Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

аналоговая часть схемы должна быть отделена от остальной части, а при ее разводке должны соблюдаться особые методы и правила

Из-за существенных отличий аналоговой схемотехники от цифровой, аналоговая часть схемы должна быть отделена от остальной части, а при ее разводке должны соблюдаться особые методы и правила. Эффекты, возникающие из-за неидеальности характеристик печатных плат, становятся особенно заметными в высокочастотных аналоговых схемах, но погрешности общего вида, описанные в этой статье, могут оказывать воздействие на качественные характеристики устройств, работающих даже в звуковом диапазоне частот.

Намерением этой статьи является обсуждение распространенных ошибок, совершаемых разработчиками печатных плат, описание воздействия этих ошибок на качественные показатели и рекомендации по разрешению возникших проблем.

Лишь в редких случаях печатная плата аналоговой схемы может быть разведена так, чтобы вносимые ею воздействия не оказывали никакого влияния на работу схемы.

В то же время, любое такое воздействие может быть минимизировано так, чтобы характеристики аналоговой схемы устройства были такими же, как и характеристики модели и прототипа.

Разработчики цифровых схем могут скорректировать небольшие ошибки на изготовленной плате, дополняя ее перемычками или, наоборот, удаляя лишние проводники, внося изменения в работу программируемых микросхем и т.п., переходя очень скоро к следующей разработке. Для аналоговой схемы дело обстоит не так. Некоторые из распространенных ошибок, обсуждаемых в этой статье, не могут быть исправлены дополнением перемычек или удалением лишних проводников. Они могут и будут приводить в нерабочее состояние печатную плату целиком.

Очень важно для разработчика цифровых схем, использующего такие способы исправления, прочесть и понять материал, изложенный в этой статье, заблаговременно, до передачи проекта в производство. Немного внимания, уделенного при разработке, и обсуждение возможных вариантов помогут не только предотвратить превращение печатной платы в утильсырье, но и уменьшить стоимость из-за грубых ошибок в небольшой аналоговой части схемы.

Поиск ошибок и их исправление может привести к потерям сотен часов. Макетирование может сократить это время до одного дня или менее. Макетируйте все свои аналоговые схемы

Шум и помехи являются основными элементами, ограничивающими качественные характеристики схем. Помехи могут как излучаться источниками, так и наводиться на элементы схемы. Аналоговая схема часто располагается на печатной плате вместе с быстродействующими цифровыми компонентами, включая цифровые сигнал-процессоры (DSP).

Высокочастотные логические сигналы создают значительные радиочастотные помехи (RFI). Количество источников излучения шума огромно: ключевые источники питания цифровых систем, мобильные телефоны, радио и телевидение, источники питания ламп дневного света, персональные компьютеры, грозовые разряды и т.д. Даже если аналоговая схема работает в звуковом частотном диапазоне, радиочастотные помехи могут создавать заметный шум в выходном сигнале.

Выбор конструкции печатной платы является важным фактором, определяющим механические характеристики при использовании устройства в целом. Для изготовления печатных плат используются материалы различного уровня качества. Наиболее подходящим и удобным для разработчика будет, если изготовитель печатных плат находится неподалеку. В этом случае легко осуществить контроль удельного сопротивления и диэлектрической постоянной – основных параметров материала печатной платы. К сожалению, этого бывает недостаточно и часто необходимо знание других параметров, таких как воспламеняемость, высокотемпературная стабильность и коэффициент гигроскопичности. Эти параметры может знать только производитель компонентов, используемых при производстве печатных плат.

Слоистые материалы обозначаются индексами FR (flame resistant, сопротивляемость к воспламенению) и G. Материал с индексом FR-1 обладает наибольшей горючестью, а FR-5 – наименьшей. Материалы с индексами G10 и G11 обладают особыми характеристиками. Материалы печатных плат приведены в табл. 1.

Не используйте печатную плату категории FR-1. Есть много примеров использования печатных плат FR-1, на которых имеются повреждения от теплового воздействия мощных компонентов. Печатные платы этой категории более похожи на картон.

FR-4 часто используется при изготовлении промышленного оборудования, в то время, как FR-2 используется в производстве бытовой техники. Эти две категории стандартизованы в промышленности, а печатные платы FR-2 и FR-4 часто подходят для большинства приложений. Но иногда неидеальность характеристик этих категорий заставляет использовать другие материалы. Например, для очень высокочастотных приложений в качестве материала печатных плат используются фторопласт и даже керамика. Однако, чем экзотичнее материал печатной платы, тем выше может быть цена.

При выборе материала печатной платы обращайте особое внимание на его гигроскопичность, поскольку этот параметр може оказать сильный негативный эффект на желаемые характеристики платы – поверхностное сопротивление, утечки, высоковольтные изоляционные свойства (пробои и искрения) и механическая прочность. Также обращайте внимание на рабочую температуру. Участки с высокой температурой могут встречаться в неожиданных местах, например, рядом с большими цифровыми интегральными схемами, переключения которых происходят на высокой частоте. Если такие участки расположены непосредственно под аналоговыми компонентами, повышение температуры может сказаться на изменении характеристик аналоговой схемы.

Категория

Компоненты, комментарии

FR-1

бумага, фенольная композиция: прессование и штамповка при комнатной температуре, высокий коэффициент гигроскопичности

FR-2

бумага, фенольная композиция: применимый для односторонних печатных плат бытовой техники, невысокий коэффициент гигроскопичности

FR-3

бумага, эпоксидная композиция: разработки с хорошими механическими и электрическими характеристиками

FR-4

стеклоткань, эпоксидная композиция: прекрасные механические и электрические свойства

FR-5

стеклоткань, эпоксидная композиция: высокая прочность при повышенных температурах, отсутствие воспламенения

G10

стеклоткань, эпоксидная композиция: высокие изоляционные свойства, наиболее высокая прочность стеклоткани, низкий коэффициент гигроскопичности

G11

стеклоткань, эпоксидная композиция: высокая прочность на изгиб при повышенных температурах, высокая сопротивляемость растворителям

После того, как материал печатной платы выбран, необходимо определить толщину фольги печатной платы. Этот параметр в первую очередь выбирается исходя из максимальной величины протекающего тока. По возможности, старайтесь избегать применения очень тонкой фольги.

Количество слоев печатной платы

В зависимости от общей сложности схемы и качественных требований разработчик должен определить количество слоев печатной платы.

Однослойные печатные платы

Очень простые электронные схемы выполняются на односторонних платах с использованием дешевых фольгированных материалов (FR-1 или FR-2) и часто имеют много перемычек, напоминая двухсторонние платы. Такой способ создания печатных плат рекомендуется только для низкочастотных схем. По причинам, которые будут описаны ниже, односторонние печатные платы в большой степени восприимчивы к наводкам. Хорошую одностороннюю печатную плату достаточно сложно разработать из-за многих причин. Тем не менее хорошие платы такого типа встречаются, но при их разработке требуется очень многое обдумывать заранее.

Двухслойные печатные платы

На следующем уровне стоят двухсторонние печатные платы, которые в большинстве случаев используют в качестве материала подложки FR-4, хотя иногда встречается и FR-2. Применение FR-4 более предпочтительнее, поскольку в печатных платах из этого материала отверстия получаются более лучшего качества. Схемы на двухсторонних печатных платах разводятся гораздо легче, т.к. в двух слоях проще осуществить разводку пересекающихся трасс. Однако для аналоговых схем пересечение трасс выполнять не рекомендуется. Где возможно, нижний слой (bottom) необходимо отводить под полигон земли, а остальные сигналы разводить в верхнем слое (top). Использование полигона в качестве земляной шины дает несколько преимуществ:

  • общий провод является наиболее часто подключаемым в схеме проводом; поэтому резонно иметь “много” общего провода для упрощения разводки
  • увеличивается механическая прочность платы
  • уменьшается сопротивление всех подключений к общему проводу, что, в свою очередь, уменьшает шум и наводки
  • увеличивается распределенная емкость для каждой цепи схемы, помогая подавлять излучаемый шум
  • полигон, являющийся экраном, подавляет наводки, излучаемые источниками, располагающимися со стороны полигона

Двухсторонние печатные платы, несмотря на все свои преимущества, не являются лучшими, особенно для малосигнальных или высокоскоростных схем. В общем случае, толщина печатной платы, т.е. расстояние между слоями металлизации, равняется 1,5 мм, что слишком много для полной реализации некоторых преимуществ двухслойной печатной платы, приведенных выше. Распределенная емкость, например, слишком мала из-за такого большого интервала.

Многослойные печатные платы

Для ответственных схемотехнических разработок требуются многослойные печатные платы (МПП). Некоторые причины их применения очевидны:

  • такая же удобная, как и для шины общего провода, разводка шин питания; если в качестве шин питания используются полигоны на отдельном слое, то довольно просто с помощью переходных отверстий осуществить подводку питания к каждому элементу схемы
  • сигнальные слои освобождаются от шин питания, что облегчает разводку сигнальных проводников
  • между полигонами земли и питания появляется распределенная емкость, которая уменьшает высокочастотный шум

Кроме этих причин применения многослойных печатных плат существуют другие, менее очевидные:

  • лучшее подавление электромагнитных (EMI) и радиочастотных (RFI) помех благодаря эффекту отражения (image plane effect), известному еще во времена Маркони. Когда проводник размещается близко к плоской проводящей поверхности, большая часть возвратных высокочастотных токов будет протекать по плоскости непосредственно под проводником. Направление этих токов будет противоположно направлению токов в проводнике. Таким образом, отражение проводника в плоскости создает линию передачи сигнала. Поскольку токи в проводнике и в плоскости равны по величине и противоположны по направлению, создается некоторое уменьшение излучаемых помех. Эффект отражения эффективно работает только при неразрывных сплошных полигонах (ими могут быть как полигоны земли, так и полигоны питания). Любое нарушение целостности будет приводить к уменьшению подавления помех.
  • снижение общей стоимости при мелкосерийном производстве. Несмотря на то, что изготовление многослойных печатных плат обходится дороже, их возможное излучение меньше, чем у одно- и двухслойных плат. Следовательно, в некоторых случаях применение лишь многослойных плат позволит выполнить требования по излучению, поставленные при разработке, и не проводить дополнительных испытаний и тестирований. Применение МПП может снизить уровень излучаемых помех на 20 дБ по сравнению с двухслойными платами.
Порядок следования слоев

У неопытных разработчиков часто возникает некоторое замешательство по поводу оптимального порядка следования слоев печатной платы. Возьмем для примера 4-слойную плату, содержащую два сигнальных слоя и два полигонных слоя – слой земли и слой питания. Какой порядок следования слоев лучший? Сигнальные слои между полигонами, которые будут служить экранами? Или же сделать полигонные слои внутренними, чтобы уменьшить взаимовлияние сигнальных слоев?

При решении этого вопроса важно помнить, что часто расположение слоев не имеет особого значения, поскольку все равно компоненты располагаются на внешних слоях, а шины, подводящие сигналы к их выводам, порой проходят через все слои. Поэтому любые экранные эффекты представляют собой лишь компромисс. В данном случае лучше позаботиться о создании большой распределенной емкости между полигонами питания и земли, расположив их во внутренних слоях.

Другим преимуществом расположения сигнальных слоев снаружи является доступность сигналов для тестирования, а также возможность модификации связей. Любой, кто хоть раз изменял соединения проводников, располагающихся во внутренних слоях, оценит эту возможность.

Для печатных плат с более, чем четырьмя слоями, существует общее правило располагать высокоскоростные сигнальные проводники между полигонами земли и питания, а низкочастотным отводить внешние слои.

Заземление

Хорошее заземление – общее требование насыщенной, многоуровневой системы. И оно должно планироваться с первого шага дизайнерской разработки.

Основное правило: разделение земли.

Разделение земли на аналоговую и цифровую части – один из простейших и наиболее эффективных методов подавления шума. Один или более слоев многослойной печатной платы обычно отводится под слой земляных полигонов. Если разработчик не очень опытен или невнимателен, то земля аналоговой части будет непосредственно соединена с этими полигонами, т. е. аналоговый возвратный ток будет использовать такую же цепь, что и цифровой возвратный ток. Авторазводчики работают примерно также и объединяют все земли вместе.

Если переработке подвергается ранее разработанная печатная плата с единым земляным полигоном, объединяющим аналоговую и цифровую земли, то необходимо сначала физически разделить земли на плате (после этой операции работа платы становится практически невозможной). После этого производятся все подключения к аналоговому земляному полигону компонентов аналоговой схемы (формируется аналоговая земля) и к цифровому земляному полигону компонентов цифровой схемы (формируется цифровая земля). И лишь после этого в источнике производится объединение цифровой и аналоговой земли.

Другие правила формирования земли:

  • Шины питания и земли должны находится под одним потенциалом по переменному току, что подразумевает использование конденсаторов развязки и распределенной емкости
  • Не допускайте перекрытий аналоговых и цифровых полигонов (рис. 1). Располагайте шины и полигоны аналогового питания над полигоном аналоговой земли (аналогично для шин цифрового питания). Если в каком-либо месте существует перекрытие аналогового и цифрового полигона, распределенная емкость между перекрывающимися участками будет создавать связь по переменному току, и наводки от работы цифровых компонентов попадут в аналоговую схему. Такие перекрытия аннулируют изоляцию полигонов

  • Разделение не означает электрической изоляции аналоговой от цифровой земли (рис. 2). Они должны соединяться вместе в каком-то, желательно одном, низкоимпедансном узле. Правильная, с точки зрения земли, система имеет только одну землю, которая является выводом заземления для систем с питанием от сетевого переменного напряжения или общим выводом для систем с питанием от постоянного напряжения (например, аккумулятора). Все сигнальные токи и токи питания в этой схеме должны возвращаться к этой земле в одну точку, которая будет служить системной землей. Такой точкой может быть вывод корпуса устройства. Важно понимать, что при подсоединении общего вывода схемы к нескольким точкам корпуса могут образовываться земляные контуры. Создание единственной общей точки объединения земель является одним из наиболее трудных аспектов системного дизайна

  • По возможности разделяйте выводы разъемов, предназначенные для передачи возвратных токов – возвратные токи должны объединяться только в точке системной земли. Старение контактов разъемов, а также частая расстыковка их ответных частей приводит к увеличению сопротивления контактов, следовательно, для более надежной работы необходимо использование разъемов с некоторым количеством дополнительных выводов. Сложные цифровые печатные платы имеют много слоев и содержат сотни или тысячи проводников. Добавление еще одного проводника редко создает проблему в отличие от добавляемых дополнительных выводов разъемов. Если это не удается сделать, то необходимо создавать два проводника возвратного тока для каждой силовой цепи на плате, соблюдая особые меры предосторожности.
  • Важно отделять шины цифровых сигналов от мест на печатной плате, где расположены аналоговые компоненты схемы. Это предполагает изоляцию (экранирование) полигонами, создание коротких трасс аналоговых сигналов и внимательное размещение пассивных компонентов при наличии рядом расположенных шин высокоскоростных цифровых и ответственных аналоговых сигналов. Шины цифровых сигналов должны разводиться вокруг участков с аналоговыми компонентами и не перекрываться с шинами и полигонами аналоговой земли и аналогового питания. Если этого не делать, то разработка будет содержать новый непредусмотренный элемент – антенну, излучение которой будет воздействовать на высокоимпедансные аналоговые компоненты и проводники (рис. 3)

Почти все сигналы тактовых частот являются достаточно высокочастотными сигналами, поэтому даже небольшие емкости между трассами и полигонами могут создавать значительные связи. Необходимо помнить, что не только основная тактовая частота может вызывать проблему, но и ее высшие гармоники.

  • Хорошей концепцией является размещение аналоговой части схемы вблизи к входным/выходным соединениям платы. Разработчики цифровых печатных плат, использующие мощные интегральные схемы, часто склонны разводить шины шириной 1 мм и длиной несколько сантиметров для соединения аналогововых компонентов, полагая, что малое сопротивление трассы поможет избавиться от наводок. То, что при этом получается, представляет собой протяженный пленочный конденсатор, на который будут наводиться паразитные сигналы от цифровых компонентов, цифровой земли и цифрового питания, усугубляя проблему
Пример хорошего размещения компонентов

На рисунке 4 показан возможный вариант размещения всех компонентов на плате, включая источник питания. Здесь используются три отделенных друг от друга и изолированных полигона земли/питания: один для источника, один для цифровой схемы и один для аналоговой. Цепи земли и питания аналоговой и цифровой частей объединяются только в источнике питания. Высокочастоный шум отфильтровывается в цепях питания дросселями. В этом примере высокочастотные сигналы аналоговой и цифровой частей отнесены друг от друга. Такой дизайн имеет очень высокую вероятность на благоприятный исход, поскольку обеспечено хорошее размещение компонентов и следование правилам разделения цепей.

Имеется лишь один случай, когда необходимо объединение аналоговых и цифровых сигналов над областью полигона аналоговой земли. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи размещаются в корпусах с выводами аналоговой и цифровой земли. Принимая во внимание предыдущие рассуждения, можно предположить, что вывод цифровой земли и вывод аналоговой земли должны быть подключены к шинам цифровой и аналоговой земли соответственно. Однако в данном случае это не верно.

Названия выводов (аналоговый или цифровой) относятся лишь к внутренней структуре преобразователя, к его внутренним соединениям. В схеме эти выводы должны быть подключены к шине аналоговой земли. Соединение может быть выполнено и внутри интегральной схемы, однако получить низкое сопротивление такого соединения довольно сложно из-за топологических ограничений. Поэтому при использовании преобразователей предполагается внешнее соединение выводов аналоговой и цифровой земли. Если этого не сделать, то параметры микросхемы будут значительно хуже приведенных в спецификации.

Необходимо учитывать то, что цифровая элементы преобразователя могут ухудшать качественные характеристики схемы, привнося цифровые помехи в цепи аналоговой земли и аналогового питания. При разработке преобразователей учитывается это негативное воздействие так, чтобы цифровая часть потребляла как можно меньше мощности. При этом помехи от переключений логических элементов уменьшаются. Если цифровые выводы преобразователя не сильно нагружены, то внутренние переключения обычно не вызывают особых проблем. При разработке печатной платы, содержащей АЦП или ЦАП, необходимо должным образом отнестись к развязке цифрового питания преобразователя на аналоговую землю.

Частотные характеристики пассивных компонентов

Для правильной работы аналоговых схем весьма важен правильный выбор пассивных компонентов. Начинайте дизайнерскую разработку с внимательного рассмотрения высокочастотных характеристик пассивных компонентов и предварительного размещения и компоновки их на эскизе платы.

Большое число разработчиков совершенно игнорируют частотные ограничения пассивных компонентов при использовании в аналоговой схемотехнике. Эти компоненты имеют ограниченные частотные диапазоны и их работа вне специфицированной частотной области может привести к непредсказуемым результатам. Кто-то может подумать, что это обсуждение касается только высокоскоростных аналоговых схем. Однако, это далеко не так – высокочастотные сигналы достаточно сильно воздействуют на пассивные компоненты низкочастотных схем посредством излучения или прямой связи по проводникам. Например, простой низкочастотный фильтр на операционном усилителе может легко превращаться в высокочастотный фильтр при воздействии на его вход высокой частоты.

Резисторы

Высокочастотные характеристики резисторов могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 5.

Обычно применяются резисторы трех типов:

  1. Проволочные
  2. Углеродные композитные
  3. Пленочные

Не надо иметь много воображения, чтобы понять, как проволочный резистор может превращаться в индуктивность, поскольку он представляет собой катушку с проводом из высокоомного металла. Большинство разработчиков электронных устройств не имеют понятия о внутренней структуре пленочных резисторов, которые также представляют собой катушку, правда, из металлической пленки. Поэтому пленочные резисторы также обладают индуктивностью, которая меньше, чем у проволочных резисторов. Пленочные резисторы с сопротивлением не более 2 кОм можно свободно использовать в высокочастотных схемах. Выводы резисторов параллельны друг другу, поэтому между ними существует заметная емкостная связь. Для резисторов с большим сопротивлением межвыводная емкость будет уменьшать полный импеданс на высоких частотах.

Конденсаторы

Высокочастотные характеристики конденсаторов могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 6.

Конденсаторы в аналоговых схемах используются в качестве элементов развязки и фильтрующих компонентов. Для идеального конденсатора реактивное сопротивление определяется по следующей формуле:

Следовательно, электролитический конденсатор емкостью 10 мкФ будет обладать сопротивлением 1,6 Ом на частоте 10 кГц и 160 мкОм на частоте 100 МГц. Так ли это?

В действительности, никто никогда не видел электролитического конденсатора с реактивным сопротивлением 160 мкОм. Обкладки пленочных и электролитических конденсаторов представляют собой свитые слои фольги, которые создают паразитную индуктивность. Эффект собственной индуктивности у керамических конденсаторов значительно меньше, что позволяет использовать их при работе на высоких частотах. Кроме этого, конденсаторы обладают током утечки между обкладками, который эквивалентен включенному параллельно их выводам резистору, добавляющему свое паразитное воздействие к воздействию последовательно включенного сопротивления выводов и обкладок. К тому же, электролит не является идеальным проводником. Все эти сопротивления складываясь создают эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Конденсаторы, используемые в качестве развязок должны обладать малым ESR, поскольку последовательное сопротивление ограничивает эффективность подавления пульсаций и помех. Повышение рабочей температуры довольно значительно увеличивает эквивалентное последовательное сопротивление и может привести к ухудшению характеристик конденсатора. Поэтому, если предполагается использование алюминиевого электролитического конденсатора при повышенной рабочей температуре, то необходимо использовать конденсаторы соответствующего типа (105°С).

Выводы конденсатора также вносят свой вклад в увеличение паразитной индуктивности. Для малых значений емкости важно оставлять длину выводов короткой. Сочетание паразитных индуктивности и емкости может создать резонансный контур. Полагая, что выводы имеют индуктивность порядка 8 нГн на один сантиметр длины, конденсатор емкостью 0,01 мкФ с выводами длиной по одному сантиметру будет иметь резонансную частоту около 12,5 МГц. Этот эффект известен инженерам, которые десятилетия назад разрабатывали электронные вакуумные приборы. Тот, кто восстанавливает антикварные радиоприемники и не знает об этом эффекте, сталкивается с множеством проблем.

При использовании электролитических конденсаторов необходимо следить за правильным подключением. Положительный вывод должен быть подключен к более положительному постоянному потенциалу. Неправильное подключение приводит к протеканию через электролитический конденсатор постоянного тока, что может вывести из строя не только сам конденсатор, но и часть схемы.

В редких случаях разность потенциалов по постоянному току между двумя точками в схеме может менять свой знак. Это требует применения неполярных электролитических конденсаторов, внутренняя структура которых эквивалентна двум полярным конденсаторам, соединенным последовательно.

