelecek olursak.

• Kartın boyut sınırlaması veya özel bir şekli var mı?

Eğer yapılacak kart bir kutunun içerisine yerleştirilecek ise veya başka bir kart için bir modül üretilecekse kartın mekanik yapısı diğer sistemler ile uyumlu olması gerekmektedir. Bu nedenle öncelikle kartın mekanik yapısının belirlenmesi önemlidir.

• Yüksek frekanslı hatlar var mı? Varsa bu hatların özellikleri neler?

Yüksek frekanslı hatlarda iletişimin düzgün sağlanabilmesi için pek çok duruma dikkat edilmesi gerekmektedir. Bunlardan en önemlisi empedans uyumluluğudur. Örneğin USB protokolünde D+ ve D- karakteristik empedansı 90 Ω olan differantial pair hat olarak çekilmesi gerekir. Bunun dışında yüksek hızlı hatlar çizilirken de yapılan dönüşler, via kullanım şekli, geri dönüş akımı gibi çok fazla duruma dikkat edilmesi gerekir. Ancak bu bambaşka bir konu. Kafa karışıklığı olmaması için şimdilik bu genel kültür bilgisi yeterli. 🙂

• Yüksek akımların akacağı hatlar var mı? Varsa bu hatların özellikleri neler?

Yüksek akım söz konusu olduğunda ise geçecek akım değerine göre hat genişliğinin veya çok yüksek akımlar geçecekse bakır kalınlığının (copper thickness) belirlenmesi gerekir. Bunun için ücretsiz bir yazılım olan ve PCB konusunda pek çok hesaplama işlemini gerçekleştirebilen Saturn PCB Toolkit aracını kullanabilirsiniz.

• Üretimden kaynaklı sınırlamalar var mı?

Üretici firmanın sınırlamaları veya üretim maliyetinden dolayı oluşabilecek sınırlamalardan dolayı minimum hat kalınlığı, hatlar arası minimum mesafe veya viaların minimum delik genişliği gibi parametrelerin çizime başlamadan önce belirlenmesi faydalı olacaktır. Örneğin genellikle çindeki üretim firmaları ile ucuz maliyete üretilebilecek iki katlı standart bir PCB için bu değerler sırasıyla 6 mil, 6 mil ve 0,3 mm’dir. Çiziminizde bu değerlerin altına indiğinizde üretim maliyetinin üstel olarak arttığını göreceksiniz. 🙂

Şimdi bu soruları cevapladıktan sonra kurallarımızı Altium Designer’da nasıl tanımlayacağımıza bakalım. Bunun içi oluşturduğumuz PCB dosyasına girdikten sonra Design>Rules… yolunu izleyerek Şekil 1’de görülen tasarım kuralları penceresine ulaşıyoruz.

Burada örnek olarak “Clearance” kuralını görüyoruz. Solda bulunan sütunda ne kadar çok kural oluşturabileceği görülüyor. Devreler karmaşıklaştıkça bu kuralların düzgün oluşturulması hayati öneme sahiptir. Şimdi örnek olarak birkaç kuralın ne anlama geldiğine kısaca değinelim. Kalanları inceleyerek öğreneceğinizi umuyorum. Yaparsınız değil mi? 🙂

• Clearance, boşluk anlamına gelen bu kural ile iki şey arasında izin verdiğimiz minimum mesafeyi belirleyebiliyoruz. Matris şeklinde yapılan gösterim sayesinde satır ve sütunun kesişim noktasına olması gereken minimum mesafeyi yazabiliyoruz.

• Short-Circuit, kuralı birbirine bağlanmaması gereken iki hattın kısa devre edilmesini engellemek için kullanılır. Kısa devre hiçbir zaman olmaması gerekmez mi diye sorabilirsiniz. Bende size RF sistemlerde kısa devrenin çok farklı bir anlamı olduğunu söylerim. 🙂

• Width, çizilecek hat kalınlıklarının minimum ve maksimum değerlerinin belirlendiği kuraldır.

• Routing Vias Style, yerleştirilecek viaların minimum delik genişliği ve “diameter” parametrelerinin belirlendiği kuraldır.

• Polygon Connect Style, yerleştirilecek polygonlar (birazdan geleceğiz) ile via veya pad gibi şeylerin nasıl bağlantı kuracağının tanımlandığı kuraldır. Bağlantının nasıl gerçekleştirileceği görsel olarak gösterildiği için incelerken kolaylıkla anlayacağınıza eminim.

Kurallar bölümünde belirtmem gereken son konu belirli hatlara, katmanlara veya elemanlara göre özel kuralların oluşturulabiliyor olmasıdır. Bunun için Şekil 1’deki (1) numaralı bölüm olan “Where The First Object Matches” seçeneği kullanılabilir. Örneğin “Clearance” kuralını bir katman için farklı diğer katmanlar için farklı olacak şekilde ayarlayabilir veya bir differantial pair hattın özelliklerini sadece o hatta özel olacak şekilde belirleyebilirsiniz. Ayrıca aynı kategoride birden fazla kural oluşturarak bu kuralların önceliklerini belirleyebilirsiniz. Biraz kafanız karışmış olabilir, ancak zamanla ne demek istediğimi anlayacağınıza eminim.