Индуктивности

Высокочастотные характеристики индуктивностей могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 7.

Реактивное сопротивление индуктивности описывается следующей формулой:

Следовательно, индуктивность 10 мГн будет обладать реактивным сопротивлением 628 Ом на частоте 10 кГц, а на частоте 100 МГц – сопротивлением 6,28 МОм. Верно?

В действительности, не существует индуктивности с реактивным сопротивлением 6,28 МОм. Природу возникновения паразитного сопротивления легко понять – витки катушки выполнены из провода, обладающего некоторым сопротивлением на единицу длины. Паразитная емкость воспринимается труднее до тех пор, пока не принять во внимание то, что следующий виток катушки расположен вплотную к предыдущему, и между близко расположенными проводниками возникает емкостная связь. Паразитная емкость ограничивает верхнюю рабочую частоту. Небольшие проволочные индуктивности начинают становиться неэффективными в диапазоне 10…100 МГц.

Печатная плата

Сама печатная плата обладает характеристиками рассмотренных выше пассивных компонентов, правда, не столь очевидными.

Рисунок проводников на печатной плате может быть как источником, так и приемником помех. Хорошая разводка проводников уменьшает чувствительность аналоговой схемы к излучению источников.

Печатная плата восприимчива к излучению, поскольку проводники и выводы компонентов образовывают своеобразные антенны. Теория антенн представляет собой достаточно сложный предмет для изучения и не рассматривается в этой статье. Тем не менее, некоторые основы здесь приводятся.

Немного из теории антенн

Одним из основных типов антенн является штырь или прямой проводник. Такая антенна работает, потому что прямой проводник обладает паразитной индуктивностью и поэтому может концентрировать и улавливать излучение от внешних источников. Полный импеданс прямого проводника имеет резистивную (активную) и индуктивную (реактивную) составляющие.

На постоянном токе или низких частотах преобладает активная составляющая. При повышении частоты реактивная составляющая становится все более и более значимой. В диапазоне от 1 кГц до 10 кГц индуктивная составляющая начинает оказывать влияние, и проводник более не является низкоомным соединителем, а скорее выступает как катушка индуктивности.

Формула для расчета индуктивности проводника печатной платы выглядит следующим образом:

Обычно, трассы на печатной плате обладают значениями от 6 нГн до 12 нГн на сантиметр длины. Например, 10-сантиметровый проводник обладает сопротивлением 57 мОм и индуктивностью 8 нГн на см. На частоте 100 кГц реактивное сопротивление становится равным 50 мОм, а на более высоких частотах проводник будет представлять собой скорее индуктивность, чем активное сопротивление.

Правило штыревой антенны гласит, что она начинает ощутимо взаимодействовать с полем при своей длине около 1/20 от длины волны, а максимальное взаимодействие происходит при длине штыря, равной 1/4 от длины волны. Поэтому 10-сантиметровый проводник из примера в предыдущем параграфе начнет становиться довольно хорошей антенной на частотах выше 150 МГц. Необходимо помнить, что несмотря на то, что генератор тактовой частоты цифровой схемы может и не работать на частоте выше 150 МГц, в его сигнале всегда присутствуют высшие гармоники. Если на печатной плате присутствуют компоненты со штыревыми выводами значительной длины, то такие выводы также могут служить антеннами.

Другой основной тип антенн – петлевые антенны. Индуктивность прямого проводника сильно увеличивается, когда он изгибается и становится частью дуги. Увеличивающаяся индуктивность понижает частоту, на которой начинает происходить взаимодействие антенны с линиями поля.

Опытные дизайнеры печатных плат, достаточно хорошо разбирающиеся в теории петлевых антенн, знают, что нельзя создавать петли для критичных сигналов. Некоторые разработчики, однако, не задумываются об этом, и проводники возвратного и сигнального тока в их схемах представляют собой петли. Создание петлевых антенн легко показать на примере (рис. 8). Кроме того, здесь показано и создание щелевой антенны.

Рассмотрим три случая:

Вариант A – пример скверного дизайна. В нем вовсе не используется полигон аналоговой земли. Петлевой контур формируется земляным и сигнальным проводником. При прохождении тока возникают электрическое и перпендикулярное ему магнитное поля. Эти поля образовывают основу петлевой антенны. Правило петлевой антенны гласит, что для наибольшей эффективности длина каждого проводника должна быть равно половине длины волны принимаемого излучения. Однако, следует не забывать, что даже при 1/20 от длины волны петлевая антенна все еще остается достаточно эффективной.

Вариант Б лучше варианта A, но здесь присутствует разрыв в полигоне, вероятно, для создания определенного места для разводки сигнальных проводников. Пути сигнального и возвратного токов образуют щелевую антенну. Другие петли образуются в вырезах вокруг микросхем.

Вариант В – пример лучшего дизайна. Пути сигнального и возвратного тока совпадают, сводя на нет эффективность петлевой антенны. Заметьте, что в этом варианте также присутствуют вырезы вокруг микросхем, но они отделены от пути возвратного тока.

Теория отражения и согласования сигналов находится близко к теории антенн.

Когда проводник печатной платы поворачивает на угол 90° может возникнуть отражение сигнала. Это происходит, главным образом, из-за изменения ширины пути прохождения тока. В вершине угла ширина трассы увеличивается в 1.414 раза, что приводит к рассогласованию характеристик линии передачи, особенно распределенной емкости и собственной индуктивности трассы. Довольно часто необходимо повернуть на печатной плате трассу на 90°. Многие современные CAD-пакеты позволяют сглаживать углы проведенных трасс или проводить трассы в виде дуги. На рисунке 9 показаны два шага улучшения формы угла. Только последний пример поддерживает постоянной ширину трассы и минимизирует отражения.

Совет для опытных разводчиков печатных плат: оставляйте процедуру сглаживания на последний этап работ перед созданием каплеобразных выводов и заливкой полигонов. Иначе, CAD-пакет будет производить сглаживание дольше из-за более сложных вычислений.

Паразитные эффекты печатной платы

Между проводниками печатной платы, находящимися на разных слоях, возникает емкостная связь, когда они пересекаются. Иногда это может создать проблему. Проводники, находящиеся друг над другом на смежных слоях, создают длинный пленочный конденсатор. Емкость такого конденсатора рассчитывается по формуле, приведенной на рисунке 10.

Например, печатная плата может обладать следующими параметрами:

  • 4 слоя; сигнальный и слой полигона земли – смежные
  • межслойный интервал – 0,2 мм
  • ширина проводника – 0,75 мм
  • длина проводника – 7,5 мм

Типовое значение диэлектрической постоянной ER для FR-4 равняется 4.5.

Видно, что происходит удвоение амплитуды выходного сигнала на частотах, близких к верхнему пределу частотного диапазона ОУ. Это, в свою очередь, может привести к генерации, особенно на рабочих частотах антенны (выше 180 МГц).

Этот эффект порождает многочисленные проблемы, для решения которых, тем не менее, существует много способов. Самый очевидный из них – уменьшение длины проводников. Другой способ – уменьшение их ширины. Нет причины применения проводника такой ширины для подводки сигнала к инвертирующему входу, т.к. по этому проводнику протекает очень небольшой ток. Уменьшение длины трассы до 2,5 мм, а ширины до 0,2 мм приведет к уменьшению емкости до 0,1 пФ, а такая емкость уже не приведет к столь значительному подъему частотной характеристики. Еще один способ решения – удаление части полигона под инвертирующим входом и проводником, подходящим к нему.

Инвертирующий вход операционного усилителя, особенно, высокоскоростного, в большой степени склонен к генерации в схемах с высоким коэффициентом усиления. Это происходит из-за нежелательной емкости входного каскада ОУ. Поэтому, крайне важно уменьшить паразитную емкость и располагать компоненты обратной связи настолько близко к инвертирующему входу насколько это возможно. Если, несмотря на принятые меры, происходит возбуждение усилителя, то необходимо пропорционально уменьшить сопротивления резисторов обратной связи для изменения резонансной частоты цепи. Также может помочь и увеличение резисторов, правда, значительно реже, т.к. эффект возбуждения зависит и от импеданса схемы. При изменении резисторов обратной связи нельзя забывать и об изменении емкости корректирующего конденсатора. Также нельзя забывать и о том, что при уменьшении сопротивлении резисторов увеличивается потребляемая мощность схемы.

Ширину проводников печатной платы невозможно бесконечно уменьшить. Предельная ширина определяется как технологическим процессом, так и толщиной фольги. Если два проводника проходят близко друг к другу, то между ними образуется емкостная и индуктивная связь (рис. 12).

Зависимости, описывающие эти паразитные эффекты, достаточно сложны, чтобы их приводить в этой статье, но их можно найти в литературе, посвященной линиям передачи и полосковым линиям.

Сигнальные проводники не должны разводиться параллельно друг другу, исключая случаи разводки дифференциальных или микрополосковых линий. Зазор между проводниками должен быть минимум в три раза больше ширины проводников.

Емкость между трассами в аналоговых схемах может создать затруднения при больших сопротивлениях резисторов (несколько МОм). Относительно большая емкостная связь между инвертирующим и неинвертирующим входами операционного усилителя легко может привести к самовозбуждению схемы.

Всякий раз, когда при разводке печатной платы появляется необходимость в создании переходного отверстия, т.е. межслойного соединения (рис. 13), необходимо помнить, что при этом возникает также паразитная индуктивность. При диаметре отверстия после металлизации d и длине канала h индуктивность можно вычислить по следующей приближенной формуле:

Например, при d=0,4 мм и h=1,5 мм (достаточно распространенные величины) индуктивность отверстия равна 1,1 нГн.

Имейте в виду, что индуктивность отверстия вместе с такой же паразитной емкостью формируют резонансный контур, что может сказаться при работе на высоких частотах. Собственная индуктивность отверстия достаточно мала, и резонансная частота находится где-то в гигагерцовом диапазоне, но если сигнал в течение своего пути вынужден проходить через несколько переходных отверстий, то их индуктивности складываются (последовательное соединение), а резонансная частота понижается. Вывод: старайтесь избегать большого числа переходных отверстий при разводке ответственных высокочастотных проводников аналоговых схем. Другое негативное явление: при большом количестве переходных отверстий в полигоне земли могут создаваться петлевые участки. Наилучшая аналоговая разводка – все сигнальные проводники располагаются на одном слое печатной платы.

Кроме рассмотренных выше паразитных эффектов существуют еще такие, которые связаны с недостаточно чистой поверхностью платы.

Помните, что, если в схеме присутствуют большие сопротивления, то особое внимание следует уделить очистке платы. На заключительных операциях изготовления печатной платы должны удаляться остатки флюса и загрязнений. В последнее время при монтаже печатных плат достаточно часто применяются водорастворимые флюсы. Являясь менее вредными, они легко удаляются водой. Но при этом отмывка платы недостаточно чистой водой может привести к дополнительным загрязнениям, которые ухудшают диэлектрические характеристики. Следовательно, очень важно производить отмывку печатной платы с высокоимпедансной схемой свежей дистиллированной водой.

Развязка сигналов

Как уже отмечалось, помехи могут проникать в аналоговую часть схемы через цепи питания. Для уменьшения таких помех применяются развязывающие (блокировочные) конденсаторы, уменьшающие локальный импеданс шин питания.

Если необходимо развести печатную плату, на которой имеются и аналоговая, и цифровая части, то необходимо иметь хотя бы небольшое представление об электрических характеристиках логических элементов.

Типовой выходной каскад логического элемента содержит два транзистора, последовательно соединенные между собой, а также между цепями питания и земли (рис. 14).

Эти транзисторы в идеальном случае работают строго в противофазе, т.е. когда один из них открыт, то в этот же момент времени второй закрыт, формируя на выходе либо сигнал логической единицы, либо логического нуля. В установившемся логическом состоянии потребляемая мощность логического элемента невелика.

Ситуация кардинально меняется, когда выходной каскад переключается из одного логического состояния в другое. В этом случае в течение короткого промежутка времени оба транзистора могут быть открыты одновременно, а ток питания выходного каскада сильно увеличивается, поскольку уменьшается сопротивление участка пути тока от шина питания до шины земли через два последовательно соединенных транзистора. Потребляемая мощность скачкообразно возрастает, а затем также убывает, что приводит к локальному изменению напряжения питания и возникновению резкого, кратковременного изменения тока. Такие изменения тока приводят к излучению радиочастотной энергии. Даже на сравнительно простой печатной плате может быть десятки или сотни рассмотренных выходных каскадов логических элементов, поэтому суммарный эффект от их одновременной работы может быть очень большим.

Невозможно точно предсказать диапазон частот, в котором будут находиться эти выбросы тока, поскольку частота их возникновения зависит от множества причин, в том числе и от задержки распространения переключений транзисторов логического элемента. Задержка, в свою очередь, также зависит от множества случайных причин, возникающих в процессе производства. Шум от переключений имеет широкополосное распределение гармонических составляющих во всем диапазоне. Для подавления цифрового шума существует несколько способов, применение которых зависит от спектрального распределения шума.

В таблице 2 представлены максимальные рабочие частоты для распространенных типов конденсаторов.

Таблица 2
ТипМаксимальная частота
алюминиевый электролитический100 кГц
танталовый электролитический1 МГц
слюдяной500 МГц
керамический1 ГГц

Из таблицы очевидно, что танталовые электролитические конденсаторы применяются для частот ниже 1 МГц, на более высоких частотах должны применяться керамические конденсаторы. Необходимо не забывать, что конденсаторы имеют собственный резонанс и их неправильный выбор может не только не помочь, но и усугубить проблему. На рисунке 15 показаны типовые собственные резонансы двух конденсаторов общего применения – 10 мкФ танталового электролитического и 0,01 мкФ керамического.

Реальные характеристики могут отличаться у различных производителей и даже от партии к партии у одного производителя. Важно понимать, что для эффективной работы конденсатора подавляемые им частоты должны находиться в более низком диапазоне, чем частота собственного резонанса. В противном случае характер реактивного сопротивления будет индуктивным, а конденсатор перестанет эффективно работать.

Не стоит заблуждаться относительно того, что один 0,1 мкФ конденсатор будет подавлять все частоты. Небольшие конденсаторы (10 нФ и менее) могут работать более эффективно на более высоких частотах.

Развязка питания ИС

Развязка питания интегральных схем с целью подавления высокочастотного шума состоит в применении одного или нескольких конденсаторов, подключенных между выводами питания и земли. Важно, чтобы проводники, соединяющие выводы с конденсаторами, были короткими. Если это не так, то собственная индуктивность проводников будет играть заметную роль и сводить на нет выгоды от применения развязывающих конденсаторов.

Развязывающий конденсатор должен быть подключен к каждому корпусу микросхемы, независимо от того, сколько операционных усилителей находится внутри корпуса – 1, 2 или 4. Если ОУ питается двухполярным питанием, то, само собой разумеется, что развязывающие конденсаторы должны располагаться у каждого вывода питания. Значение емкости должно быть тщательно выбрано в зависимости от типа шума и помех, присутствующих в схеме.

В особо сложных случаях может появиться необходимость добавления индуктивности, включенной последовательно с выводом питания. Индуктивность должна располагаться до, а не после конденсаторов.

Другим, более дешевым способом является замена индуктивности резистором с малым сопротивлением (10…100 Ом). При этом вместе с развязывающим конденсатором резистор образует низкочастотный фильтр. Этот способ уменьшает диапазон питания операционного усилителя, который к тому же становится более зависимым от потребляемой мощности.

Обычно для подавления низкочастотных помех в цепях питания бывает достаточно применить один или несколько алюминиевых или танталовых электролитических конденсаторов у входного разъема питания. Дополнительный керамический конденсатор будет подавлять высокочастотные помехи от других плат.

Развязка входных и выходных сигналов

Множество шумовых проблем является результатом непосредственного соединения входных и выходных выводов. В результате высокочастотных ограничений пассивных компонентов реакция схемы на воздействие высокочастотного шума может быть достаточно непредсказуемой.

В ситуации, когда частотный диапазон наведенного шума в значительной степени отличается от частотного диапазона работы схемы, решение просто и очевидно – размещение пассивного RC-фильтра для подавления высокочастотных помех. Однако, при применении пассивного фильтра надо быть осторожным: его характеристики (из-за неидеальности частотных характеристик пассивных компонентов) утрачивают свои свойства на частотах, в 100. ..1000 раз превышающих частоту среза (f3db). При использовании последовательно соединенных фильтров, настроенных на разные частотные диапазоны, более высокочастотный фильтр должен быть ближайшим к источнику помех. Индуктивности на ферритовых кольцах также могут применяться для подавления шума; они сохраняют индуктивный характер сопротивления до некоторой определенной частоты, а выше их сопротивление становится активным.

Наводки на аналоговую схему могут быть настолько большими, что избавиться (или, по крайней мере, уменьшить) от них возможно только с помощью применения экранов. Для эффективной работы они должны быть тщательно спроектированы так, чтобы частоты, создающие наибольшие проблемы, не смогли попасть в схему. Это означает, что экран не должен иметь отверстия или вырезы с размерами, большими, чем 1/20 длины волны экранируемого излучения. Хорошая идея отводить достаточное место под предполагаемый экран с самого начала проектирования печатной платы. При использовании экрана можно дополнительно использовать ферритовые кольца (или бусинки) для всех подключений к схеме.

Корпуса операционных усилителей

В одном корпусе обычно размещаются один, два или четыре операционных усилителя (рис. 16).

Одиночный ОУ часто также имеет дополнительные входы, например,  для регулировки напряжения смещения. Сдвоенные и счетверенные ОУ имеют лишь инвертирующий и неинвертирующий входы и выход. Поэтому при необходимости иметь дополнительные регулировки надо применять одиночные операционные усилители. При использовании дополнительных выводов необходимо помнить, что по своей структуре они являются вспомогательными входами, поэтому управление ими должно осуществляться аккуратно и в соответствии с рекомендациями производителя.

В одиночном ОУ выход располагается на противоположной стороне от входов. Это может создать затруднение при работе усилителя на высоких частотах из-за протяженных проводников обратной связи. Один из путей преодоления этого состоит в размещении усилителя и компонентов обратной связи на разных сторонах печатной платы. Это, однако, приводит к как минимум двум дополнительным отверстиям и вырезам в полигоне земли. Иногда стоит использовать сдвоенный ОУ для разрешения данной проблемы, даже если второй усилитель не используется (при этом его выводы должны быть подключены должным образом). Рисунок 17 иллюстрирует уменьшение длины проводников цепи обратной связи для инвертирующего включения.

Сдвоенные ОУ особенно часто используются в стереофонических усилителях, а счетверенные – в схемах многокаскадных фильтров. Однако, в этом есть довольно значительный минус. Несмотря на то, что современная технология обеспечивает приличную изоляцию между сигналами усилителей, расположенных на одном кремниевом кристалле, между ними все же существуют некоторые перекрестные помехи. Если необходимо иметь очень малую величину таких помех, то необходимо использовать одиночные операционные усилители. Перекрестные помехи возникают не только при использовании сдвоенных или счетверенных усилителей. Их источником может служить очень близкое расположение пассивных компонентов разных каналов.

Сдвоенные и счетверенные ОУ, кроме вышесказанного, позволяют осуществить более плотный монтаж. Отдельные усилители как бы зеркально расположены друг относительно друга (рис. 18).

На рисунках 17 и 18 показаны не все подключения, требуемые для нормальной работы, например, формирователь среднего уровня при однополярном питании. На рисунке 19 приведена схема такого формирователя при использовании счетверенного усилителя.

На схеме показаны все необходимые подключения для реализации трех независимых инвертирующих каскадов. Необходимо обратить внимание на то, что проводники формирователя половины напряжения питания располагаются непосредственно под корпусом интегральной схемы, что позволяет уменьшить их длину. Этот пример иллюстрирует не то, как должно быть, а то, что должно быть сделано. Напряжение среднего уровня, например, могло бы быть единым для всех четырех усилителей. Пассивные компоненты могут быть соответствующего размера. Например, планарные компоненты типоразмера 0402 соответствуют расстоянию между выводами стандартного корпуса SO. Это позволяет сделать длину проводников очень короткой для высокочастотных приложений.

Типы корпусов операционных усилителей включают в себя, в основном, DIP (dual-in-line) и SO (small-outline). Вместе с уменьшением размера корпуса уменьшается и шаг выводов, что позволяет применять меньшие по размеру пассивные компоненты. Уменьшение размеров схемы в целом уменьшает паразитные индуктивности и позволяет работать на более высоких частотах. Однако это приводит также к возникновению более сильных перекрестных помех из-за увеличения емкостной связи между компонентами и проводниками.

Объемный и поверхностный монтаж

При размещении операционных усилителей в корпусах типа DIP и пассивных компонентов с проволочными выводами требуется наличие на печатной плате переходных отверстий для их монтажа. Такие компоненты в настоящее время используются, когда нет особых требований к размерам печатной платы; обычно они стоят дешевле, но стоимость печатной платы в процессе изготовления возрастает из-за сверловки дополнительных отверстий под выводы компонентов.

Кроме того, при использовании навесных компонентов увеличиваются размеры платы и длины проводников, что не позволяет работать схеме на высоких частотах. Переходные отверстия обладают собственной индуктивностью, что также накладывает ограничения на динамические характеристики схемы. Поэтому навесные компоненты не рекомендуется применять для реализации высокочастотных схем или для аналоговых схем, размещенных поблизости с высокоскоростными логическими схемами.

Некоторые разработчики, пытаясь уменьшить длину проводников, размещают резисторы вертикально. С первого взгляда может показаться что, это сокращает длину трассы. Однако при этом увеличивается путь прохождения тока по резистору, а сам резистор представляет собой петлю (виток индуктивности). Излучающая и принимающая способность возрастает многократно.

При поверхностном монтаже не требуется размещения отверстия под каждый вывод компонента. Однако возникают проблемы при тестирования схемы, и приходится использовать переходные отверстия в качестве контрольных точек, особенно при применении компонентов малого типоразмера.

Неиспользуемые секции оу

При использовании сдвоенных и счетверенных операционных усилителей в схеме некоторые их секции могут остаться незадействованными и должны быть в этом случае корректно подключены. Ошибочное подключение может привести к увеличению потребляемой мощности, большему нагреву и большему шуму используемых в этом же корпусе ОУ. Выводы неиспользуемых операционных усилителей могут быть подключены так, как изображено на рис. 20а. Подключение выводов с дополнительными компонентами (рис. 20б) позволит легко использовать этот ОУ при наладке.

Заключение

Помните следующие основные моменты и постоянно соблюдайте их при проектировании и разводке аналоговых схем.

Общие:

  • думайте о печатной плате как о компоненте электрической схемы
  • имейте представление и понимание об источниках шума и помех
  • моделируйте и макетируйте схемы

Печатная плата:

  • используйте печатные платы только из качественного материала (например, FR-4)
  • схемы, выполненные на многослойных печатных платах, на 20 дБ менее восприимчивее к внешним помехам, чем схемы, выполненные на двухслойных платах
  • используйте разделенные, неперекрывающиеся полигоны для различных земель и питаний
  • располагайте полигоны земли и питания на внутренних слоях печатной платы.

Компоненты:

  • осознавайте частотные ограничения, вносимые пассивными компонентами и проводниками платы
  • старайтесь избегать вертикального размещения пассивных компонентов в высокоскоростных схемах
  • для высокочастотных схем используйте компоненты, предназначенные для поверхностного монтажа
  • проводники должны быть чем короче, тем лучше
  • если требуется большая длина проводника, то уменьшайте его ширину
  • неиспользуемые выводы активных компонентов должны быть правильно подключены

Разводка:

  • размещайте аналоговую схему вблизи разъема питания
  • никогда не разводите проводники, передающие логические сигналы, через аналоговую область платы, и наоборот
  • проводники, подходящие к инвертирующему входу ОУ, делайте короткими
  • удостоверьтесь, что проводники инвертирующего и неинвертирующего входов ОУ не располагаются параллельно друг другу на большом протяжении
  • старайтесь избегать применения лишних переходных отверстий, т. к. их собственная индуктивность может привести к возникновению дополнительных проблем
  • не разводите проводники под прямыми углами и сглаживайте вершины углов, если это возможно

Развязка:

  • используйте правильные типы конденсаторов для подавления помех в цепях питания
  • для подавления низкочастотных помех и шумов используйте танталовые конденсаторы у входного разъема питания
  • для подавления высокочастотных помех и шумов используйте керамические конденсаторы у входного разъема питания
  • используйте керамические конденсаторы у каждого вывода питания микросхемы; если необходимо, используйте несколько конденсаторов для разных частотных диапазонов
  • если в схеме происходит возбуждение, то необходимо использовать конденсаторы с меньшим значением емкости, а не большим
  • в трудных случаях в цепях питания используйте последовательно включенные резисторы малого сопротивления или индуктивности
  • развязывающие конденсаторы аналогового питания должны подключаться только к аналоговой земле, а не к цифровой

Автор статьи: Bruce Carter. Перевод статьи Op Amps For Everyone, chapter 17. Circuit Board Layout Techniques. Design Reference, Texas Instruments

Мы всегда рады сотрудничеству с новыми авторами. Если у вас есть уникальная экспертиза или просто качественный материал, полезный инженерам-разработчикам электроники, мы с удовольствием поделимся им на страницах раздела Авторские статьи. Присылайте свои статьи на почту [email protected].

7 правил проектирования печатных плат / Хабр

Приветствую! В процессе обсуждения

статьи

товарища

KSVl

была озвучена необходимость небольшого пособия по проектированию печатных плат. Очень часто на хабре я вижу статьи в стиле «5 правил оформления кода» или «5 шагов к успешному проекту», то есть очень удобные собрания тезисов по определенной теме. К сожалению подобных статей по разработке электроники мало и это плохо…

Я обещал пользователю KSVl и некоторым другим читателям, статью с базовыми принципами проектирования печатных плат (ПП), так же приглашаю к ознакомлению всех любителей попаять за чашечкой кофе!



Пролог

Все описанные в статье правила, являются самыми базовыми и ориентированы исключительно на совсем начинающих разработчиков для которых электроника просто хобби. Сразу хочу отметить, что данная статья не претендует на абсолютную истину и все объяснения даны в вольной форме.

Наверняка найдутся люди, которые скажут: «Да и так ведь работает, зачем что-то менять?». И вот тут увы, я не готов тратить силы и переубеждать вас. Одни хотят все делать хорошо, качественно и надежно, другим же не дано понять этого желания.

Источники информации на которых базируются описанные в статье правила:

  1. Курс общей физики и электротехники. Все в пределах 1-го курса ВУЗа
  2. Книги Говарда Джонса «Конструирование высокоскоростных цифровых устройств: начальный курс черной магии» и «Высокоскоростная передача цифровых данных: высший курс черной магии»
  3. Стандарты IPC, например, IPC-2221A. Бывает перевод на русском (старая версия) и оригинал последних версий на английском
  4. Собственный опыт

Правило №1 — Ширина проводника


Ошибка

— очень часто начинающие разработчики используют ту ширину проводников (дорожек), которая стоит по умолчанию в используемой САПР. В упомянутой ранее статье, автор использовал EasyEDA и там базовое значение ширины стоит 6 mils, то есть около 0.15 мм. Данная ширина проводников использована практически везде и это плохо, ибо ведет к ряду проблем.

Проблема №1 — падение напряжения. Все мы помни закон Ома из которого следует, что чем меньше площадь сечения проводника, тем больше его сопротивление. Чем больше сопротивление проводника, тем больше на нем упадет напряжение.

Проблема №2 — нагрев проводника. Тут все тот же закон Ома, мощность выделяемая на проводнике пропорциональна его сопротивлению, то есть чем больше сопротивление, тем больше тепла выделится на проводнике. Дорогу 0.15 мм ток в 5-10А легко испарит.

Проблема №3 — паразитная индуктивность. Этот момент к базовым вряд ли уже относится, но знать про него надо. Чем меньше сечение проводника, тем больше его индуктивность. То есть любой проводник на самом деле не просто «кусок меди», это составной компонент из активного сопротивления, индуктивности и паразитной емкости. Если эти параметры слишком высоки, то они начинают негативно отражаться на работе схемы. Чаще они проявляются частотах больше 10 МГц, например, при работе с SPI.

Проблема №4 — низкая механическая прочность. Думаю не надо объяснять, что дорожка шириной 2 мм более прочно прикреплена к текстолитовой основе, чем дорожка 0.15 мм. Ради интереса возьмите заводскую ненужную плату и поковыряйте ее.

Решение — используйте максимально возможную ширину проводников. Если проводник можно провести с шириной 0.6 мм, то это лучше, чем провести его шириной 0.15 мм.

Пример:

1) Плохо

2) Хорошо

Правило №2 — Подключение к выводам

Под выводами подразумевается контактная площадка компонента (pad), переходные отверстия (via) и прочие объекты, которые на плате мы соединяем с помощью проводников (дорожек).

Ошибка — бывают две крайности. В одной, разработчик совершает ошибку из правила №1 и подключает дорожку 0.15 мм к выводу smd резистора 1206. В другом случае наоборот, использует проводник ширина которого равна ширине контактной площадки. Оба варианта плохие.

Проблема №1 — низкая механическая прочность. При нескольких попытках перепайки компонента, площадка или дорожка просто отслоятся от текстолитовой основы печатной платы.

Проблема №2 — технологические проблемы с монтажом платы. Хотя это станет

Базовые рекомендации разработчику печатных плат | others

Что самое важное при разработке печатных плат (PCB)? Давайте рассмотрим несколько основных моментов, о которых следует всегда помнить разработчику, если он хочет создать по-настоящему технологичные в изготовлении, функциональные и надежные платы. Здесь приведен перевод статьи [1] (автор David Marrakchi), опубликованной на сайте Altium.

Когда Вы начинаете новый проект платы, довольно просто отбросить эти основные советы, потому что мысли в основном сосредоточены на дизайне схемы и/или ПО. Но это скорее всего позже приведет к неприятным последствиям, которые уже сложно будет исправить и они доставят много головной боли. Схема будет работать не так качественно, как ожидалось, у сборщика появятся трудности в производстве, и т. п. Ниже рассмотрены несколько самых важных моментов, помогающих разработать хорошие, качественные печатные платы.

[1. Следует хорошо знать и использовать спецификации производства]

Перед тем, как начать непосредственную разводку, уделите некоторое время на изучение ограничений, которые накладывает производитель при производстве плат. Можно позвонить производителю, написать ему email с просьбой выслать его требования по минимально допустимой ширине дорожки, минимальному расстоянию между дорожками и т. п. Часто эта информация находится на сайте производителя (типичный пример см. в [10]), и требования к параметрам изготовляемой платы делятся по классам точности (от класса точности зависит цена производства).

Для чего это нужно? Чтобы предварительно настроить правила трассировки (Design Rules), систему проверки дизайна на соответствие заданным ограничениям (Design Rules Check, DRC). Если изначально соблюдать правила заданной технологии, то будет проще выполнить всю работу, не потребуется тратить лишнее время на исправление ошибок, которые могут выявиться на этапе производства.

[2. Тщательно размещайте компоненты]

Стадия разработки, когда Вы размещаете компоненты на PCB, требует как искусства, так и научных знаний. Требуется выбрать стратегию размещения, реализующую наиболее выгодный компромисс по удовлетворению требований к разработке. Этот процесс может быть сложным, и от того, как Вы расположите детали на плате, будет зависеть как сложность производства изделия, так и его работоспособность.

При размещении компонентов полезно пользоваться функцией привязки к координатной сетке (snap-to-grid), эта опция должна быть разрешена. Обычно для первичного размещения деталей используют шаг координатной сетки 50 mil. Хотя размещение обычно начинают с выбора места и положения коннекторов, светодиодов, кнопок, схем питания, деталей точных схем, критических узлов и т. д., есть несколько специальных моментов, которые следует учитывать:

Ориентация. Убедитесь, что ориентация похожих компонентов совпадает. Например, электролитические конденсаторы, диоды и т. п. по возможности должны направлять свой положительный электрод в одну сторону. Это поможет в эффективной и безошибочной пайке.

Размещение. Современное технологическое оборудование автоматического монтажа позволяет применять минимальные интервалы между компонентами до 0.2 мм и от края платы 1 мм. Однако использование таких предельных значений в разработке вряд ли оправдано, потому что усложняет монтаж и ремонтопригодность изделия, снижает его надежность. Рекомендуется сохранять интервалы между компонентами не менее 0.5 – 1.25 мм (в зависимости от типа корпуса).

Избегайте размещения компонентов со штыревыми выводами на стороне пайки (нижняя часть платы, Bottom).

Организация. Рекомендуется размещать все монтируемые на поверхность детали (Surface Mount, SMT, или SMD) только на одной стороне платы (обычно на верхней, Top). Одностороннее размещение деталей упрощает и удешевляет монтаж. Если плата сложная, и на ней есть как SMD-компоненты, так и компоненты со штыревыми выводами (through-hole, TH), то TH-компоненты разместите (по возможности) на верхней стороне платы, а SMD-компоненты на нижней. Это минимизирует операции по сборке (монтажу) платы.

Следует учесть, что если на плате имеются смешанные по технологии пайки компоненты (есть как TH, так и SMD детали), то это заставит производителей предпринимать дополнительные шаги для сборки платы, что удорожает производство.

Хороший выбор ориентации компонентов Плохая ориентация компонентов
Хорошее размещение компонентов  Плохое размещение компонентов

Если Вы не нашли компонент в библиотеке, то потребуется его создать. Уделите особое внимание зазорам между контактными площадками и окнам в маске. Маска должна обязательно образовывать окна для каждого вывода, не делайте общее окно для группы выводов. Не соблюдение этого правила может привести к коротким замыканиям мостиками припоя между выводами.

Маска разделяет промежутки между выводами, снижая риск образования замыканий припоем. Неправильно созданные окна в маске для выводов микросхемы, повышенный риск наплыва припоя между выводами.

Автотрасировщик может подсказать, насколько хорошо выполнено размещение деталей (см. далее).

[3. Разделение по функционалу]

Скорее всего Вы уже знаете, что мощные схемы, где есть высокие напряжения и большие импульсные токи, могут генерировать значительные помехи, влияющие на работку маломощных прецизионных схем. Чтобы снизить факторы помех, выполните следующие рекомендации:

Разделение. Убедитесь, что шина высокоточной земли и шина земли схем управления или шина земли чувствительных аналоговых схем разведены отдельно. Если они требуют соединения, то должны соединяться друг с другом только в одной точке, максимально близко к месту входа тока питания на плату. Общий принцип – ток потребления, протекающий по шине земли от мощной части схемы, не должен вносить помехи своим падением напряжения на другие, чувствительные части схемы.

Размещение. Если Вы размещаете заливку земли (ground plane) на внутреннем слое платы, то убедитесь, что существуют многочисленные надежные, с низким импедансом соединения этой заливки с другими проводниками земли, находящимися на верхней и нижней сторонах платы. Это снизит риск наводки токами питания помех на чувствительные сигналы управления. Основная рекомендация – стараться отделять друг от друга цифровую и аналоговую земли, идеальный вариант полная их изоляция друг от друга (применяется в особо точных приборах).

Развязка. Чтобы снизить емкостные паразитные связи из-за размещения проводников над большими заливками земли/питания и под ними, постарайтесь выполнить разводку таким образом, чтобы аналоговые сигнальные проводники проходили только над/под аналоговой заливкой земли и пересекали только аналоговые проводники. Это поможет снизить влияние помех от импульсных напряжений и токов, генерируемых быстро переключающимися цифровыми сигналами.

Пример разделения на плате цифровой (DIGITAL) и аналоговой (ANALOG) частей схемы:

[4. Трассировка питания, земли и сигналов]

Когда компоненты размещены, самое время заняться шинами питания, земли и важными сигнальными проводниками, которые Вы хотите развести качественно, чтобы на них было меньше всего посторонних помех. На этой стадии разработки нужно учитывать следующее:

Размещение заливок питания и земли (Power Plane, Ground Plane). Если плата многослойная, то всегда рекомендуется заливки земли и питания разместить на двух внутренних слоях, и разместить их друг относительно друга симметрично, желательно чтобы каждая такая заливка занимала всю площадь платы. Это поможет защитить плату от изгибов и перенапряжений, что может повлиять на правильность позиционирования компонентов при монтаже. Если плата двухсторонняя, то для питания интегральных схем рекомендуется использовать широкие, прямолинейно проложенные проводники, без образования петель. Идеальный вариант – залить все свободное пространство платы шиной земли, как на верхней, так и на нижней стороне платы, а шины питания (+5V, +3.3V) развести широкими, максимально прямолинейными проводниками, без образования лишних петель при переходе от одной микросхемы к другой, с минимизацией переходов между слоями.

Сигнальные проводники. После прокладки питания разведите ответственные сигнальные цепи в соответствии с рекомендациями по построению Вашей схемы. Всегда рекомендуется такие проводники делать максимально короткими, проводимыми непосредственно от компонента к компоненту. При плотной разводке когда возникают сложности в трассировке и необходимо делать переходы с одной стороны платы на другую (с помощью металлизированных переходных отверстий, via) старайтесь размещать горизонтальные проводники на одной стороне платы и соответственно вертикальные на противоположной.

Определение толщины проводников. Когда ток течет через медные проводники платы, он может их довольно сильно нагревать. Чем больше ширина проводника, тем меньше его сопротивление, и меньше нагрев. Но нельзя бесконечно увеличивать ширину проводника, нужен определенный компромисс. Поэтому управление шириной проводников – один из многих способов сбалансировать нагрев печатной платы и уменьшить сопротивление проводников.

Скорее всего Ваша разработка будет иметь цепи разного класса – одни проводники будут передавать большие токи, другие маленькие. Этот факт будет диктовать необходимую ширину проводников на плате. Базовая рекомендация – для слаботочных аналоговых и цифровых цепей рекомендуется делать проводники шириной 10 mil (mil равен одной тысячной дюйма, или 0.0254 мм). Когда цепи будут передавать ток больше 0.3A, их следует делать шире. Есть удобный онлайн-калькулятор [2], упрощающий процесс вычисления параметров проводников. В следующей таблице приведены грубые рекомендации по выбору толщины проводников в зависимости от силы тока. Следует также учитывать длину проводников. Длинные проводники следует стараться делать шире, если по ним протекают значительные токи, это позволит снизить сопротивление проводника и падение напряжения на нем. Небольшой совет – если есть возможность сделать ширину проводников больше, чем требуется, то сделайте это! Когда Вы с запасом отвечаете требованиям как производителя, так и дизайна, меньше шансов того, что плата окажется бракованной, или будет работать не так, как ожидалось.

Ширина дорожки Допустимый ток
10 mil 0.3 A
15 mil 0.4 A
20 mil 0.7 A
25 mil 1.0 A
50 mil 2.0 A
100 mil 4.0 A
150 mil 6. 0 A

Назначьте цепям питания (GND, VCC и т. п.) отдельный класс, и назначьте ему увеличенную минимальную ширину проводника. Тогда автороутер будет прокладывать эти цепи проводниками заданной толщины. Дополнительное преимущество – по толщине проводников проще ориентироваться в разводке платы.

Контактные площадки SMD. Паяльная паста, и особенно расплавляемый припой ведет себя как обычная жидкость, обладающая поверхностным натяжением. В момент пайки это натяжение может смещать монтируемый компонент (особенно это касается SMD-резисторов и конденсаторов). Поэтому не только важно, чтобы паяльная паста имела достаточную влажность и вязкость, но также чтобы размеры площадок для пайки SMD-компонентов строго соответствовали рекомендованным (рекомендуемые размеры площадок можно узнать в даташите на компонент). Если не соблюдать это правило, например если предусмотрено “универсальное” посадочное место для пайки как корпуса 0805, так и корпуса 1208, то поверхностное натяжение расплавленного припоя может привести к перекосу компонентов и даже “могильным камешкам” (thumbstone).

Подсоединение проводников к контактным площадкам. Обратите внимание на разводку проводников по отношению к местам пайки (контактным площадкам) с целью избежать поворота SMD-компонента при пайке. На рисунках ниже показаны примеры правильной и неправильной разводки по отношению к контактным площадкам.

Предпочтительная разводка проводников (стрелками показана миграция припоя):

Нежелательная разводка, которая может привести к повороту SMD-компонента при пайке (стрелками показана миграция припоя):

Диаметры сверл и переходные отверстия. Насколько это возможно, снизьте ассортимент диаметров отверстий, используемых на печатной плате для монтажа TH-компонентов и переходов между слоями. Постарайтесь минимизировать количество сквозных и слепых переходных отверстий для разводки сигнальных проводников (это не касается отверстий, предназначенных для соединения накоротко заливок медью шин земли и питания). По возможности совсем исключите из дизайна слепые переходные отверстия. Это повысит технологичность, надежность платы, её пригодность для ремонта и тестирования.

Зазоры. При разводке необходимо оставлять достаточно места между проводниками различных цепей (зазор, clearance). Почему? Если Вы слишком близко проложите проводники, то повышается риск коротких замыканий между дорожками, образующихся в процессе производства платы. Помните, что процесс производства PCB не на 100% точен, поэтому всегда необходимо для безопасности выдерживать зазор минимум от 7 до 10 mil между соседними дорожками и контактными площадками для пайки деталей.

Особенно важны зазоры между проводником и контактными площадками для пайки. Минимальный допустимый зазор, как и толщина проводников, в общем случае определяется классом точности печатной платы [8], однако хорошей рекомендацией будет не допускать зазоры между контактными площадками и между контактными площадками и токопроводящим рисунком других цепей меньше 7 mil, лучше всего делать зазоры 10 mil. Слишком маленькие зазоры повышают риск возникновения коротких замыканий из-за мостиков припоя и ошибок в производстве самой печатной платы. Также зазоры нужно увеличивать, если проводник находится под высоким напряжением относительно других цепей.

При разводке проводников включите привязку к координатной сетке (snap-to-grid). Шаг координатной сетки 50 mil будет хорошим начальным выбором. Снижение шага до 25 mil может помочь в работе по разводке более плотной платы. Выключение привязки к координатной сетке (или включение очень мелкого шага) может понадобится при подключении проводников к выводам компонентов, которые используют необычный шаг выводов.

Общей практикой является ограничение направлений разводки горизонтальными, вертикальными проводниками, и проводниками под 45 градусов. При прокладке тонких проводников избегайте острых углов при поворотах трассы. Проблема здесь состоит в том, что внешний угол может быть вытравлен сильнее, в результате чего в этом месте проводник получится слишком тонким. Для резких поворотов проводника используйте скругление углов сегментами, направленными под 45 градусов.

Монтажные отверстия. Не забывайте оставлять достаточный интервал между монтажным отверстием и токопроводящим рисунком, чтобы металлическая стойка, винт или шайба не вызвали нежелательного замыкания. Помните, что паяльная маска не может служить хорошим изолятором – она слишком тонкая, и легко разрушается от механического воздействия.

[5. Борьба с нагревом]

Сталкивались ли Вы с ситуациями, когда из-за повышенной температуры ухудшалась работа схемы или даже она вовсе выходила из строя? Эта проблема часто возникает, если не уделить достаточно внимания рассеиваемой компонентами мощности и охлаждению. Ниже приведено несколько советов, помогающих избежать проблем с перегревом и пайкой.

Идентифицируйте проблемные компоненты. Сначала нужно определить, какие компоненты на плате будут больше всего нагреваться. В этом может помочь изучение даташита на компонент и проверка его реальных условий работы в схеме. Обращайте внимание на термосопротивление корпуса (параметр Thermal Resistance) и рекомендации по монтажу и использованию компонента. Конечно, при необходимости должны быть добавлены радиаторы и вентиляторы, чтобы снизить температуру компонента. Также нужно стараться удалить сильно нагревающиеся компоненты от других нагревающихся компонентов и деталей, чувствительных к нагреву (например, от электролитических конденсаторов).

Добавление термобарьера. Термобарьер для пайки (Thermal Relief) – очень полезная технология, улучшающая технологичность платы для процесса её монтажа. Особенно это критично для плат, которые паяются в массовом производстве методом “волна припоя” (wave soldering) и для сборки сложных многослойных плат. Без наличия термобарьера на штыревых выводах компонентов, подключенных к заливке земли (и даже иногда для пайки SMD-компонентов на заливку меди) трудно контролировать температуру припоя в месте пайки. Термобарьер помогает качественной пайке, припой хорошо растечется по всему металлизированному отверстию или месту пайки, что уменьшает риск образование “ложной” пайки.

Общая рекомендация – всегда используйте термобарьер для любого сквозного отверстия, предназначенного для пайки. Также это касается и массивных точек пайки SMD-компонентов, когда они находятся на заливках меди. Исключением из этого правила могут быть случаи, когда такая заливка специально предназначена для охлаждения компонента, но в таком случае должны быть предусмотрены специальные условия для пайки (например, нижний подогрев платы). Типичный термобарьер для места пайки штыревого вывода:

В дополнение термобарьерам применяйте скругления металлом к площадке пайки (teardrops) в тех местах, где проводник, покрытый маской, соединяется с местом пайки, свободным от маски. Это поможет снизить механический и термальный стресс, наносимый проводникам при пайке, будет меньше риск их повреждения и расслоения.

[6. Пользуйтесь автороутером!]