Artık çizime geçebiliriz. PCB çiziminde elemanları yerleşimi, hatların nasıl çekileceği gibi konular bulunmaktadır ve bunları size kimse öğretemez. Bu konuları ancak kendi başınıza uğraşarak, bir tasarımı tekrar tekrar çizerek kısacası kan, ter ve gözyaşı dökerek geliştirebilirsiniz. Bu nedenle bu yazı serisi sadece sizin için bir kılavuz olabilir. Aslında kendinizin öğretmeni olduğunuz zaman bir şeyler öğrenmeye başlarsınız. Bu yazıdaki dozu da verdiğimize göre şimdi çizim tavsiyelerinde bulunarak yavaş yavaş yazımızı sonlandırabiliriz. 🙂

• Eleman yerleşimi

Elemanların kart üzerindeki yerleşimi kritik öneme sahiptir. Düzgün bir yerleşim çekilecek hatların daha kısa olması, daha az via kullanımı, eleman gürültülerinin birbirini daha az etkilemesi gibi avantajlara sahip olabilir. Örneğin analog elemanlar ile dijital elemanları birbirinden ayırmak gürültü açısından avantajlıdır. Tabii ki simetri ve düzene özen göstermeniz iyi olacaktır. Bunu söylememe gerek yok artık herhalde. 🙂

• Hat dönüşleri

Yüksek akım veya frekanslara çıkıldığında hat dönüşlerinin düzgün yapılmaması bozucu etkiler oluşturabilmektedir. Olabildiğince yumuşak dönüş yapmak, dik yapılan dönüşe göre daha iyi sonuç vermektedir. Altium Designer’de bu dönüşler arasında geçiş yapmak için “Interactive Routing” aracını seçtikten sonra “Shift + Space” kısa yolu ile yapmak istediğiniz dönüş şeklini seçebilirsiniz.

• Hatlar çizilirken

Hatlar çizilirken birkaç konuya dikkat edilmesi önemlidir. Örneğin hatlar birbirini etkilememesi için yüksek veya düşük frekans ayırt etmeksizin olabildiğince birbirinden uzak çizilmelidir. Hatlar arasında oluşan bu gürültüye “Cross-talk” denilmektedir. Bir diğer örnek yeni başlayanların sıklıkla yaptığı Şekil 3’de görülen hatların SMD direnç veya kondansatör gibi elemanların arasından geçirilmesidir. Bu durumdan da Cross-talk gürültüsünü arttırdığı için kaçınılması gerekir.

Ayrıca hatların olabildiğince kısa olmasını sağlamak ta önemlidir. Çünkü uzun hat daha büyük bir iletken alanı, daha büyük iletken alanı da hatta daha fazla gürültü dahil olması anlamına gelmektedir.

• Polygon kullanımı

Polygon, hatların olmadığı boşlukların iletken levha ile doldurulmasıdır. Genellikle besleme ve toprak hattı polygon üzerinden bağlanır. Polygon kullanımı dışarıdan gelen gürültü etkilerini azaltmaktadır.

• Açıklamalar

Kart üzerine pin numarası veya jumper’ların hangi işe yaradıkları gibi açıklamalar yerleştirmek test ve kartın kullanımı sırasında faydalı olmaktadır. Kimse her seferinde pin numarasını öğrenmek için kartın tasarımına bakmak istemez. Bu nedenle “Top Overlay” veya “Bottom Overlay” katmanlarına uygun işaretlerin eklenmesi önemlidir. Tabii ki insanların “bu kartı kim tasarladı acaba?” gibi bir soru sorması ihtimaline karşı cevabın kartın üzerinde bulunması faydalı olur. 😉

Genel olarak bunlara dikkat ettiğinizde Şekil 4’de görülen sonuca ulaşabiliyorsunuz. 🙂 Tabii ki PCB tasarımında dikkat edilmesi gereken daha çok fazla konu var. Ancak her şeyin zamanı var. Yazı serisi boyunca bahsettiğimiz projeyi incelemek isterseniz buraya tıklayarak tasarım dosyalarına ulaşabilirsiniz. Geliştirmek için önerileriniz olursa da benimle iletişime geçerseniz mutlu olurum.

Bu uzun yazının da sonuna gelmiş bulunmaktayız. Şimdi bana “başlıkta PCB çizimi yazıyor ama sen çizerken nelere dikkat edeceğimizi söyledin, nasıl çizeceğimizi göstermedin” diyebilirsiniz. O kadar haklısınız ki. 😀 Ancak blog yazılarında bu kadar oluyor. Belki bir gün youtube’da eğitim videoları çekersem çizim hünerlerimi size gösterme fırsatı bulurum. 🙂 O zaman sonraki görüşmemize kadar kendinize iyi bakın.