Многие разработчики слепо верят, что автоматический трассировщик мало чем может помочь в разводке. Основная аргументация такого подхода – программный автомат никогда не сможет лучше человека учесть все нюансы разработки. Но это ошибка! Если правильно составить стратегию разводки и соответствующим образом выбрать ограничения дизайна, то автороутер может сэкономить Вам много времени, избавив от монотонной работы [6]. Конечно, автороутер не может выполнить за Вас почти всю работу (за исключением совсем простых проектов). Ваша задача корректировать его поведение и вручную разводить проблемные и особо ответственные цепи, чередуя итерации автоматической и ручной разводки.

Также не стоит впадать в другую крайность и считать, что автороутер может решить все Ваши проблемы. Автотрассировщики, сколь хороши они ни были, никогда не заменят целиком трассировку саму по себе, и должны использоваться только по нескольким причинам, включая следующие:

Размещение компонентов. Автороутер может помочь приблизительно оценить, насколько оптимально расположены компоненты на печатной плате. Вы можете попробовать использовать автороутер после того, как разместите все свои компоненты, чтобы результат разводки автороутера показал, насколько качественную разводку при таком размещении можно получить. Если автороутер развел меньше 85%, то этот может означать, что требуется более тщательно подобрать места для расположения деталей на плате.

Узкие места трассировки. Также можно использовать автороутер для выявления проблемных мест и других критических точек соединений, которые сразу не видны в процессе размещения компонентов.

Подсказка. И наконец, автороутер можно использовать как источник новых идей в поиске пути трассировки некоторых соединений. Быстрый запуск автотрассировщика может показать новый путь для разводки, который Вы ранее не рассматривали.

Помимо этих причин не рекомендуется полностью полагаться на результат автоматической разводки. Почему? Скорее всего автоматическая разводка не будет достаточно точна, и особенно если Вы любите красивую/симметричную разводку, то автороутер наверняка разочарует. И что более важно – ручная трассировка (при условии наличии достаточного опыта) позволит наиболее качественно выполнить все соединения. Трассировка – кропотливый процесс, требующий терпения и любви к своей работе, чтобы можно получить желаемые результаты. ИМХО самый оптимальный вариант – комбинировать итерации ручной разводки и запуска автороутера, чтобы максимально ускорить получение удовлетворительного результата.

[7. Используйте переходные отверстия для отвода тепла]

Последний совет касается того, как можно использовать переходные отверстия (via). Они не только могут предоставить соединение между слоями платы, но также дополнительный способ теплоотвода.

Это становится особенно удобно, если у применяемого мощного компонента есть специальная контактная площадка для отвода тепла (die), предназначенная для пайки на площадку фольги. Если Вы сделаете на этой контактной площадке несколько переходных отверстий до полигона на обратной стороне платы, то тепло будет лучше рассеиваться, и система будет работать надежнее.

[8. Тщательно проверяйте свою работу]

Всегда рекомендуется воспользоваться инструментами автоматической проверки, чтобы не быть озадаченным проблемами, возникающими в процессе производства, сборки и тестирования. К таким инструментам относятся проверка электрических правил (Electrical Rules Check, ERC) и проверка правил разводки (Design Rules Check, DRC), они проверяют, удовлетворяет ли дизайн установленным ограничениям. Эти две системы контроля позволяют просто управлять зазорами, шириной проводников, общими шагами производства, требованиями к высокоскоростным цепям.

Когда тесты ERC и DRC [3, 4] покажут отсутствие ошибок, рекомендуется на всякий случай проверить трассировку каждого сигнала, чтобы убедиться в том, что ничего не упустили. Собственно для этой цели и выполняется рисование принципиальной схемы в таких системах разработки плат, как Altium Designer и других подобных. Если принципиальная схема создана правильно то наверняка и печатная плата не будет содержать грубых ошибок после успешного прохождения тестов ERC и DRC.

Убедитесь, что печатная плата содержит качественную маркировку шелкографией важных мест, и имеются специальные маркеры, предназначенные для автоматизированной сборки и тестирования. Размещение шелкографии и SMD-компонентов только на верхней стороне платы не только удешевляет производство самой платы, но и еще позволяет быстрее определить верхнюю сторону платы при ручном монтаже.

Некоторые интегрированные системы разработки создают трехмерные модели готовой, смонтированной печатной платы [7]. 3D-модель еще до сборки помогает лучше разобраться в технологичности платы, позволяет бросить общий взгляд на готовое изделие и выявить недостатки, которые были незаметны на этапе разработки. Например, компоненты с металлическим корпусом (радиатор, кварцевый резонатор, батарея) могут вызвать неожиданные замыкания с токопроводящим рисунком. Трехмерная модель позволяет лучше выявить места возможных проблем.

[Ссылки]

1. Top 5 PCB Design Guidelines Every PCB Designer Needs to Know site:altium.com.
2. Trace Width Calculator site:4pcb.com.
3. Electrical Rules Check (ERC) site:altium.com.
4. Design Rules Check (DRC) site:altium.com.
5. Использование Altium Designer для разводки печатных плат.
6. Эффективная трассировка печатных плат в Eagle.
7. Eagle3D: как сделать объемную модель печатной платы.
8. Классы точности печатных плат (PCB).
9. The Top 10 PCB Routing Tips for Beginners site:autodesk.com.
10. JLCPCB Capabilities.
11. 7 правил проектирования печатных плат site:habr.com.

ГОСТы и правила разводки/трассировки печатных плат |

Когда нужна заливка полигонами?

Техника заливки полигонами “poured-ground” (чаще называемая “ground-fill”) может быть полезна в двухсторонних печатных платах, которые не могут иметь цельных слоев металлизации. Она уменьшает перекрестные помехи и паразитное излучение. Эта техника особенно хорошо работает в высоко импедансных аналоговых схемах. Для примера, в вашем видеомагнитофоне непременно используется эта техника, для того чтобы уменьшить паразитную связь между аналоговой и цифровой частью схемы.
Чтобы увидеть как это работает, представим линии электрического поля, излучающиеся от активных трасс.

  • Везде где эти линии заканчиваются, они вызывают потоки смещения.
    (Эта концепция ток смещения “displacement-current” идея, которую так изящно описывают уравнения Максвелла.)
  • Линии электрического поля вообще заканчиваются на самом близком металлическом объекте.
  • Если самый близкий металлический объект это другой проводник, то линии электрического поля вызывают на этом проводнике перекрестные помехи. (Figure 1а)
  • Введение земляных полигонов между проводником жертвой и активным проводником (проводником агрессором) ведет к тому, что большая часть линий электрического поля заканчивается на земляном полигоне, вместо того чтобы воздействовать на проводник жертву – это снижает перекрестные помехи. (Figure 1b)
​В многослойных платах, где есть цельный слой металлизации питания и земли, эта техника ни как не действует. Вы уже заполнили непрерывным слоем металлизации всю область между взаимно влияющими проводниками. Заливая полигонами области на верхних слоях, вы просто дублируете то же самое, что у вас уже есть на внутренних слоях, и это бессмысленно.

В многослойной цифровой среде, эта техника не уменьшает перекрестные помехи. Как и указывает Перселл, заливка полигонами оказывает влияние на импеданс любых проводников следующих вдоль линии полигона. По этим причинам я не использую заливку полигонами в многослойных цифровых платах.

Позвольте мне также указать, что если высокоскоростные цифровые схемы классифицируются как низко импедансные, это означает что импеданс схемы много меньше 377 Ом, импеданса свободного пространства. Большинство шумовых проблем низкоимпедансных схем вызвано магнитно-полевым (индуктивным) воздействием, в противоположность воздействию электрических полей (емкостному воздействию). Уменьшение магнитно-полевого воздействия требует наличия непрерывных проводников для возвратного тока простирающихся параллельно сигнальным проводникам по всей плоскости, сохраняющих возвратный сигнал закрытым от остальных. Сплошной слой металлизации может обеспечить эту функцию. Изолированные области полигонов не помогают уменьшить магнитное поле или излучение между трассами на печатной плате.

Dr. Howard Johnson sigcon.com Ground Fill
(Оригинальный текст опубликован в EDN Magazine, May 26, 2005)

РАЗВОДКА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

   Многие знакомы с такой технологией разводки и создания печатных плат, как вырезание дорожек. Но что делать, когда схема слишком сложна и объёмна? Тут уже придётся осваивать более современные методы, с одним из которых мы тут и познакомимся. Возьмем, например, схему этого звукового пробника:

Схема устройства


   Существенной разницы не имеет, будем ли мы разводить плату на листочке в клетку, вырезав из картона шаблоны деталей с выводами (хотя я глубоко сомневаюсь, что кто-нибудь будет пользоваться таким методом в 21 веке, когда в каждом доме есть компьютер), либо воспользуемся какой-нибудь программой для разводки печатной платы, например sprint layout. Конечно с помощью sprint layout это сделать будет намного проще, особенно в больших схемах. В обоих случаях сначала мы ставим на рабочее поле деталь с наибольшим количеством выводов в нашем случае это транзистор, допустим VT1, это у нас КТ315. (Ссылка на руководство по пользованию sprint layout будет приведена ниже). Причем поначалу при проектировании у вас печатная плата может напоминать принципиальную схему, ничего страшного, думаю все так начинали. Поставили, дальше соединяем его базу и эмиттер дорожками с резистором R1, также у нас база VT1 соединена с выводом конденсатора С1 и выводом резистора R2. Вместо линий на схеме мы соединяем на печатной плате выводы деталей дорожкой. Еще я взял себе за правило считать количество выводов деталей соединённых на схеме и на печатной плате, у нас должно получиться такое же количество соединенных пятачков.


   Как видим, с базой у нас на плате также как и на схеме соединено еще 3 вывода, на схеме они помечены красными колечками. Дальше устанавливаем транзистор VT2 – это транзистор кт361, он структуры pnp, но нам это в данный момент все равно, так как он имеет также 3 вывода и в корпусе точно таком же как и кт315. Установили транзистор, далее соединяем его эмиттер с вторым выводом R2, а второй вывод конденсатора С1 с коллектором VT2. Базу VT2 мы соединяем с коллектором VT1, устанавливаем на плату пятачки для подключения динамика ВА1, его мы соединяем одним выводом с коллектором VT2, другим выводом с эмиттером VT1. Вот как все, что описал выглядит на плате:


   Продолжаем дальше, мы устанавливаем светодиод, соединяем его с выводом ВА1 и с эмиттером VT2. После мы устанавливаем транзистор VT3, это также кт315 и соединяем его коллектором с катодом светодиода, эмиттер VT3 мы соединяем с минусом питания. Далее мы устанавливаем резистор R4 и соединяем его дорожками с базой и эмиттером транзистора VT3, вывод с базы мы пускаем на щуп Х1. Смотрим, что получилось на плате:


   И наконец устанавливаем последние несколько деталей. Установим выключатель питания, соединяя его с плюсом питания дорожкой от одного пятачка и с эмиттером VT2, дорожкой от другого пятачка, соединенного с выключателем. Соединяем этот вывод выключателя с резистором R3, а второй пятачок резистора соединяем с контактами щупа Х2.  


   Всё, плата разведена. При большом желании можно перенести этот рисунок на текстолит протравить эту плату и у вас будет устройство Звуковой пробник с прозвонкой сопротивлением до 650 Ом. Конечно, можно было при желании развести более компактно, но у меня не было такой цели, моя цель была поэтапно рассказать о процессе создания макета печатной платы. Если кого-то заинтересовал процесс создания плат с помощью программы sprint layout, рекомедую пройти и ознакомиться с руководством на форуме. Ниже прикреплен вариант платы более компактно разведенной.


   Оба варианта печатных плат в Lay можно скачать тут. Материал подготовил – AKV.

   Форум по самостоятельной сборке плат

   Форум по обсуждению материала РАЗВОДКА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Общие вопросы трассировки печатных плат

Перед тем как приступить к этапу трассировки необходимо загрузить список цепей и проект библиотеки с посадочными местами в редактор печатных плат, сформировать контур печатной платы, выполнить компоновку. Кроме того, важным этапом предшествующим компоновке и трассировке является настройка редактора печатных плат. Далее рассмотрим этот вопрос подробнее на примере САПР Altium Designer.

Прежде всего, необходимо определить правила проектирования печатных плат. На рисунке 1 приведены все доступные правила проектирования.

Рисунок 1

Как правило, конструктор применяет те из них, которые оказывают влияние на интерактивную трассировку, которая применяется как эффективный метод реализации топологии. Именно интерактивная трассировка, по сравнению с ручной трассировкой, позволяет в режиме «реального времени» отслеживать прокладку печатных проводников в соответствии с заданными настройками в редакторе правил проектирования. Следует отметить, что правила проектирования печатных плат должны соответствовать определенному классу точности печатной платы, требованиям технического задания, а также технологическим требованиям предприятия-изготовителя, на котором будет реализована спроектированная печатная плата.

В первой группе – Electrical (электрические), расположены правила, учитывающие электрическое соединение компонентов. Для интерактивной трассировки для этой группы представляет интерес правило Clearance (Зазоры) – см. рисунок 2. Здесь задаются минимально допустимые зазоры для заданного класса точности между конструктивными элементами печатной платы. Так для простой (simple) настройки это: зазоры между проводниками (Track to Track), зазоры между планарной контактной площадкой и проводником (SMD Pad to Track), зазоры между планарной контактной площадкой сквозного отверстия и проводником (TH Pad to Track), зазоры между сквозным отверстием и проводником (Via to Track) и так далее.

Рисунок 2

Во второй группе – Routing , расположены правила, которые в большей степени учитываются при интерактивной трассировке. Это, прежде всего, настройка правил для ширины печатного проводника – Width (см. рисунок 3). Здесь задаются минимальное, максимальное и рекомендованное значения. При интерактивной трассировке автоматически берется рекомендованное значение, тем не менее, в процессе трассировки можно переключаться на другую ширину печатного проводника из заданного в правилах диапазона.

Рисунок 3

Также необходимо настроить стиль переходных отверстий – Routing Via Style (см. рисунок 4). Здесь, аналогично правилам Width, задаются минимальное, максимальное и рекомендованное значения диаметра отверстия и его контактной площадки.

Рисунок 4

Кроме того, необходимо настроить правило для угла изгиба проводников Routing Corners (см. рисунок 5).

Рисунок 5

Если в проекте имеются дифференциальные цепи, то следует задать правила проектирования и для них в подгруппе Differential Pairs Routing (см. рисунок 6).

Рисунок 6

После настройки правил проектирования можно приступить к компоновке электронных компонентов в пределах контура (габаритов печатной платы), а затем к трассировке.

Как правило, в списке цепей, загруженных в редактор печатных плат, могут присутствовать: сигнальные цепи, цепи питания (VCC), аналоговой «земли» (AGND), цифровой «земли» (DGND), дифференциальные цепи, DDR-цепи. Рекомендуется сначала осуществлять трассировку сложных цепей, таких как дифференциальные цепи, DDR-цепи. Далее следует трассировать сигнальные цепи, а затем цепи питания и земли, которым отводятся отдельные слои (как правило, внутренние), выполненные в виде медных полигонов.

Ниже приводится перечень рекомендаций по трассировке печатных плат:

  1. Принцип минимизации длины соединений. Сигнальные проводники выполняйте максимально короткими.
  2. При переходе со слоя на слой, размещайте горизонтальные проводники на одной стороне печатной платы, а вертикальные на другой, либо соблюдайте этот принцип в местах пересечения проводников угол пересечения 90 градусов, проводники на верхней стороне печатной платы не должны выполняться параллельно проводникам на противоположной стороне).
  3. Ширину печатного проводника выполняют в зависимости от протекающего тока. Для слаботочных аналоговых и цифровых цепей их выполняют, как правило, шириной 0,25 мм, что соответствует 3 классу точности печатных плат. Для цепей, по которым течет ток больше 0,3 А, ширину проводников следует увеличить. При выборе ширины сигнального печатного проводника используют правило 3/4: ширина проводника, подключаемого к контактной площадке не должна превышать ширину контактной площадки умноженную на 0,75. Для силовых цепей правило 3/4 можно не применять и использовать большую ширину печатного проводника.
  4. Правильно располагайте переходные отверстия относительно контактных площадок и печатные проводники между контактными площадками (см. рисунок 7).

    Рисунок 7

  5. Соединения между контактными площадками микросхем должны трассироваться вне зоны пайки. В противном случае неправильная трассировка приведет к некачественному контакту (см. рисунок 8).

    Рисунок 8

  6. Правильно подсоединяйте печатные проводники к контактным площадкам SMD-компонентов с учетом пайки с целью избежать поворота этого компонента. Стрелками на рисунке показано направление миграции припоя, слева предпочтительный вариант, справа вариант, который может привести к повороту компонента (см. рисунок 9).

    Рисунок 9

  7. При трассировке включите шаг сетки, совпадающий с шагом расположения компонентов (как правило, с шагом микросхем) – 1,27 мм, 0,635 мм. Для компонентов с другим шагом сетки следует либо уменьшить шаг сетки, либо отключить привязку к сетке.
  8. При смене направления проводника следует применять угол изгиба 45 градусов или в виде дуги, так как при повороте в 90 градусов ток распределяется неравномерно (как следствие, перегрев проводника), кроме того на высоких частотах это приведет к тому, что данная часть схемы будет работать как антенна (см. рисунок 10).

    Рисунок 10

  9. Если печатная плата многослойная, то выполняйте цепи питания и земли в виде полигонов (заливка медью желательно по всей площади печатной платы) и размещайте каждую из этих цепей на отдельном внутреннем слое друг относительно друга. Если печатная плата двусторонняя, то свободное пространство печатной платы, как на верхней стороне (Top), так и на нижней (Bottom), выполнить в виде полигона, подключенного к цепи земли (GND). Цепи питания развести широкими максимально прямолинейными проводниками без образования лишних перегибов и минимизацией количества сквозных отверстий между слоем Top и Bottom.
  10. Для печатных плат с более чем четырьмя слоями следует располагать высокоскоростные сигнальные проводники между полигонами земли и питания, а низкочастотным отводить внешние слои.
  11. Следует разделять земли на аналоговую (AGND) и цифровую части (DGND) для подавления шума. При этом нельзя допускать перекрытий аналоговых и цифровых полигонов. Однако разделение не означает электрической изоляции аналоговой от цифровой земли, они должны соединяться вместе в узле с низким импедансом. Данный узел, будет являться выводом заземления для систем с питанием от сетевого переменного напряжения или общим выводом для систем с питанием от постоянного напряжения. Все сигнальные токи и токи питания в этой схеме должны возвращаться к этой земле в одну точку, которая будет служить системной землей.

    При этом точка соединения должна располагаться максимально близко к месту входа тока питания на плату. Здесь возможны три случая:

    – одноточечное соединение для печатных плат, работающих в диапазоне частот от 1 Гц до 10 МГц (последовательное соединение увеличивает импеданс земли) и при максимальной длине печатного проводника равной 1/20 длины волны;

    – многоточечное соединение рекомендуется применять на высоких частотах, так как такое соединение имеет меньший импеданс по сравнению с одноточечным соединением. При этом следует учитывать, что если имеются на печатной плате функциональные узлы и высокочастотные и низкочастотные, то ближе к земле располагают высокочастотные узлы, а низкочастотные располагают ближе к линии питания;

    – комбинированное соединение рекомендуется применять, если на печатной плате имеется цифрой, аналоговый или силовой функциональные узлы.

  12. Шины питания и земли должны находиться под одним потенциалом по переменному току, что подразумевает использование конденсаторов развязки и распределенной емкости. Следует отметить, что развязывающие конденсаторы допустимо использовать на частотах более низких, чем частота их собственного резонанса, до тех пор, пока их импеданс на этих частотах остается достаточно низким.
  13. Располагайте шины и полигоны аналогового питания над полигоном аналоговой земли (аналогично для шин цифрового питания). Аналоговые сигнальные проводники располагайте над/под аналоговой землёй (AGND), следите, чтобы аналоговые сигнальные проводники пересекали только аналоговые проводники.
  14. Правильно разделяйте контактные площадки от полигонов. Контактные площадки, которые соединяются полигоном необходимо отделять термобарьером, который позволяет предотвратить неравномерный прогрев площадки при пайке (см. рисунок 11).

    Рисунок 11

  15. На высоких частотах (ГГц) полигоны в многослойной печатной плате нужно соединять в нескольких местах сквозными отверстиями по принципу &quotклетка Фарадея&quot (см. рисунок 12).

    Рисунок 12

  16. Не забывайте использовать термобарьеры для пайки для штыревых компонентов и SMD-компонентов, подключенных к полигону залитому медью. Термобарьеры позволяют улучшить технологичность платы для процесса монтажа, в особенности для пайки «волной припоя» (см. рисунок 13).

    Рисунок 13

  17. Полигоны необходимо размещать с обеих сторон печатной платы равномерно. Здесь следует различать сплошную заливку при реализации полигона и в виде сетки. Сплошная заливка может привести к деформации печатной платы при неравномерном их распределении, но позволяет получить меньший импеданс, по сравнению с заливкой в виде сетки. При заливке в виде сетки следует применять шаг не более 13 мм.
  18. При реализации полигонов могут образовываться изолированные медные участки, которые на высоких частотах могут создавать помехи. В связи с этим такие участки должны быть удалены.

После того как трассировка печатной платы выполнена, необходимо проверить корректность трассировки согласно правилам проектирования, заданных в настройках правил проектирования. Для этого необходимо просто запустить модуль проверки правил DRC (design rule checker). Если ошибок не обнаружено, то этап трассировки печатной платы можно считать завершенным. Дополнительно о трассировке печатных плат вы можете прочитать в статье, перейдя по ссылке Основы трассировки печатных плат. Высокоскоростной дизайн. Часть 1.

ТОП-10 советов по конструированию высокочастотных печатных плат

Совсем недавно слово «высокочастотная» не существовало в словаре конструкторов печатных плат. Но сейчас, похоже, всё перевернулось с ног на голову.

Раньше все заботы сводились к тому, чтобы собрать все детали головоломки вместе и продумать путь прохождения сигнала путем разработки топологии печатной платы. В чем же отличия при конструировании высокочастотных печатных плат? Необходимо беспокоиться о множестве невидимых сил, таких как электромагнитные помехи, взаимные помехи, отражение сигнала, и этот список можно продолжить. В этой статье мы предлагаем вам несколько практических советов, которые позволят добиться успеха при проектировании вашей первой высокочастотной печатной платы.

Больше данных – больше электромагнитных помех

В 2005 году скорость 3 Гбит/с считалась типичной для высокоскоростной передачи данных, но сегодня инженеры имеют дело со скоростями передачи в 10 Гбит/с и даже 25 Гбит/с. И делается это не только потому, что мы стремимся достичь все больших тактовых частот, но и потому, что мы стремимся уменьшать размеры устройств, чтобы поспевать за растущими запросами потребителей. Какое бы устройство вы не проектировали сегодня, скорее всего, вы уже включали в него различные узлы, работающие на высоких скоростях, будь то DDR, PCI Express, USB, SATA и т. д.

Сложность и плотность размещения компонентов на плате для применения

в высокоскоростных устройствах может слегка ошеломлять.

Основной задачей при конструировании высокочастотных печатных плат является устранение помех. Чем выше скорость передачи данных, тем сложнее становится сохранить целостность ваших сигналов. Большинство из этих проблем связано с излучением электромагнитных волн. Это излучение относительно безвредно при слабых взаимодействиях с электрической схемой. Однако когда оно начинает создавать помехи работе вашего электронного устройства в целом, то излучение превращается в помехи, открывающие перед вами новый мир задач, которые необходимо решать. Если вы когда-либо слышали или сталкивались с проблемами, связанными с шумом, то вы точно знаете, о чем мы говорим.

Любой ток создает магнитное поле. Так начинается распространение электромагнитного излучения.

Итак, вам может быть интересно, как вообще понять, что вы работаете над высокочастотным проектом, если при этом не обнаруживаются проблемы с электромагнитным излучением? Есть несколько научных теорий, но мы сократим их до 3 самых популярных:

  1. Частота. Первая теория заключается в том, что высокочастотная конструкция является таковой вследствие рабочей частоты печатной платы, и ее способностью влиять на производительность электронной схемы. Некоторые считают, что этот порог начинается с 50 МГц. Другие делят скорости устройств на группы: низкочастотные (<25 МГц), среднечастотные (25-100 МГц), высокочастотные (100-1000 МГц), а выше – сверхвысокочастотные, которыми занимаются конструкторы радиопередающих устройств.

  2. Токопроводящие дорожки. Существует теория, которая говорит о том, что можно использовать физические размеры токопроводящих дорожек для определения высокочастотности устройства. Ее руководящий принцип заключается в том, что если время прохождения сигнала по дорожке больше 1/3 времени переключения сигнала устройства, то вы имеете дело с высокочастотным устройством.

  3. Модульность. Последняя точка зрения использует общий подход, в котором рассматривается конструкция схемы в целом и задается следующий вопрос – работает ли ваша система физически в виде единой системы? Или у вас набор подсхем, из которых собрана одна большая схема, в которой отдельные модули работают независимо? В последнем случае вы имеете дело с царством высокочастотных устройств.

Итак, вы определили, что ваш будущий проект является высокочастотным. Замечательно. Теперь рассмотрим все возможные «фоновые шумы», с которыми вам придется иметь дело. Давайте подробно рассмотрим 10 лучших советов для достижения успеха в конструировании устройств.

№ 1 – Всегда начинайте проектирование вашего высокочастотного устройства с планирования

Мы начнем с наиболее очевидного совета, но на это есть своя причина. Без плана и стратегии создания вашего высокочастотного проекта, вы, скорее всего, столкнетесь с задержками, затруднениями и неожиданными проблемами. Поэтому прежде чем нарисовать хоть один символ или выполнить одно соединение, вам нужно создать своего рода лист контрольных проверок. Вот ряд вопросов, которые прежде всего необходимо задать самому себе:

  • Организация системы – есть ли у меня визуальная диаграмма, которая поможет мне визуализировать взаимные соединения всех моих подсхем и надежное проведение обратного тока?

  • Скорость сигнала – известна ли мне максимальная частота и наибольшая скорость переключения каждого из моих сигналов?

  • Источник питания – отражено ли в документации каждое требуемое напряжение и требуемая мощность для питания всех моих интегральных схем, и нужно ли мне разделить слои питания?

  • Чувствительные сигналы – есть ли у меня план по выполнению требований к дифференциальным сигналам, согласованию полных сопротивлений и длине токопроводящих дорожек или распространению сигналов?

Это не полный перечень вопросов, на которые следует ответить себе на этапе планирования, но он послужат хорошей отправной точкой. Скорее всего, вам придется поработать с изготовителем вашего устройства, чтобы определить его минимальные требования к допускам. И еще вам понадобится согласовать стратегию развития для уменьшения уровня шума ваших высокочастотных сигналов при помощи множества способов трассировки токопроводящих дорожек, в том числе используя микрополосковые линии передачи или полосковые дорожки.

Широко известная настольная книга по конструированию

высокочастотных устройств. Начните разработку вашего плана с ее изучения!

№ 2 – Документируйте каждую деталь каждого слоя вашей платы для дальнейшего производства

Для создания плана, описанного в совете №1, самое время определить и тщательно задокументировать требования к слоям вашей платы. Это идеальный момент для взаимодействия с изготовителем, при котором выбирается материал вашей платы, и определяются ограничения, которые необходимо внести в проектные нормы. Поскольку речь зашла о материалах, скорее всего вы будете работать с одним из нижеперечисленных материалов:

  • FR-4 – это великолепный материал при работе с тактовыми частотами < 5 Гбит/с. Он считается низкоскоростным материалом. FR-4 позволяет достаточно точно задавать полное сопротивление, также он широко известен благодаря низкой стоимости.

  • Nelco, SI или Megtron – в царстве высокочастотных устройств, скорее всего, вы будете работать с этими материалами. Каждый из них пригоден для работы с тактовыми частотами 5-25 Гбит/с.

  • Rogers – если ваше первое высокочастотное устройство работает на частоте свыше 56 Гбит/с, то скорее всего в конце концов вы остановитесь на многослойном материале Rogers. Этот материал способен работать на высоких частотах и при высоких температурах, он известен благодаря своей высокой равномерности полного сопротивления, но также он дорог в производстве.

Rogers немного отличается по внешнему виду от FR4, обратите внимание на толщину!

После того, как необходимый для производства платы материал выбран, пора определиться с другими стратегиями формирования слоев вашей платы.

  • Во-первых, сигнальный слой Signal у вас всегда должен быть по соседству со слоем типа Plane, чтобы дать вашим сигналам эффективный путь обратного тока.

  • Также стоит разместить все высокоскоростные сигнальные цепи на внутренних слоях между слоями типа Plane для обеспечения экранирования от всех внешних источников электромагнитных излучений.

  • И, наконец, в наборе слоев печатной платы следует рассмотреть возможность использования несколько слоев заземления. Это поможет снизить номинальное полное сопротивление и уменьшить синфазное излучение, влияющее на вашу схему.

№ 3 – Компоновка – разбейте вашу плату на логические фрагменты

Наряду с планированием требований к конструкции вашего высокоскоростного устройства и назначения слоев, вам также необходимо решить, как будет организована ваша печатная плата. Помните, выше мы говорили о том, что высокочастотные устройства представляют собой набор подсхем? Вам необходимо решить, как будут располагаться эти подсхемы на общей плате.

Особенно это касается цифровых и аналоговых модулей, которые необходимо тщательно изолировать друг от друга для уменьшения любых возможных помех. При планировании физической компоновки вашей платы, пользуйтесь чем-то вроде схемы, показанной на рисунке ниже. Инженер, разработавший эту плату, явно разделил цифровую и аналоговую схемы, а также изолировал модуль питания как от цифрового, так и от аналогового модуля.

Знаете, где будет располагаться каждая схема?

№ 4 – Определиться с использованием слоев питания и заземления

Теперь, после того, как полностью определено расположение подсхем и конфигурация слоев, пора обратить внимание на мельчайшие подробности, которые необходимо уточнить во время конструирования платы. Во-первых, это слой заземления, который должен быть сплошным. Под этим мы подразумеваем, что слой заземления не должен быть разбит какими-либо сигнальными дорожками. Если вы разбиваете этот слой, сигналам придется искать обходные пути, что может привести к неприятным электромагнитным помехам и проблемам с задержками прохождения сигналов. Если вам все же необходимо разбить слой заземления, не забудьте установить резистор 0 Ом вдоль сигнальной дорожки, чтобы обратному сигналу было проще найти путь прохождения.

Превосходный пример того, как сигналам приходится

проделывать дополнительный путь по разделенному слою.

№ 5 – Размер контактных площадок следует делать как можно меньше

Конструкция любых плат, над которыми вы работали раньше, возможно имели контактные площадки большего размера, чем это необходимо. Это делалось по очевидным причинам. Так проще наносить припой на площадку, быстрее проводить их контроль, точность размещения компонентов платы при этом не так актуальна.

Однако в конструкции высокочастотных печатных плат ценность каждого миллиметра поверхности взлетает до небес – каждый миллиметр, который вам удастся сэкономить, обязательно пригодится. В свете этого мы рекомендуем соблюдать минимальные припуски всех контактных площадок на уровне 0-5% от размеров выводов устанавливаемых деталей. Сравните эту цифру с традиционными припусками в 30% для обычных электронных устройств.

Почему следует экономить место? Это не только поможет нам улучшить механическую прочность, но также позволит уменьшить паразитные емкости, которые играют значительную роль, когда дело касается высоких частот. И, что еще более важно, чем меньше места вы отведете под контактные площадки, тем больше места у вас будет для дифференциальных пар проводников, переходных отверстий, а также деталей с высокой плотностью выводов, таких как ПЛИС и интегральных микросхем.

№ 6 – Выполняйте разводку сигналов, добиваясь максимального экранирования

Высокочастотные сигналы на вашей плате создают массу электромагнитных излучений по мере прохождения от источника к потребителю. Последнее, что бы вы хотели получить – это чтобы два сигнала вызывали взаимные наводки друг на друга или влияли бы на расположенные рядом детали. Во избежание этого выполняйте разводку сигнальных дорожек, добиваясь максимального экранирования, следуя нижеприведенным правилам:

  • Протяженные параллельные сигнальные дорожки должны быть как можно короче во избежание взаимного воздействия сигналов друг на друга или возникновения перекрестных помех.

  • Между сигнальными дорожками должно выдерживаться как можно большее расстояние, и даже их следует размещать на разных слоях, особенно если от них ожидается сильная помеха.

  • При трассировке сигнальных дорожек на различных слоях убедитесь, что они пролегают друг относительно друга под прямым углом. Таким образом, если на одном сигнальном слое дорожки пролегают горизонтально, то на другом они должны пролегать вертикально, под углом в 45 градусов и т. п.

Дорожки на каждом слое размещены в разных направлениях под прямым углом друг к другу во избежание взаимного воздействия сигналов друг на друга.

№ 7 – Обеспечьте эффективный путь обратного тока

В конструкциях высокоскоростных плат каждый из сигналов пытается отыскать путь от источника к потребителю с наименьшим полным сопротивлением. Для тактовых сигналов и других высокоскоростных устройств ввода-вывода задача обеспечения кратчайшего пути прохождения может потребовать использования переходных отверстий. Без них вы можете столкнуться с распространением токов вокруг разрывов заземляющего слоя, что приводит к потере целостности сигнала.

Переходные отверстия могут обеспечить кратчайший путь от источника до потребителя в топологии высокочастотных печатных плат.

Если вы решили использовать переходные отверстия для обеспечения прохождения токов от нагрузки до потребителя, обязательно используйте сильно связанные отверстия с согласованным полным

сопротивлением, чтобы обеспечить своевременное прохождение сигнала. При размещении переходных отверстий для обратных токов располагайте их как можно ближе к переходным отверстиям для сигнала, чтобы минимизировать длину пути прохождения сигнала.

№ 8 – Используйте правило 3W для минимизации связи между дорожками

Связанные линии передачи могут сыграть дурную роль при сохранении целостности сигнала при его передаче. Для минимизации этого риска существует обязательное общее правило как можно дальше разносить дорожки друг от друга, хотя при конструировании реальной платы это правило выполнить трудновато.

Если вы когда-либо задумывались, насколько вообще далеко друг от друга нужно располагать дорожки для минимизации связи между ними, то воспользуйтесь правилом 3W. Оно гласит о том, что расстояние между дорожками, измеренное между продольными осями дорожек, должно быть в три раза больше, чем ширина отдельной дорожки. Вы можете также увеличить расстояние с 3 до 10 раз, чтобы получить куда меньшее влияние сигнала одной дорожки на сигнал другой дорожки и уменьшить перекрестные помехи.

Правило 3W говорит о том, что дорожки необходимо разносить на достаточное расстояние друг от друга для минимизации взаимного воздействия сигналов.

№ 9 – Используйте правило 20H для минимизации связи между слоями

Кроме риска возникновения взаимосвязи сигналов между отдельными дорожками, также следует задуматься о связи между слоями питания и заземления платы. При возникновении такой связи, с краев платы начинает срываться излучение в радиочастотном диапазоне, называемое краевым потоком (fringing).

Чтобы предотвратить это явление, следует делать слой питания меньше по размеру, чем соседний слой заземления. Это позволит поглотить краевой поток слоем заземления вместо излучения его во внешнюю среду. Однако насколько должен быть слой питания меньше? Воспользуйтесь правилом 20H, которое говорит о том, что слой питания должен быть меньше 20-кратной толщины диэлектрика между соседними слоями питания и заземления.

Правило 20H помогает уменьшить связь между слоями питания и заземления.

№ 10 – В заключение – общие правила трассировки печатной платы

В заключение наших ТОП-10 советов упомянем о трассировке платы, которая сама по себе заслуживает отдельной статьи, а возможно и книги, в которой бы рассказывалось о таких вещах, как излучение в радиочастотном диапазоне, микроволнах и о конструировании антенн. Этот список не закрытый, поэтому обязательно обратитесь за помощью к опытному инженеру по трассировке печатных плат, используемых в задачах, подобной вашей. Итак:

  • Не используйте 90-градусные искривления дорожек. Во-первых, избегайте использования искривления дорожек под 90 градусов. Дорожки, согнутые под прямым углом могут вызвать отражения сигнала.

  • Дифференциальные пары. Вы можете получить взаимное подавление электромагнитных полей, если обе сигнальные линии в вашей дифференциальной паре имеют одинаковую длину и постоянное расстояние между ними. Скорее всего, это потребует подгонки длин дорожек в приложении для разработки конструкции печатных плат.

  • Линии передачи. Уделите время тщательному проектированию линий передач с использованием микрополосковых линий и полосковых дорожек. Микрополосковые линии используют лишь один опорный слой, отделенный диэлектриком. При необходимости лучшего экранирования, воспользуйтесь полосковой линией передачи, располагающейся между несколькими заземляющими слоями и слоями диэлектрика.

Новые решения при конструировании высокочастотных устройств

При работе над вашим первым проектом по проектированию высокочастотных печатных плат вы наверняка столкнетесь с новыми, неизвестными ранее, проблемами. Они больше не будут заключаться только в том, чтобы собрать все детали головоломки вместе. Теперь нужно будет думать о том, как именно ведут себя сигналы, проходя по дорожкам, и как они влияют на все детали печатной платы. И, в конце концов, все это сводится к проблемам с электромагнитными помехами. По мере погружения глубже в мир высокоскоростных устройств, вы овладеете новыми стратегиями и знаниями по борьбе с электромагнитными помехами при обеспечении электромагнитной совместимости или EMC. Так что воспользуйтесь этими советами из списка ТОП-10, чтобы начать работу над вашим первым проектом. Однако есть еще многое, что предстоит узнать!

Вы готовы приступить к разработке вашего первого высокочастотного проекта?

Если вам необходима помощь в разработке высокочастотных печатных плат на профессиональном уровне, вы можете связаться с нашими специалистами и они проконсультируют вас по любым интересующим вопросам.

лучших рекомендаций по проектированию печатных плат для разработчиков печатных плат | Блог о проектировании печатных плат

5 лучших рекомендаций по проектированию печатных плат для инженеров

При разработке новой печатной платы легко оставить рекомендации по проектированию печатной платы на потом, поскольку вы тратите большую часть своего времени на разработку схемы и выбор компонентов. Но, в конце концов, отсутствие достаточного количества времени и целенаправленных усилий по основам компоновки печатной платы может привести к дизайну, который плохо переносится из цифровой области в физическую реальность, и в конечном итоге может стать проблемой для вашего производителя.Так что же является ключом к созданию доски, реалистичной на бумаге и в физической форме? Давайте рассмотрим 5 основных рекомендаций по проектированию печатных плат, которые вам необходимо знать, чтобы разработать свою следующую производимую, функциональную и надежную печатную плату.

# 1 – Точная настройка размещения компонентов

Стадия размещения компонентов в процессе проектирования компоновки печатной платы – это одновременно искусство и наука, требующая стратегического рассмотрения в отношении основного места, доступного на вашей плате. Преднамеренное размещение компонентов печатной платы до каждого переходного отверстия радикально влияет на производительность.Хотя этот процесс может быть сложным, от того, как вы разместите свои электронные компоненты, будет зависеть, насколько легко будет изготовить вашу плату, а также насколько хорошо она будет соответствовать вашим первоначальным требованиям к конструкции печатной платы.

При размещении компонентов необходимо учитывать множество правил компоновки печатной платы. В то время как общие рекомендации по компоновке платы говорят вам размещать компоненты в порядке разъемов, силовых цепей, прецизионных цепей, критических цепей и т. Д., Есть также несколько конкретных рекомендаций по компоновке платы, о которых следует помнить.

  • Ориентация. Обязательно сориентируйте аналогичные компоненты в одном направлении, так как это поможет с эффективной разводкой при проектировании печатной платы. Это также помогает обеспечить эффективный и безошибочный процесс пайки во время сборки.

  • Размещение. Избегайте размещения компонентов на стороне пайки платы, которые могут лежать за компонентами со сквозными отверстиями.

  • Организация. Рекомендуется размещать все компоненты устройств поверхностного монтажа (SMD) на одной стороне платы в соответствии с правилами проектирования печатных плат SMD.Все компоненты со сквозными отверстиями (TH) следует размещать на верхней стороне платы, чтобы минимизировать количество этапов сборки.

Следует помнить об одном окончательном руководстве по проектированию компоновки печатной платы – при использовании компонентов смешанной технологии (компоненты для сквозного монтажа и поверхностного монтажа) производителям может потребоваться дополнительный процесс сборки вашей платы, что увеличит ваши общие расходы на печатную плату. .

Хорошо Ориентация компонентов микросхемы (слева) и Плохая Ориентация компонентов микросхемы (справа)

Хорошо Размещение компонентов (слева) и Плохое Размещение компонентов (справа)

# 2 – Размещение силовых, заземляющих и сигнальных проводов

После размещения компонентов настало время проложить трассы питания, заземления и сигналов, чтобы обеспечить для ваших сигналов чистый и беспроблемный путь движения.Вот несколько рекомендаций, которые следует иметь в виду на этом этапе процесса создания макета:

Ориентация силовых и наземных самолетов

Всегда рекомендуется располагать пластины питания и заземления внутри печатной платы, при этом они должны быть симметричными и центрированными. Это поможет предотвратить изгиб вашей платы, что также повлияет на правильность расположения ваших компонентов. Обратите внимание, что это невозможно на двухслойной плате, так как у вас не будет места для компонентов.Для питания ИС рекомендуется использовать общие направляющие для каждого источника питания, обеспечить наличие прочных и широких проводов, а также избегать последовательного подключения линий питания от детали к детали.

Рекомендации по прокладке разводки печатных плат

Затем подключите дорожки сигнала в соответствии с рекомендациями схемы. Лучшие практики компоновки печатной платы рекомендуют всегда размещать трассы как можно короче и непосредственно между компонентами. Если размещение вашего компонента требует горизонтальной трассировки трассы на одной стороне платы, всегда трассируйте трассы вертикально на противоположной стороне.Это одно из многих важных правил проектирования двухслойной печатной платы.

Правила проектирования печатных плат и рекомендации по компоновке печатных плат усложняются по мере увеличения количества слоев в стеке. Ваша стратегия трассировки потребует чередования горизонтальных и вертикальных трасс в чередующихся слоях, если вы не разделите каждый сигнальный слой базовой плоскостью. В очень сложных платах для специализированных приложений многие из часто рекламируемых передовых практик печатных плат могут больше не применяться, и вам нужно будет следовать руководящим принципам проектирования печатных плат, которые относятся к вашему приложению.

Определение чистой ширины

Конструкция вашей печатной платы, вероятно, потребует других сетей, которые будут пропускать широкий диапазон токов, что будет определять требуемую ширину сети. Принимая во внимание это основное требование, рекомендуется обеспечить ширину 0,010 дюйма для слаботочных аналоговых и цифровых сигналов. Следы на печатной плате с током более 0,3 А должны быть шире. Вот бесплатный калькулятор ширины следа, который упрощает этот процесс. Вы также можете использовать этот расчет (основанный на IPC-2152) для определения ширины дорожки вашей печатной платы.

Предпочтительная разводка (стрелки указывают на миграцию припоя)

Нежелательная разводка (стрелки указывают на миграцию припоя)

# 3 – Хранить вещи отдельно

Вероятно, вы уже знаете, как большое напряжение в силовых цепях и всплески тока могут мешать работе ваших цепей управления низким напряжением и током. Чтобы свести к минимуму эту проблему помех, руководство по проектированию печатных плат для силовой электроники обычно рекомендует следующее:

  • Разделение. Обязательно держите заземление питания и заземление управления отдельно для каждого каскада источника питания. Если вам все же нужно связать их вместе на печатных платах, убедитесь, что это ближе к концу пути поставки.

  • Размещение. Если вы разместили заземляющий слой на среднем слое, обязательно разместите путь с малым сопротивлением, чтобы снизить риск любых помех силовой цепи и защитить ваши управляющие сигналы. Этим же рекомендациям можно следовать, чтобы разделить цифровое и аналоговое заземление.

  • Муфта. Для уменьшения емкостной связи из-за размещения большой заземляющей пластины и линий, проложенных над и под ней, постарайтесь, чтобы аналоговая земля пересекалась только аналоговыми линиями.

Пример цифровых и аналоговых секций на печатной плате

# 4 – Решение проблем с отоплением

Когда-нибудь снижалась производительность вашей схемы или даже ваша плата была повреждена из-за проблем с нагревом? Эта проблема беспокоит многих дизайнеров, если не учитывать тепловыделение.Вот несколько рекомендаций, которые следует учитывать при решении проблем с отоплением:

Выявление проблемных компонентов

Первый шаг – подумать, какие компоненты будут рассеивать больше тепла на вашей плате. Этого можно достичь, сначала найдя номинальные значения «термического сопротивления» в техническом описании вашего компонента, а затем следуя рекомендуемым рекомендациям по отводу выделяемого тепла. Конечно, можно добавить радиаторы и охлаждающие вентиляторы, чтобы снизить температуру компонентов, а также не забыть держать критически важные компоненты подальше от любых источников тепла.

Если у вас более одного компонента, выделяющего большое количество тепла, может быть лучше распределить эти компоненты по всей плате, а не кластеризовать их в одном месте. Это предотвращает образование горячих точек на плате. Возможно, вам придется тщательно сбалансировать размещение этих компонентов, чтобы длина трассы была короткой, когда вы разрабатываете стратегию маршрутизации, что может быть сложной задачей.

Добавление термических разгрузок

Добавление термостатов может быть невероятно полезным для изготовления готовой платы, и они имеют решающее значение для пайки волной припоя на сборках и многослойных платах с высоким содержанием меди.Поскольку поддерживать температуру процесса может быть сложно, всегда рекомендуется использовать терморазгрузочные устройства на компонентах со сквозными отверстиями, чтобы максимально упростить процесс пайки за счет снижения скорости отвода тепла через пластины компонентов.

Некоторые дизайнеры посоветуют вам использовать терморазгрузочный шаблон для любого переходного отверстия или отверстия, подключенного к заземлению или силовой плате. Это не всегда лучший совет. Обратите внимание, что переходник питания / заземления может появиться рядом с ИС с высокой скоростью переключения, которая выделяет много тепла.Отвод тепла от ИС помогает регулировать температуру ИС.

Заземляющий слой может действовать как большой радиатор, который затем равномерно передает тепло по всей плате. Следовательно, если конкретное переходное отверстие подключено к заземляющей пластине, отсутствие термозащитных прокладок на этом переходном отверстии позволит теплу проходить к заземляющей пластине. Это предпочтительнее, чем удерживать тепло у поверхности. Однако это может создать проблему, если ваша плата собрана с использованием пайки волной припоя, поскольку вам необходимо удерживать тепло вблизи поверхности.

Помимо термозащиты, вы также можете добавить капельки на стыках контактных площадок, чтобы обеспечить дополнительную поддержку из медной фольги / металла. Это поможет снизить механическое напряжение и термическое напряжение.

Типовой терморельеф

# 5 – Проверка компоновки на соответствие правилам проектирования печатной платы

Ближе к концу дизайнерского проекта легко потеряться, когда вы изо всех сил стараетесь собрать оставшиеся детали для производства.Двойная или тройная проверка вашей работы на наличие ошибок на этом этапе может означать разницу между производственным успехом или неудачей.

Чтобы облегчить этот процесс контроля качества, всегда рекомендуется начинать с проверки электрических правил (ERC) и проверки правил проектирования (DRC), чтобы убедиться, что вы соблюдаете все установленные вами ограничения. С помощью этих двух систем вы можете легко определить ширину зазора, ширину дорожек, общие производственные требования, требования к высокоскоростной электричеству и другие физические требования для вашего конкретного приложения.Это автоматизирует рекомендации по проверке топологии печатной платы для проверки вашей компоновки.

Обратите внимание, что во многих процессах проектирования указано, что вы должны запускать проверки правил проектирования в конце фазы проектирования при подготовке к производству. Если вы используете правильное программное обеспечение для проектирования, вы можете запускать проверки на протяжении всего процесса проектирования, что позволяет выявлять потенциальные проблемы проектирования на раннем этапе и быстро их устранять.

Когда ваши окончательные ERC и DRC дадут безошибочные результаты, рекомендуется проверить маршрутизацию каждого сигнала и убедиться, что вы ничего не пропустили, пропуская схему по одному проводу за раз.И, конечно же, убедитесь, что компоновка вашей печатной платы соответствует вашей схеме, с помощью функции зондирования и маскирования вашего инструмента проектирования.

Дважды проверьте свой дизайн, печатную плату и ограничения

Округляем

Вот и все – наши 5 основных рекомендаций по проектированию печатных плат, которые должен знать каждый разработчик печатных плат. Следуя этому небольшому списку рекомендаций, вы быстро продвинетесь к созданию функциональной и производимой платы, причем по-настоящему качественной печатной платы.

Хорошие методы проектирования печатных плат имеют решающее значение для успеха. Эти рекомендации по проектированию печатных плат только поверхностные, но они формируют основу для построения и укрепления практики постоянного улучшения всех ваших методов проектирования.

Хотите еще несколько лучших практик по созданию платы, которая будет произведена правильно с первого раза? Ознакомьтесь с нашим веб-семинаром «Проектирование для производства» – Максимальное увеличение выпуска печатных плат или начните пробовать эти рекомендации по проектированию печатных плат прямо сейчас с помощью нашего флагманского программного обеспечения.

Ознакомьтесь с Altium Designer ® в действии …

Опыт современного интерфейса

«Раньше я не имел большого опыта в 3D-дизайне печатных плат. Как относительно новый пользователь ALTIUM, я должен сказать, что проектирование гибких и жестких печатных плат в 3D с помощью Altium намного проще, чем я думал. Обмен файлами макетов 3D-печатной платы с моими механическими когортами для просмотра никогда не был таким простым! »

Келли Дак, CID + CIT
PCB Designer / IPC Instructor

Зарегистрируйтесь и попробуйте Altium Designer сегодня.

Краткое введение в правила проектирования компоновки печатных плат

Кто бы ни сказал, что «правила в основном созданы для того, чтобы их нарушать», очевидно, не был дизайнером печатных плат. Это сказал генерал Дуглас Макартур, что доказывает, что я не дизайнер. При производстве печатных плат необходимо обеспечить минимальные зазоры для объектов, но электрические характеристики платы требуют определенной ширины дорожек и зазоров для объектов. И хотя время от времени из правил могут быть исключения, по большей части вы должны соблюдать правила и ограничения проектирования печатных плат.

Чтобы помочь дизайнерам создавать функциональные и производимые печатные платы, создатели программного обеспечения для проектирования печатных плат будут включать в свои инструменты различные правила проектирования и ограничения. Внешний вид и использование этих ограничений будет немного отличаться от инструмента к инструменту, но их цель всегда одна и та же, чтобы помочь вам разработать лучшую печатную плату. Вот несколько идей о том, как настроить эти правила и работать с ними. Во-первых, давайте кратко заглянем в книги по истории, чтобы узнать больше о происхождении правил компоновки печатных плат и ограничений в инструментах САПР, которые вы используете сегодня.

Возрастающая роль правил проектирования компоновки печатных плат

Печатная плата не может работать или быть собрана, если не соблюдаются основные электрические правила и правила изготовления. Инструменты проектирования печатных плат, которые мы используем сегодня, помогут нам следовать этим правилам, но так было не всегда. Основная цель состояла в том, чтобы предотвратить соприкосновение отдельных объектов сети друг с другом и создание короткого замыкания на доске, но в остальном правила были очень минимальными:

  • Обычно нужно было установить только одно правило ширины дорожки и зазора по умолчанию.
  • Разработчики
  • отвечали за ручное изменение ширины своих дорожек для цепей питания и заземления, маршрутизации с контролируемым импедансом или любых других требований к цепям.
  • Дизайнеры должны были визуально подтверждать любые зазоры, которые отличались от значения по умолчанию. (Были времена, когда я подносил линейку к экрану, чтобы сравнить зазоры.)
  • Дизайнеры либо сбрасывали значение, либо манипулировали сеткой, либо рисовали промежутки вокруг детали на графическом слое для визуальной ссылки на компоненты, для которых требуются большие зазоры, чем значение по умолчанию.В некоторых случаях мы даже изменили размер контактных площадок на деталях, с которыми мы работали, а затем изменили их D-коды Гербера, чтобы снова уменьшить их для производства.
  • Некоторые ранние системы CAD с проприетарным оборудованием предупреждали дизайнеров об онлайн-ошибке звуковым сигналом. Этот звуковой сигнал мог настолько раздражать, что дизайнеры, как известно, перерезали провода динамиков, чтобы все вокруг не услышали их ошибки.

К счастью, правила проектирования печатных плат со временем улучшились, и работа с ними стала более удобной.Усовершенствованные ограничения позволяют разработчикам лучше контролировать несколько значений ширины дорожек и интервалов, а также несколько зазоров для размещения различных компонентов. Дополнительные правила были добавлены для не-сетевых объектов, таких как текст и элементы шелкографии, инструменты и монтажные отверстия, а также другие функции на плате.

Еще одним значительным улучшением стала возможность проверять высоту компонента по отношению к другим функциям платы. Изначально это была простая проверка контура детали, известная как проверка 2 ½ D.Благодаря моделям STEP и трехмерным возможностям систем САПР проектировщик может увидеть, как контуры сложной детали, например, соединителя, сочетаются с другими объектами платы. Эти достижения дали дизайнеру возможность обнаруживать ошибки размещения во время макета платы, не дожидаясь прототипа.

Теперь, когда мы увидели развитие этих правил проектирования с течением времени, мы рассмотрим, как вы можете использовать их в полной мере.

Заставить правила и ограничения компоновки печатной платы работать на вас

Хотя правила проектирования и ограничения традиционно относились к компоновке печатной платы, с годами она постепенно меняется.Теперь во многих инструментах САПР в системах схематического ввода установлены служебные программы для ввода правил. Утилиты позволяют инженерам-проектировщикам определять ширину трасс и интервалы для чувствительных сигналов и назначать классы цепей для критических групп цепей. Все это помогает повысить надежность и эффективность проектной группы при разработке печатной платы.

Метод ввода правил проектирования и ограничений также значительно расширился с годами. То, что раньше требовало от группы верстки большой работы по индивидуальному вводу значений через раскрывающиеся меню и командные строки, теперь обрабатывается с помощью системы управления типами электронных таблиц.На рисунке ниже вы можете увидеть пример менеджера ограничений, используемого в инструментах Cadence OrCAD PCB Designer. Отдельные значения могут быть введены или скопированы в каждую ячейку электронной таблицы, и существует несколько механизмов для дальнейшего манипулирования данными после их размещения. Дизайнер может даже сохранить копию правил и позже импортировать их в другой менеджер ограничений проекта.

Правила проектирования не только устанавливают ширину дорожек и интервалы, как мы описали, но они также позволяют проектировщику устанавливать более точные технические средства управления.К ним относятся значения импеданса, минимальные и максимальные задержки распространения, дифференциальные пары и множество других настроек. Разработчик также может использовать ограничения для настройки длины трассы, согласованной длины, топологии маршрутизации, предпочтительных переходных отверстий, одинакового межсетевого расстояния и многого другого. Ключ состоит в том, чтобы полностью использовать эти правила и ограничения, чтобы получить от них максимальную выгоду:

  • Убедитесь, что все правила, введенные в схему, правильно переносятся в компоновку.
  • Добавьте правила, которые изначально не были включены в схему, что часто случается со значениями цепей питания и заземления или классами компонентов.
  • Добавьте правила механического и производственного зазоров.
  • Добавьте правила для зазоров между контрольными точками, чтобы регулировать расстояние между ними, краем платы и другими компонентами.

В эти системы можно ввести множество правил, но чем больше вы включаете, тем меньше вы должны помнить, чтобы проверить их позже. Хитрость заключается в том, чтобы знать, какие правила необходимо ввести, и у нас есть несколько идей, которые могут вам в этом помочь.

Пример управления правилами проектирования печатных плат с помощью диспетчера ограничений в OrCAD

Изучите правила для вашей печатной платы перед тем, как начать разводку

Первое, с чего следует начать при подготовке правил, которые необходимо ввести в проект печатной платы, – это ваша собственная компания.У проектных групп обычно есть стандарты компании, над которыми они работают, и которые должны быть частью ваших рутинных процедур. Еще один полезный ресурс – это отраслевые стандарты, такие как рекомендации IPC по компоновке печатных плат. Лучшим ресурсом является контрактный производитель печатной платы, который будет строить вашу печатную плату. Они предоставят вам необходимую информацию о том, как нужно будет настроить стек слоев платы и какие правила проектирования потребуются для оптимального изготовления и сборки.

В VSE мы помогаем нашим клиентам в разработке правил проектирования печатных плат более 30 лет.Наша команда инженеров не только знает, какую ширину дорожек и интервалы следует использовать для того типа платы, которую вы собираете, но также может помочь вам с другими вопросами и проблемами, связанными с дизайном. Мы можем помочь вам настроить вашу конструкцию так, чтобы она производилась с максимальной эффективностью и с максимальной производительностью.

Если вы ищете CM, который понимает, как конфигурировать конструкцию печатной платы, чтобы гарантировать, что каждая сборка печатной платы построена в соответствии с высочайшими стандартами, не ищите ничего, кроме VSE.Свяжитесь с нами сегодня, чтобы узнать больше о партнерстве с нами для вашего следующего проекта.
Автор: ВСЕ | Инженерная группа

У вас есть потребность. Мы можем предложить решение. Основываясь на 30-летнем опыте, общеорганизационном программном обеспечении и приверженности руководства – у нас есть ответы на ваши проблемы с печатными платами.

Руководство по компоновке печатной платы – Советы и подсказки »Электроника

– обзор или учебное пособие об основах руководящих принципов проектирования печатных плат и о том, на что следует обратить внимание при проектировании печатных плат и компоновке печатных плат.


Конструкция печатной платы Включает:
Основы конструирования печатной платы Схема захвата и рисования Компоновка / разводка печатной платы Рекомендации по проектированию печатных плат Целостность сигнала печатной платы


Печатная плата, конструкция печатной платы, является одним из наиболее важных элементов дизайна в конструкции электронного продукта. В большинстве случаев инженер-проектировщик электронного оборудования разрабатывает схему, а затем специалист по компоновке печатной платы выполняет компоновку печатной платы и проектирует ее по схеме, предоставленной с использованием системы CAD для печатных плат.

Компоновка и дизайн печатной платы – это специальные навыки, требующие знания не только программного обеспечения для проектирования печатных плат и системы автоматизированного проектирования печатных плат, но и различных стандартов и методов, используемых для обеспечения успешного переноса основной схемы схемы на общую печатную плату. которые могут быть изготовлены в среде производства электронных схем.

Для того, чтобы печатная плата могла быть спроектирована удовлетворительно, часто помогает наличие некоторых руководящих принципов, которым можно следовать, хотя ничто не может заменить опыт.

Дизайн печатной платы с указанием компонентов и дорожек

Рекомендации по проектированию печатной платы

Есть много идей и рекомендаций, которые можно составить для дизайна и компоновки печатной платы. Список ниже охватывает некоторые из них. Очевидно, что их больше, и приведенный ниже список рекомендаций по проектированию печатных плат не следует рассматривать как полный список.

Для упрощения выполнения рекомендаций по проектированию печатных плат, они разделены на разделы:

  • Рекомендации по проектированию ограничений платы – те, которые охватывают начальные ограничения платы
  • Общие принципы разработки макета
  • Рекомендации, связанные с плоскостями или слоями
  • Руководство по проектированию гусениц
  • Проблемы с перегревом
  • Целостность сигнала и особенности радиочастот

Это некоторые из основных областей, которые необходимо учитывать при проектировании печатной платы.Для некоторых проектов одни из руководящих принципов проектирования печатных плат будут более важными, чем другие, и часто необходимо принимать решения, чтобы сбалансировать одно требование с другим.

Ограничение платы Рекомендации по проектированию печатной платы

Эти рекомендации по проектированию печатной платы связаны с ограничениями платы в целом: – размером, формой и некоторыми факторами, которые влияют на общую конструкцию или концепцию печатной платы. Это должны быть одни из первых факторов, которые необходимо решить.

  • Выберите контрольные точки, которые подходят для производственного процесса. Обычно на плате должны быть контрольные отверстия или точки. Они используются для подъемно-транспортных машин и испытательных приспособлений. Их следует выбирать в соответствии с производственным процессом печатной платы. Часто это могут быть отверстия для приспособлений, но они также могут быть перекрещенными метками для оптических датчиков. Они должны быть свободны от компонентов и не должны быть закрыты.
  • Обеспечьте достаточную площадь платы для схемы Часто размеры платы будут определяться общим размером продукта, но до начала проектирования печатной платы следует сделать оценки относительно размера платы и того, может ли она вместить компоненты и их дорожки.
  • Определите количество необходимых слоев Целесообразно определить количество слоев дорожек, которые необходимы на печатной плате в начале проектирования. Дополнительные слои увеличивают производственные затраты, но могут означать, что гусеницы могут быть размещены. Сложные конструкции могут иметь много дорожек, и их невозможно развести, если не будет достаточно слоев.
  • Рассмотрим способ монтажа платы В начале конструкции необходимо продумать, как будет монтироваться печатная плата.Различные методы монтажа могут потребовать, чтобы разные области платы оставались свободными, или они могут занимать разные области на плате.

Общий вид Рекомендации по проектированию печатной платы

Эти рекомендации по проектированию печатных плат должны быть рассмотрены до начала основного проектирования схемы. Фактически они должны быть одними из первых элементов размещения компонентов.

  • Нарисуйте и нарисуйте общий план того, где будут расположены различные области схемы Одна из первых частей компоновки схемы состоит в том, чтобы нарисовать приблизительный план того, где будут расположены основные компоненты и области компонентов.Таким образом можно оценить критические пробеги пути и выбрать наиболее удобную конструкцию
  • .

Рекомендации по проектированию печатных плат, связанные с используемыми плоскостями или слоями

Обычно для заземления или силовых шин используют сплошной слой или плоскость. На раннем этапе проектирования печатной платы следует учитывать наиболее эффективные способы их использования.

  • Подумайте, будут ли полные плоскости использоваться для питания, заземления и т. Д. Обычной практикой является использование целой плоскости для заземления и некоторых основных силовых шин.Это дает преимущества с точки зрения шума и токовой нагрузки.
  • Избегайте частичных плоскостей Разумно не оставлять больших промежутков в заземляющих плоскостях или плоскостях питания или иметь частичные плоскости в определенной области платы. Они могут создавать напряжения в плате, которые могут привести к деформации во время изготовления голой платы или позже, когда плата нагревается в процессе пайки. Деформация после добавления компонентов для поверхностного монтажа может привести к поломке компонентов и, следовательно, к высокому уровню функциональных сбоев.

Руководство по проектированию путей

Рассмотрение аспектов самих дорожек на печатной плате должно быть уделено на ранней стадии, так как могут потребоваться компромиссы.

  • Определите используемую стандартную ширину колеи Необходимо сбалансировать стандартный размер колеи, который будет использоваться в проекте. Если следы слишком узкие и слишком близкие, повышается вероятность их укорочения.Кроме того, если они слишком широкие и слишком далеко друг от друга, это может ограничить количество дорожек в заданной области, и это может привести к использованию дополнительных плоскостей в платах для обеспечения возможности трассировки конструкции печатной платы.
  • Учитывайте размер дорожки для линий, по которым проходит ток Тонкие дорожки, используемые в сегодняшних печатных платах, могут пропускать только ограниченный ток. Следует учитывать размер рельсов для шин питания, а не сигналов низкого уровня.В таблице ниже указаны значения ширины дорожек или повышение температуры на 10 ° C для медных плат разной толщины.

Рекомендуемый максимальный ток для дорожек печатной платы
Ток
(А)
Ширина доски 1 унция
(тыс.)
Ширина доски 2 унции
(тыс.)
1 10 5
2 20 15
3 50 25
  • Закрепите контактную площадку печатной платы и размер отверстия В начале проектирования печатной платы необходимо определить размеры контактной площадки и отверстия.Обычно используется соотношение примерно 1,8: 1 (подушечка: отверстие), хотя иногда в качестве меры используется подушечка на 0..5 мм больше, чем отверстие. Это учитывает допуски на сверление отверстий и т. Д. Производитель печатной платы без покрытия сможет посоветовать стандарты, которые требуются для их процесса. Соотношение становится более важным по мере уменьшения размера контактных площадок и отверстий, и это особенно важно для сквозных отверстий.
  • Определение форм контактных площадок печатной платы Библиотеки компонентов, связанные с системами CAD для печатных плат, будут иметь библиотеки для схем и посадочных мест печатных плат для различных компонентов.Однако они могут отличаться в зависимости от производственного процесса. Обычно для пайки волной припоя они должны быть большего размера, чем для пайки оплавлением инфракрасным светом. Таким образом, необходимо определить производственный процесс до начала проектирования, чтобы можно было выбрать оптимальные размеры контактных площадок и использовать их в системе автоматизированного проектирования печатных плат и, следовательно, на самой печатной плате.

Проблемы с перегревом

Хотя для многих печатных плат меньшего размера тепловые проблемы не представляют проблемы, при более высоких скоростях обработки и более высокой плотности компонентов для современных печатных плат тепловые проблемы часто могут стать серьезным препятствием.

  • Оставьте достаточно места для охлаждения вокруг горячих компонентов Для компонентов, которые рассеивают большое количество тепла, может потребоваться дополнительное пространство вокруг них. Оставьте достаточно места для радиаторов, которые могут потребоваться.

Целостность сигнала и рекомендации по РЧ

При проектировании печатной платы возникает множество проблем, связанных с целостностью сигнала, радиочастотными помехами и электромагнитной совместимостью. Многие способы избежать проблем связаны с маршрутизацией путей.

  • Избегайте параллельного движения дорожек Дорожки, идущие параллельно на любой длине, будут иметь более высокий уровень перекрестных помех, когда сигналы одной дорожки будут появляться на другой. Перекрестные помехи могут привести к множеству проблем в схеме, и их может быть очень трудно устранить после того, как печатная плата будет спроектирована и изготовлена.
  • Когда треки должны пересекаться, сделайте их пересекающимися под прямым углом Чтобы уменьшить уровень создаваемых перекрестных помех, когда две сигнальные линии должны пересекаться, они должны пересекаться под прямым углом, чтобы уменьшить уровень емкости и взаимной индуктивности между ними линий.

Существует множество руководств по проектированию печатных плат, которые можно задокументировать. Приведенные здесь рекомендации по проектированию печатных плат – это лишь некоторые из многих, которые можно было бы придумать, но они могут лечь в основу набора руководящих принципов, которые можно использовать в общем дизайне печатных плат.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы».. .

Рекомендации по компоновке и дизайну печатной платы

Перейти к: Основные этапы проектирования печатной платы | Проектная документация | Рекомендации по компоновке и дизайну печатной платы | Важность тестирования | Решение проблем компоновки печатной платы с помощью САПР | Выбор поставщика печатной платы

Разработка макета печатной платы имеет решающее значение для создания надежной и экономичной платы. Хотя разработка схемы и выбор компонентов также важны, вы всегда должны выделять достаточно времени для разводки печатной платы.На определение оптимальной компоновки печатной платы нужно многое, особенно с учетом того, что современные платы становятся все более сложными, компактными и легкими. Растущая популярность гибких печатных плат также усложняет этот процесс.

Если вы не учитываете важные соображения по компоновке печатной платы, вы можете получить проект, который не будет хорошо соответствовать реальному миру. Неадекватная компоновка может привести к таким проблемам, как электромагнитные помехи, конфликты компонентов по обе стороны от платы, ограниченная функциональность платы и даже полный отказ платы.Кроме того, если вы не получите верный макет с первого раза, вам придется переделать его, что может привести к задержкам производства и дополнительным расходам.

Итак, какие правила и соображения при проектировании компоновки печатной платы нужно учитывать? Давайте посмотрим на этапы проектирования компоновки печатной платы и определим некоторые из основных соображений для каждого этапа. Конечно, есть и другие соображения, которые вы, возможно, захотите иметь в виду, но это некоторые из наиболее важных аспектов проектирования компоновки печатной платы, о которых вам следует знать.

Основные этапы проектирования печатной платы Дизайн печатной платы

играет важную роль на каждом этапе процесса производства печатной платы с момента, когда вы знаете, что вам нужна печатная плата, до конечного производства. Базовый процесс проектирования включает шесть шагов.

1. Концепция

После определения потребности в печатной плате следующим шагом является определение окончательной концепции платы. Этот начальный этап включает определение функций, которые печатная плата будет иметь и выполнять, ее характеристик, ее взаимосвязи с другими схемами, ее размещения в конечном продукте и ее приблизительных размеров.Кроме того, примите во внимание примерный диапазон температур, в котором будет работать плата, и любые другие факторы окружающей среды.

2. Схема

Следующим этапом является построение принципиальной схемы на основе окончательной концепции. Эта диаграмма включает всю информацию, необходимую для правильного функционирования электрических компонентов платы, а также такие детали, как названия компонентов, стоимость, номинальные характеристики и номера деталей производителя.

При создании схемы вы будете создавать спецификацию материалов.Эта спецификация содержит информацию обо всех компонентах, необходимых для вашей печатной платы. Всегда обновляйте эти два документа.

3. Блок-схема уровня платы

Затем вы завершите блок-схему на уровне платы, чертеж, описывающий окончательные размеры печатной платы. Отметьте области, предназначенные для каждого блока, части компонентов, которые связаны по электрическим причинам или из-за ограничений. Хранение связанных компонентов вместе позволит вам сократить время трассировки.

4. Размещение компонентов

Следующим шагом является размещение компонентов, которое определяет, где вы разместите каждый элемент на плате. Часто вы можете пройти несколько раундов доработки размещения компонентов.

5. Маршрутизация первого прохода

Затем определите маршрутизацию и приоритет маршрутизации для канала.

6. Тестирование

После завершения проектирования вам следует провести серию тестов, чтобы убедиться, что он соответствует всем вашим потребностям.Если да, то дизайн завершен. В противном случае вы вернетесь к этапам, на которых вам необходимо внести коррективы.

Конструкторская документация

По мере того, как вы создаете свою печатную плату, вы разрабатываете множество документов. Эти документы включают:

  • Габаритные чертежи оборудования: Описывает размер пустой платы
  • Схема: Отображает электрические характеристики платы
  • Спецификация материалов: Описывает компоненты, необходимые для проекта
  • Файл схемы: Описывает базовую компоновку печатной платы
  • Файл размещения компонентов: Описывает расположение отдельных компонентов.
  • Сборочные чертежи и инструкции: Объясняет, как собрать плату
  • Руководства пользователя: Хотя они и не требуются, они полезны для предоставления пользователю дополнительной информации.
  • Набор файлов Gerber: Набор выходных файлов макета, который производитель печатной платы будет использовать для создания печатной платы

Рекомендации по компоновке и дизайну печатной платы

При компоновке и дизайне печатной платы есть что учесть.Некоторые соображения применимы ко всему процессу, а некоторые относятся к конкретным шагам. Вот семь важных факторов, о которых следует помнить.

1. Ограничения платы

Первые ограничения, на которые следует обратить внимание, связаны с голой платой. Некоторые из этих основных ограничений включают размер и форму доски.

Вам необходимо убедиться, что у вас достаточно места на плате для схемы.Размер конечного продукта, функциональность, которую должна обеспечивать плата, и другие факторы определяют, насколько большой должна быть плата. Электронные продукты и печатные платы, которые они включают, становятся все меньше и меньше. Прежде чем приступить к проектированию, прикиньте размер доски. Если у вас недостаточно места для всех функций, требуемых при более простой конструкции, вам может потребоваться использовать многослойную конструкцию или конструкцию межсоединений высокой плотности (HDI).

Стандартная печатная плата имеет прямоугольную форму.Это остается, в подавляющем большинстве, наиболее распространенной формой для печатных плат. Однако возможно создание досок и других форм. Разработчики печатных плат чаще всего делают это из-за ограничений по размеру или использования в изделиях неправильной формы.

Еще одно важное соображение – это количество необходимых слоев, которые помогут решить, какие уровни мощности и сложность конструкции. Лучше всего выяснить, сколько вам нужно, на раннем этапе разработки макета. Добавление большего количества слоев может увеличить производственные затраты, но позволит вам включить больше треков.Это может быть необходимо для более сложных плат с расширенными функциями.

Используйте как минимум два переходных отверстия для перехода между слоями для всех сильноточных путей. Использование нескольких переходных отверстий на переходах слоев увеличивает надежность, улучшает теплопроводность и снижает индуктивные и резистивные потери.

2. Производственные процессы

Вам также следует продумать производственные процессы, которые вы хотите использовать для производства платы. У разных методов разные ограничения и ограничения.Вам нужно будет использовать контрольные отверстия или точки, которые соответствуют производственному процессу на плате. Всегда следите за тем, чтобы в отверстиях не было компонентов.

Также помните о способе монтажа платы. Различные подходы могут потребовать, чтобы вы оставили открытыми разные области доски. Использование нескольких типов технологий, таких как компоненты для монтажа в сквозные отверстия и на поверхность, может увеличить стоимость ваших плат, но в некоторых случаях может потребоваться.

Всегда уточняйте у производителя, есть ли у него возможности для производства нужного вам типа картона.Некоторые могут, например, не иметь возможности производить многослойные доски или платы с гибкой конструкцией.

3. Материалы и компоненты

На этапе компоновки подумайте о материалах и компонентах, которые вы планируете использовать для своей платы. Сначала вам нужно убедиться, что нужные элементы доступны. Некоторые материалы и детали трудно найти, в то время как другие настолько дороги, что непомерно дорого обходятся. Различные компоненты и материалы также могут иметь различный дизайн.

Найдите время, чтобы убедиться, что вы выбрали оптимальные материалы и компоненты для своей доски, а также что вы разработали доску, которая учитывает сильные стороны этих элементов.

4. Порядок размещения компонентов

Одно из самых фундаментальных указаний по проектированию печатной платы касается порядка, в котором вы размещаете компоненты на плате. Рекомендуемый порядок: соединители, затем силовые цепи, затем прецизионные цепи, затем критические цепи, а затем остальные элементы.Уровни мощности, восприимчивость к шуму, возможность генерации и маршрутизации также влияют на приоритет маршрутизации для цепи.

5. Ориентация

При размещении компонентов старайтесь ориентировать похожие друг на друга в одном направлении. Это сделает процесс пайки более эффективным и поможет избежать ошибок при его выполнении.

6. Размещение

Старайтесь не размещать детали на стороне пайки печатной платы, которые будут находиться за деталями с металлическими сквозными отверстиями.

7. Организация

Логическая организация компонентов может сократить количество необходимых этапов сборки, повысить эффективность и снизить затраты. Стремитесь разместить все компоненты для поверхностного монтажа на одной стороне платы, а все компоненты со сквозными отверстиями – на верхней стороне.

Рекомендации по питанию, заземлению и трассировке сигналов

Приведенные выше советы касались размещения компонентов на печатной плате. Чтобы эти компоненты работали должным образом, вам также необходимо развести следы питания, заземления и сигналов.Эффективное выполнение этого шага поможет обеспечить надежный путь для ваших сигналов, чтобы ваша доска работала должным образом. Вот пять факторов, о которых следует помнить.

1. Силовые и наземные самолеты

Одно из фундаментальных правил проектирования компоновки печатной платы – держать плоскости питания и заземления внутри платы. Они также должны быть отцентрованы и симметричны, чтобы предотвратить искривление и скручивание доски. Изгиб может привести к смещению компонентов и потенциально повредить плату.Другие рекомендации включают использование общих направляющих для каждого источника питания, обеспечение надежных и обширных трассировок и избежание создания гирляндных цепей для соединения компонентов.

Высокое напряжение в силовых цепях может мешать работе цепей управления низким напряжением и током. Вы можете использовать размещение заземления питания и заземления управления, чтобы свести к минимуму эти помехи. Старайтесь держать заземления для каждой ступени питания отдельно. Если вам нужно разместить несколько штук вместе, убедитесь, что они находятся ближе к концу вашего пути снабжения.Если ваш заземляющий слой находится в среднем слое вашей платы, включите путь с небольшим сопротивлением, чтобы предотвратить помехи силовой цепи.

Вам также следует разделить цифровую и аналоговую земли аналогичным образом. Постарайтесь, чтобы аналоговые линии пересекали аналоговую землю, чтобы уменьшить емкостную связь.

2. Конструкция гусеницы

Этот шаг также включает в себя подключение сигнальных дорожек в соответствии с вашей схемой. Вы всегда хотите, чтобы ваши следы были как можно более короткими и прямыми.Если у вас есть горизонтальная трассировка на одной стороне печатной платы, разместите вертикальные трассы на другой стороне.

Для вашей платы может потребоваться несколько цепей с разными токами, что определит необходимую ширину цепи. На этом этапе может помочь калькулятор ширины следа. Тонкие дорожки могут нести столько тока. Дорожки толщиной 0,010 дюйма или 10 мил могут выдерживать ток только около одного ампер, в то время как дорожка толщиной 250 мил может выдерживать столько же 15 ампер при повышении температуры на 30 градусов Цельсия.

3. Размер подкладки и отверстия

Вам также необходимо определить размеры контактных площадок и отверстий на раннем этапе проектирования печатной платы. По мере уменьшения размера колодок и отверстий получение правильного соотношения размеров колодок и отверстий становится все более важным. Это особенно важно при работе со сквозными отверстиями. Производитель голой печатной платы может предоставить рекомендации по требуемым стандартам и соотношению сторон.

Еще одно важное соображение – форма контактных площадок печатной платы.Посадочные места на печатной плате могут варьироваться в зависимости от производственного процесса. Волновая пайка обычно требует больших площадей, чем, например, инфракрасная пайка оплавлением.

4. Целостность сигнала и проблемы с радиочастотами Компоновка печатной платы

играет решающую роль в обеспечении целостности сигнала и предотвращении электрических проблем, таких как помехи, часто называемые радиочастотными помехами или электромагнитными помехами.

Предотвращение этих проблем во многом зависит от того, как вы прокладываете трассы.Чтобы предотвратить проблемы с сигналом, избегайте параллельных дорожек друг другу. Параллельные дорожки будут иметь больше перекрестных помех, которые могут вызвать различные проблемы, которые трудно исправить после сборки печатной платы. Если гусеницы должны пересекать друг друга, убедитесь, что они пересекаются под прямым углом. Это уменьшит емкость и взаимную индуктивность между линиями, в свою очередь, уменьшив перекрестные помехи.

Использование полупроводниковых компонентов, генерирующих слабое электромагнитное излучение, также может помочь в сохранении целостности сигнала.Однако иногда для других нужд могут потребоваться детали с более высоким уровнем электромагнитного излучения.

При разработке печатной платы исключите антенны, которые могут излучать электромагнитную энергию, а также большие петли сигнала и линии заземления, несущие высокие частоты. Вы должны аккуратно размещать интегральные схемы, чтобы обеспечить короткие межсоединения.

Размещение сетки заземления на печатной плате – еще одно важное руководство по проектированию РЧ-печатной платы, которое помогает обеспечить близость обратных линий к сигнальным линиям.Благодаря этому эффективная площадь антенны остается относительно небольшой. В многослойной плате этого можно добиться с помощью заземляющего слоя.

5. Проблемы с перегревом

Проблемы с температурой могут повлиять на множество различных частей процесса проектирования. Платы большего размера и платы с более высокой плотностью компонентов и более высокой скоростью обработки, как правило, имеют больше проблем, связанных с нагревом. Для небольших плат они могут не вызывать беспокойства, но для более продвинутых они могут стать серьезной проблемой.

Чтобы предотвратить проблемы, связанные с нагревом, необходимо дать теплу рассеиваться. Во-первых, определите компоненты, которые выделяют много тепла. Вы должны найти номиналы термического сопротивления каждого компонента в его техническом описании. Затем вы можете следовать рекомендуемым рекомендациям по отведению тепла от этого компонента.

Убедитесь, что вы оставили достаточно места вокруг всех компонентов, которые могут нагреваться. Чем больше тепла они создают, тем больше площади им потребуется для охлаждения. Также очень важно не размещать критически важные компоненты рядом с источниками тепла.

В идеале вся плата должна иметь одинаковую рабочую температуру. Используйте теплопроводящие плоскости для рассеивания тепла по большой площади, что увеличивает скорость снижения температуры за счет увеличения площади поверхности, используемой для передачи тепла.

Если тепловые проблемы для вашей платы существенны, вам может потребоваться установить охлаждающие вентиляторы, радиаторы и терморегуляторы, которые имеют решающее значение для пайки волной припоя на многослойных платах и ​​сборках с высоким содержанием меди. Вы можете создать радиаторы, используя пасту для радиаторов, полимер, наполненный мелкодисперсными твердыми частицами.Вы можете нанести эту пасту трафаретной или трафаретной печатью. После сушки или запекания он фиксируется и действует как теплоотвод.

Всегда рекомендуется использовать терморазгрузочные элементы на компонентах со сквозным отверстием, что снижает скорость отвода тепла через пластины компонентов. Как правило, используйте схему термического разгрузки каждый раз, когда переходное отверстие или отверстие соединяется с заземлением или пластиной питания. Вы также можете использовать слезы на стыке следов и подушечек, чтобы обеспечить дополнительную поддержку и уменьшить тепловую нагрузку.

Важность тестирования

На протяжении всего процесса проектирования печатной платы, а также всего остального процесса производства печатной платы вы должны постоянно проверять свою работу. Выявление проблем на раннем этапе поможет минимизировать их влияние и снизить затраты на их устранение.

Два общих теста, которые вы должны выполнить, – это проверка электрических правил и проверка правил проектирования. Эти тесты помогут вам решить многие из наиболее серьезных проблем, с которыми вы можете столкнуться.

После того, как вы без проблем пройдете тесты ERC и DRC, вам следует проверить маршрутизацию каждого сигнала и подробно сравнить свою плату со схемой.

Решение проблем компоновки печатной платы с помощью CAD

Сегодня большинство разработчиков печатных плат используют передовые программные системы автоматизированного проектирования (САПР) для создания своих печатных плат. Аналогичным образом производители используют программное обеспечение для автоматизированного производства. Использование этих систем может помочь вам решить многие проблемы компоновки, с которыми вы можете столкнуться.Некоторые из преимуществ использования этих программных систем включают:

  • Простые полуавтоматические процессы проектирования: CAD-программы позволяют перетаскивать компоненты туда, где они вам нужны, для дальнейшей разработки. Многие системы даже создают для вас трассировки, а затем вы можете перемещать, добавлять или удалять компоненты или перенаправлять их по мере необходимости. Такой подход может повысить эффективность и точность вашего процесса проектирования.
  • Проверка проекта: Перед тем, как отправить свой проект на этап производства, вы можете протестировать его с помощью системы CAD, чтобы проверить свои допуски, совместимость, размещение компонентов и другие аспекты.Многие системы могут даже обнаруживать основные ошибки в режиме реального времени, сводя к минимуму или устраняя их влияние.
  • Создание производственного файла: Вы можете сгенерировать файлы Gerber и файлы других форматов, которые могут потребоваться для отправки производителю с помощью системы CAD. Создание этих файлов непосредственно из программного обеспечения для проектирования может помочь повысить их точность и обеспечить плавный переход к этапу производства.
  • Документация: Вы также можете использовать эти системы для создания и сохранения подробной документации, связанной с использованием компонентов, отчетами об ошибках, статусом проекта, контролем версий и многим другим, что может помочь в будущих проектах.
  • Создание правила: Некоторые из этих программ позволяют создавать и хранить собственные наборы правил, которыми вы можете поделиться с дизайнерами для улучшения функциональности программного обеспечения.
  • Создание шаблона: Вы даже можете создавать шаблоны для использования в будущих проектах. Создав дизайн, вы можете сохранить его и повторно использовать в качестве шаблона для других проектов.
  • Повышение эффективности и снижение затрат: Включение автоматизированного проектирования в ваши операции может повысить эффективность и точность процесса проектирования, что снижает общие затраты.

Выбор поставщика печатной платы

Нужны печатные платы? Millennium Circuits Limited – ваш надежный источник. У нас есть ряд возможностей печатных плат, которые наверняка удовлетворят потребности вашего проекта, и мы гордимся тем, что обеспечиваем безупречное обслуживание клиентов. Мы предлагаем возможности производства печатных плат как для внутренних, так и для зарубежных заказчиков, поэтому мы можем предоставить несколько вариантов финансирования и быстрые сроки выполнения работ. Независимо от того, какое решение вы выберете, вы можете быть уверены, что получите только высококачественные печатные платы.

Чтобы узнать больше о наших услугах по разработке печатных плат и о том, как они могут помочь вашему бизнесу, запросите расценки, указав подробную информацию о вашем проекте, включая файл Gerber. Мы также предлагаем бесплатную проверку дизайна через наш веб-сайт, чтобы вы могли быть уверены, что ваш дизайн готов к производству. Чтобы узнать больше о MCL и наших многочисленных возможностях, свяжитесь с нами, запросите расценки или продолжите изучение нашего веб-сайта сегодня.

Как разработать макет печатной платы

Процесс проектирования печатной платы по существу начнется с создания схемы.Затем эта схема преобразуется в компоновку печатной платы с использованием программного обеспечения САПР.

В этой статье мы рассмотрим следующие моменты:

Обзор конструкции печатной платы

Первый шаг в проектировании печатной платы – это начертание вашей концептуальной блок-схемы на бумаге. Эта блок-схема затем преобразуется в схематический дизайн с помощью программного обеспечения САПР. Схема состоит из символов компонентов и сетевых соединений между символами. Эти сети станут следами на печатной плате.

Следующим этапом проектирования является этап предварительного макета, на этом этапе спецификация схемы проверяется для компонентов с длительным сроком поставки и устаревших компонентов. В процессе проверки проверяются номера производственных деталей (MPN) и детали поставщиков. На этом этапе также завершается проектирование стека.

Следующий этап разводки печатной платы. На этом этапе завершаются настройки параметров платы, контур платы, размещение компонентов, маршрутизация и создание производственной документации.

Каковы основные этапы проектирования печатной платы?

Процесс проектирования состоит из нескольких этапов. Каждый этап имеет свои собственные определенные процессы и контрольные списки. Чтобы спроектировать успешную печатную плату, важно следовать процессам и проверять контрольный список на каждом этапе. В этом разделе мы рассмотрим различные этапы проектирования печатной платы с использованием Altium Designer .

Шаг 1. Создание схемы печатной платы

Принципиальная схема – это представление элементов системы с использованием абстрактных и графических символов.На этом этапе проект вводится в схемотехнический инструмент (Altium, Allegro и т. Д.). На схеме показаны компоненты, которые используются в конструкции, и то, как они соединены друг с другом. Если в проекте используется иерархическая схема, в которой многочисленные функциональные схемы взаимосвязаны друг с другом, схема определяет отношения между группами компонентов в различных схемах. Пример принципиальной схемы показан ниже.

Пример принципиальной схемы печатной платы

Создание схемы – это процесс создания логического представления электронной схемы. При создании схемы вы уникальным образом соединяете набор символов (компонентов), создавая свой уникальный электронный продукт.

Ниже приведены шаги, необходимые для создания схемы печатной платы с помощью Altium Designer:

Чтобы узнать больше о схематических обозначениях и схематических представлениях, прочтите нашу статью Что означает схематическая диаграмма?

Генерация условных обозначений Доступ к инструменту создания символа

Altium Designer можно получить, выбрав в главном меню команду «Инструменты » → «Мастер символов» .Процесс генерации символа включает в себя рисование корпуса компонента, добавление контактов и номеров контактов, определение позиционных обозначений и назначение посадочного места.

Размещение условного обозначения на схеме

Тело символа создается путем помещения графических объектов дизайна в рабочую область редактора схемной библиотеки. Altium Designer включает в себя множество замкнутых форм символов, включая прямоугольник, пятиугольник, эллипс и треугольник, как показано ниже.

Формы условных обозначений на печатной плате

Нумерация выводов

Контакты

определяют точки подключения на компоненте для входящих и исходящих сигналов.Нумерация выводов сделана так, чтобы соединения, показанные на схеме, были правильно подключены медью на печатной плате. Это контакты компонента, которые придают компоненту его электрические свойства и определяют точки подключения на компоненте для ввода и вывода сигналов. Пин размещается для представления каждого вывода на реальном физическом компоненте.

Светодиод с двумя контактами (1 и 2)

контактов можно разместить в документе схемной библиотеки, выполнив одно из следующих действий:

  1. Нажмите Поместить → Закрепить в главном меню
  2. Откроется диалоговое окно «Параметры символа
  3. ».Используйте это диалоговое окно, чтобы определить высоту и ширину символа, длину его выводов и стиль для его выводов по отношению к портам на исходном листе и нажмите OK .

Условные обозначения

Условные обозначения в основном состоят из категории, стоимости, производителя, номера детали производителя и поставщика. Рекомендуется, чтобы каждый символ в вашей схеме имел свое собственное уникальное обозначение, чтобы каждую часть можно было легко идентифицировать. Например, каждый резистор должен иметь последовательную последовательность именования R1, R2, R3 и т. Д.

Назначение посадочного места

Footprint дает представление о фактическом размере компонента. Например, , когда мы кладем компонент на песок, он оставит там отпечаток . Этот отпечаток – его реальный физический размер. Некоторые компоненты входят в стандартные пакеты, и их легко найти. В некоторых случаях нам может потребоваться создать посадочное место вручную. Ниже приведены шаги, которые необходимо выполнить для создания посадочного места в Altium Designer.

  1. Создайте подушечки
  2. Высота и площадь детали, вводимой под ключ
  3. Предоставить шелкографию информацию
  4. Сохранить след
Соединение символов

Для проектировщика печатных плат очень важно четко показать, как компоненты взаимосвязаны на схеме.Во-первых, если у вас есть два провода, которые образуют соединение и разделяют электрическое соединение, на этом пересечении должна быть точка соединения. Это стандартная практика для каждого схематического дизайна.

Схема подключения проводов на печатной плате

Схема соединений: передовой опыт

Схема подключения печатной платы

: передовой опыт

Если у вас есть пара пересекающихся проводов, которые электрически не связаны и просто перекрываются, то точка вам не понадобится.

Пересекающиеся провода на схеме печатной платы

Важные сигналы на плате должны быть помечены после подключения компонентов.Эта маркировка включает в себя кривые импеданса, такие как дифференциальные пары 50 Ом SE и 100 Ом. Также необходимо идентифицировать и маркировать следы питания.

Посадочные места компонентов показаны на схематической диаграмме, когда вы переносите схематическую информацию на компоновку печатной платы.

Создать список соединений

Netlist в любом программном обеспечении для проектирования печатных плат содержит информацию об имени компонента, а также контактную площадку того компонента, который подключен. Netlist также присваивает номера соединениям в последовательном порядке.Диалоговое окно Netlist Manager используется для контроля и управления списком соединений платы. Сети можно редактировать, добавлять или удалять по мере необходимости. Штыри (или контактные площадки) компонентов в цепях также можно редактировать.

Выполните проверку списка соединений

Экспорт списка цепей используется для экспорта списка цепей печатной платы в текущий документ. После запуска команды документ списка соединений с расширением ‘.Net’ сохраняется в той же папке, где сохраняется проектный документ печатной платы.Должна быть проведена проверка цепи за цепью на схеме (все ли цепи подключены должным образом).

Создать спецификацию

Спецификация материалов (BOM) – это просто список необходимых материалов для изготовления печатной платы. В Altium Designer спецификацию можно создать, выбрав опцию Report → Bill of Materials на схеме печатной платы.

Всегда рекомендуется проводить общую проверку после каждого шага / подэтапа, чтобы гарантировать безошибочный дизайн.

Этап 2: этап предварительного макета

На этапе предварительной компоновки мы инициируем проектирование стека, проверяем спецификацию всех деталей и проверяем, что детали активны и не устарели.

Проверка спецификации

Спецификация – это просто список материалов, необходимых для изготовления печатной платы. Первый шаг на этапе подготовки макета – убедиться, что все материалы, необходимые для вашего дизайна, доступны.

Во время проверки спецификации проверяется следующее:

  1. Производственные номера деталей (MPN) верны
  2. Номера деталей поставщика (VPN) верны
  3. Количество деталей правильное
  4. Обозначения соответствуют схеме
  5. Компоненты
  6. DNI (не устанавливать) отмечены в спецификации
Спроектировать штабелирование с помощью контрактного производителя (CM)

Дизайнерам необходимо получить подробную информацию о наборе перед тем, как начать разработку макета.Дизайнеры всегда проектируют штабелирование, но им обычно помогает фабрика, чтобы получить правильную компоновку. Они могут получить необходимую помощь от производителя печатных плат или использовать инструменты наложения, такие как наш Планировщик стека.

Параметры, необходимые для планировщика, включают:

  1. Материал печатной платы (FR4, I-Speed, Rogers и т. Д.) Зависит от требований к частоте и окружающей среде (например, высокая температура)
  2. Количество уровней – сигнальные уровни и уровни мощности
  3. Требуемые импедансы, такие как несимметричный 50 Ом, дифференциальный 90 Ом или дифференциальный 100 Ом
  4. Толщина меди (½ / 1/2 унции)

СКАЧАТЬ НАШЕ РУКОВОДСТВО ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ УПРАВЛЯЕМОГО ИМПЕДАНСА:

Этап 3: этап компоновки печатной платы

Этап компоновки печатной платы включает настройку средства проектирования, контура платы, импорт списка соединений, размещение компонентов, маршрутизацию, очистку шелкографии, проверку DRC и создание документов для производства (герберы, список соединений и т. Д.)).

Настройка стека

Компоновка платы начинается с установки правил наложения и проектирования. Наложение настраивается в инструменте с помощью инструмента Layer Stackup Manage r. Дизайн стека, созданный инструментом наложения от производителя печатной платы, используется в качестве справочного материала для настройки стека в инструменте компоновки.

Шаги по созданию стека печатных плат:

  1. Однослойное наложение по умолчанию определяется при создании новой платы.
  2. Текущий выбранный стек будет дублирован, если вы нажмете кнопку Добавить стек . После добавления нового стека его имя и свойства можно изменить на вкладке свойств стека в диалоговом окне.
  3. Нажмите кнопку Add Layer , чтобы добавить отдельную паяльную маску и поверх слоев.
  4. Порядок наложения можно изменить с помощью кнопок Переместить влево, и Переместить вправо, , которые находятся в правом нижнем углу вкладки наложения.
  5. Для гибких печатных плат в гибком стеке должна быть включена опция Flex . Изгиб гибкости определяется путем размещения линии изгиба поперек области гибкости (меню «Дизайн» »Форма платы).

На изображении ниже показан инструмент Layer Stackup Manager.

Инструмент для управления стеком печатных плат

Установить правила проектирования печатной платы

Правила проектирования – это набор инструкций, которым должен следовать инструмент компоновки печатных плат. Каждый аспект дизайна описан в правилах дизайна.Правила проектирования печатных плат можно в общих чертах классифицировать как:

  1. Правила электрического проектирования: Учитывайте электрические характеристики, такие как импеданс, частота и т. Д.
  2. Правила физического проектирования: связаны с такими параметрами, как ширина дорожки, размеры переходных отверстий, дифференциальные пары и т. Д.
  3. Правила проектирования промежутков: Учитывайте расстояние между силовыми цепями высокого напряжения, зазоры или конкретную область, если нам нужна трассировка 5 мил и т. Д.

Эти правила определены в диалоговом окне редактора правил и ограничений платы.

Нарисуйте контур печатной платы

Форма печатной платы называется контуром платы и представляет собой замкнутый контур. Форму платы можно изменить по-разному:

  1. Вручную: Путем перемещения существующих вершин платы. Это можно сделать, переключившись в режим планирования платы ( View → Board Planning Mode ) в меню дизайна.
  2. Из выбранных объектов: Обычно это делается на механическом слое , если у вас есть контур платы, импортированный из инструмента MCAD (файл DWG / DXF).Переключитесь в режим 2D-компоновки ( View → 2D layout Mode) , выберите примитивы на механическом слое (Edit Select All on Layer), затем используйте Design Board Shape Define из выбранных объектов команда.
  3. Из трехмерного тела: Используйте этот параметр, если пустая плата была импортирована из инструмента САПР в объект трехмерного тела ( Поместить → 3D-тело ). Переключитесь в режим 3D-разметки ( View → 3D Layout Mode ), затем используйте команду в подменю Design → форма платы , чтобы выбрать форму платы.
Размещение компонентов

Первый шаг размещения компонентов начинается с разбивки схемы на различные части в зависимости от функциональности схемы (аналоговая, цифровая, высокоскоростная, сильноточная, источник питания и т. Д.).

Планировка печатной платы по разделам

Режим перекрестного выбора

Режим перекрестного выбора позволяет выбрать соответствующий объект между компоновкой печатной платы и схемой. Другими словами, если вы выбираете объект на компоновке, соответствующий объект на схеме также выбирается.Это гарантирует точное размещение компонентов на вашем макете. На изображении ниже показаны шаги для активации режима перекрестного выбора в Altium Designer.

Шаги для активации режима перекрестного выбора

Процесс размещения компонентов начинается с размещения компонентов, которые находятся в фиксированных местах в соответствии с требованиями проекта. Эти компоненты обычно включают соединители и связанные с ними компоненты. Следующим шагом является размещение основных компонентов, таких как ЦП, память и аналоговые схемы.Третий шаг – разместить вспомогательные компоненты к основным компонентам, таким как кристаллы, разделительные конденсаторы и последовательные резисторы.

Выполните следующие шаги, чтобы разместить объект (компонент) на топологии печатной платы:

  1. Выберите объект для размещения на одной из панелей инструментов или в меню «Поместить».
  2. Используйте мышь, чтобы определить местоположение размещенного объекта в рабочей области печатной платы и его размер (если применимо).
  3. Щелкните правой кнопкой мыши (или нажмите Esc), чтобы завершить команду и выйти из режима размещения.
Проведите сетку доски

Маршрутизация – это процесс прокладки медных проводов между узлами. Этот токопроводящий путь определяется путем размещения дорожек, дуг и переходных отверстий на медных слоях, чтобы установить соединение между двумя узлами.

Метод интерактивной маршрутизации используется для маршрутизации соединения в конструкторе плат. Доступ к этой интерактивной команде маршрутизации можно получить, выбрав опцию Маршрут , интерактивная маршрутизация для маршрутизации одиночной цепи, Маршрут Интерактивная дифференциальная пара маршрутизации для маршрутизации дифференциальной пары .На изображении ниже показаны шаги для доступа к интерактивной команде маршрутизации.

Интерактивная маршрутизация

После запуска команды щелкните площадку, которую необходимо развести. Интерактивный маршрутизатор определяет путь маршрута от выбранной площадки до местоположения курсора. Размер дорожки соответствует правилам проектирования набора печатных плат.

Последовательность разводки заключается в разводке развязывающих конденсаторов и силовых переходных отверстий. Затем проложите критические трассы, такие как трассы импеданса и высокоскоростные трассы.Затем проложите некритические трассы. Маршрутизация трассировок ортогонально – это хорошая практика.

После того, как разводка компонентов завершена, выполняются подключения питания / заземления. Плоскость питания – это слой меди, к которому подключен блок питания. Заземляющий слой – это слой меди, к которому выполнено заземление.

Выполнение проверки правил проектирования (DRC)

Проверка правил проектирования (DRC) – это процесс проверки как логической, так и физической целостности проекта.В DRC проверки выполняются на соответствие всем разрешенным правилам проектирования печатной платы. Эту функцию также можно включить в интерактивном режиме, чтобы проверки выполнялись параллельно по мере прохождения процесса проектирования. Этот шаг следует выполнить на каждой размеченной доске, чтобы убедиться, что соблюдены минимальные правила допуска и нет никаких нарушений. На изображении ниже показано диалоговое окно DRC.

Диалог проверки правил проектирования

Полные примечания по сборке и сборке печатной платы Примечания к фабрикам по печатным платам

содержат следующую информацию, относящуюся к конструкции:

  1. Класс печатной платы (класс 1, класс 2 и класс 3)
  2. Количество слоев
  3. Общая толщина плиты
  4. Соблюдение стандартов IPC
  5. Цвет паяльной маски
  6. Цвет шелкографии
  7. Подробная информация о послойном импедансе
  8. Детали выреза
  9. Детали штабеля
  10. Детали сверления (таблица сверления)
  11. Номер и дата версии

Заполнение всей конкретной информации в примечаниях к фабрикам очень важно, поскольку они документируют всю жизненно важную информацию о конструкции печатной платы для использования в будущем.

Если плата разрабатывается для покупателя, рекомендуется получить одобрение от покупателя после вышеуказанного шага. Пример потрясающих заметок показан ниже.

Примечания к печатной плате

Схема сверления

В таблице сверл указано количество и размер отверстий для каждого сверла, которое будет использоваться на доске. Рекомендуется вставить схему сверления в примечания к фабрикам. Пример диаграммы сверления показан ниже.

Схема сверления печатных плат

Чтобы узнать больше о процессе сверления печатных плат, прочитайте нашу статью «Объяснение сверления печатных плат: что можно и чего нельзя делать»

Шаг 4. Создайте рабочие файлы

Ниже приведены файлы, которые необходимо сгенерировать:

  1. Создание герберов и других производственных файлов
    :
    1. TOP – Верхний медный слой (надставка: плата.gtl) Обозначает медные дорожки на верхнем слое печатной платы.
    2. SMT – Верхний слой паяльной маски (расширение: board.gts). Паяльная маска используется для защиты от окисления и предотвращения образования паяных мостиков в процессе пайки.
    3. SPT – Верхний слой паяльной пасты (расширение: board.gtp). Паяльная паста используется для соединения компонентов поверхностного монтажа с контактными площадками на печатной плате. Паста наносится струйной печатью, трафаретной печатью или шприцем.
    4. SST – Топ Silkscreen (надставка: картон.ГТО). Шелкография – это слой чернил, используемый для идентификации компонентов, знаков, логотипов и т. Д.
    5. BOT – Нижний медный слой (расширение: board.gbl). Обозначает медные дорожки на нижней стороне печатной платы.
    6. SMB – нижний слой паяльной маски (расширение: board.gbs)
    7. SPB – Нижняя часть паяльной пасты (расширение: board.gbp)
    8. SSB – Дно шелкографии (расширение: board.gbo)
    9. Сигнал и питание внутренних слоев / GND (расширение: плата.g1)
  2. Файл сверления NC: показывает ориентацию просверленных отверстий на печатных платах (расширение: board.txt)
  3. Выберите и поместите файл
  4. Файл списка цепей IPC 356
  5. ODB ++ файл (открытая база данных). Обмен информацией между этапами проектирования и производства.
  6. PDF схемы и макета
  7. PDF сборочных чертежей
Выполнить проверку DFM

Дизайн для технологичности (DFM) – это набор руководящих принципов проектирования, которые подтверждают технологичность конструкции. Анализ DFM выявляет проблемы компоновки печатной платы, которые могут создавать производственные проблемы во время сборки и изготовления.Проблемы DFM связаны с геометрией и в большинстве случаев не обнаруживаются во время проверок DFM.

Инструмент Better DFM компании

Sierra Circuits поможет вам проверить конструкцию на технологичность. Он работает с вашими файлами проекта печатной платы (формат файла Gerber) и отображает подробную информацию о проблемах правил проектирования в ваших файлах. Например, если вы считаете, что ваш дизайн имеет минимальную ширину следа 6 мил, и вы используете Better DFM, он выделит все области, где следы составляют всего 5 мил.

Чтобы узнать больше о DFM, прочтите нашу статью о 6 проблемах с DFM, которые проектировщики должны проверить перед изготовлением печатной платы.

Популярное программное обеспечение для проектирования печатных плат

Конструкторы и инженеры используют программное обеспечение для автоматизации электронного проектирования (EDA), также называемое программным обеспечением для электронного компьютерного проектирования (ECAD), для создания чертежа желаемой печатной платы. Это требует глубоких знаний архитектуры и хорошего понимания связанных библиотек. Создаваемый шаблон проектирования должен соответствовать стандартам электромагнитной совместимости (EMC) IEEE.Этот дизайн воплощен в жизнь (позже запущен в производство) производителем печатных плат.

Основными факторами, которые следует учитывать при выборе программного обеспечения для проектирования печатных плат, являются:

  • Пользовательский интерфейс (UI)
  • Характеристики
  • Библиотеки больших компонентов

Программы автоматизации обеспечивают удобный подход к проектированию печатных плат, которые можно легко преобразовать в физическую плату. Посмотрите список программного обеспечения для проектирования печатных плат и узнайте больше об Allegro, Altium Designer, Eagle, OrCAD и т. Д.

Мы рассмотрели основные этапы проектирования макета печатной платы. Сообщите нам в разделе комментариев, если есть какие-либо конкретные темы, о которых вы хотели бы узнать больше.

СКАЧАТЬ РУКОВОДСТВО ПО DFM:

Руководство по проектированию печатной платы

для улучшения компоновки печатной платы

Вот несколько простых рекомендаций по проектированию печатных плат, которые помогут вам создать более качественные макеты печатных плат.

Размер платы и ширина дорожки

Всегда есть пределы того, насколько большой может быть ваша доска, насколько тонкими могут быть ваши следы и наименьший размер сверла, который вы можете использовать.

Начните с проверки возможностей производителя вашей печатной платы. Обычно они размещают эту информацию на своей веб-странице. Иногда они предоставляют файл проверки правил проектирования, который можно загрузить прямо в программу проектирования печатных плат.

Во-первых, измените размер вашей доски так, чтобы он не превышал возможностей выбранного вами производителя.

Затем выберите ширину следа. Он должен быть не меньше минимальной допустимой ширины дорожки, но обычно должен быть толще, потому что тонкие дорожки более уязвимы для повреждения при пайке.

Чем больше тока будет протекать по дорожке, тем она должна быть толще. Это нужно для того, чтобы след не нагрелся. Если на вашей печатной плате много места, начните с ширины дорожек 20 мил для сигналов и 30-40 мил для трасс питания.

Размещение комплектующих

Разместите компоненты так же, как на схемах. Это упрощает поиск и устранение неисправностей в вашей цепи, если это понадобится позже.

Обратите внимание на разъемы и крупные компоненты.Разъемы следует размещать сбоку для упрощения подключения.

Если вы собираетесь поместить готовую печатную плату в коробку, помните о любых крупных компонентах и ​​о том, как они поместятся в коробке, когда вы собираетесь собрать свой электронный проект.

Если ваша электронная схема состоит из развязывающих конденсаторов, убедитесь, что вы разместили их рядом с выводами, для которых они предназначены.

Используйте этикетки

Все ваши компоненты должны иметь этикетки с названием и стоимостью детали, напечатанными на плате.Это упрощает пайку печатной платы и устранение неисправностей в дальнейшем.

Полезное практическое правило – всегда маркировать соединители, которые должны быть подключены снаружи, описательными именами. Добавьте имена для каждого вывода в заголовке вывода.

Рекомендации по проектированию печатных плат для горизонтальной и вертикальной прокладки

Если вы используете двухслойную печатную плату, одно из лучших рекомендаций по проектированию печатной платы, которому следует следовать, – это прокладывать один слой по горизонтали, а другой по вертикали.

Для более сложных плат добавление заземляющего слоя может упростить трассировку.

Углы трассировки

Если вы делаете ВЧ печатную плату, вам следует избегать углов 90 градусов на дорожках печатной платы. В противном случае могут возникнуть странные эффекты.

Кроме того, углы в 45 градусов выглядят более профессионально, поэтому вы должны просто привыкнуть делать углы в 45 градусов с самого начала.

Визуальная проверка

Когда вы собрали свою плату, вы всегда должны распечатывать ее на бумаге и проверять ее на наличие проблем с разъемами и т. Д.

Много раз я совершал ошибку, неправильно помещая заголовок булавки или что-то еще, чего можно было бы избежать, если бы я просто нашел время, чтобы распечатать мою схему на бумаге и проверить наличие этих вещей.

Возврат от руководящих принципов проектирования печатных плат к проектированию печатных плат

Рекомендации и рекомендации по компоновке печатной платы

Компоновка печатной платы (PCB) в ее самой простой форме – это средство для перевода схемы с макета в более стабильную и постоянную физическую форму.В то время как целые книги и учебные курсы были посвящены разводке печатных плат, ниже следует краткий обзор того, что следует учитывать при создании печатной платы.

Схемы

Начните с создания отличной схемы, поскольку схема является одновременно и основной документацией, и картой для понимания и построения системы схем. Схема – это схема цепей, компонентов и соединений, которая размещена в удобной для понимания манере. Компоненты и связи между компонентами (или сетевыми именами) четко определены.Отличная схема включает в себя как можно больше информации, включая допуски и размеры, примечания по тепловым проблемам, процедуры настройки (если таковые имеются), размещение критически важных компонентов, информацию для печатной платы (например, сборку плат), рекомендации по разводке контролируемого импеданса, снижение рейтинга компонента и, возможно, последовательность операций (если схема еще не является частью руководства). Обозначения на схеме приветствуются. Не думайте, что каждый, кто впоследствии прочтет схему, будет знать столько же, сколько и вы, или то же самое, что и вы.

Высокочастотные сигналы

К печатным платам

, поддерживающим высокочастотные сигналы, предъявляются особые требования. Как правило, вам не нужно сильно беспокоиться о высокоскоростных сигналах, если вы не работаете с сигналами на частоте 50 МГц или выше. Однако многие из интерфейсов, которые мы используем сегодня, работают на частотах выше 50 МГц (например, USB), поэтому необходимы некоторые знания о том, как избежать проблем с высокоскоростными сигналами. Компоновка печатной платы, особенно на высоких частотах, основана на физике потока электронов.Руководства обычно отражают здравый смысл в отношении того, как электроны ведут себя на уровне платы. Визуализируйте воду, текущую в речном бассейне через точки защемления и вокруг различных образований горных пород, и вы получите представление о том, как электрический ток будет вести себя через следы, вокруг препятствий и через точки защемления на макете печатной платы. Печатные платы могут иметь один или несколько слоев дорожек, зажатых между армированным стекловолокном эпоксидным ламинатом, и сигналы могут взаимодействовать между слоями.

Существует сложная взаимосвязь между высокочастотными сигналами и длиной дорожек или проводов.Определение высокой скорости относительное; провода начинают действовать как линии передачи, поскольку частота проходящих по ним сигналов увеличивается. Если импеданс трассы незначителен по сравнению с нагрузкой, у вас нет высокоскоростного сценария. Трасса становится линией передачи, когда длина трассы превышает 1/3, 1/6 или даже 1/10 синусоидальной длины волны сигнала, тогда вам нужно рассматривать трассу, как если бы она была линией передачи. Все три цифры даны отдельно как «практические правила», при этом 1/10 является наиболее консервативным (предположительно, чтобы объяснить очень высокие частоты, распространенные сегодня.)

Компоненты маршрутизации и размещения сигналов

Знайте, где на печатной плате будут протекать сигнал и обратный ток для ваших высокочастотных и низкочастотных сигналов. Держите цифровые сигналы как можно дальше от аналоговых. Аналоговые схемы чувствительны к цифровым сигналам, включая часы, которые могут вносить шум в аналоговую сторону вашей системы, поэтому разделите их и убедитесь, что пути прохождения сигналов или токи не пересекаются. На рисунке 1, любезно предоставленном Analog Devices, показан неправильный способ размещения аналоговых и цифровых схем на печатной плате.

Рисунок 1: Размещение компонентов и маршрутизация сигналов: неправильный путь. Не размещайте компоненты таким образом, чтобы аналоговые сигналы проходили рядом, вокруг или через пути цифрового сигнала, как подачи, так и возврата. (Изображение: Analog Devices, Inc.)

На рисунке 2 показаны аналоговые токи (зеленые стрелки), которые не должны пересекать токи, протекающие между цифровыми схемами (красные стрелки).

Рисунок 2: Размещение компонентов и маршрутизация сигналов: ПРАВИЛЬНЫЙ способ. Цифровые схемы могут вносить шум в аналоговые схемы, поэтому держите их отдельно друг от друга.(Изображение: Analog Devices, Inc.)

При разработке печатной платы имеют значение компоновка и длина линий передачи высокоскоростных сигналов. Следы должны быть как можно короче. Разместите компоненты физически рядом с микросхемами, которые они модифицируют (например, подтягивающие резисторы, байпасные конденсаторы). Плоскости заземления и питания могут обеспечивать экранирование, и если у вас простая печатная плата, они должны быть расположены на противоположных сторонах печатной платы. (Подумайте об оптимальных схемах потока.) Изолируйте сигналы с помощью физического разделения. Делайте параллельные следы короткими, а также следы на соседних слоях.Трассы, которые проходят рядом друг с другом или поверх друг друга (на соседних слоях), могут создавать паразитную емкость, которая приводит к перекрестным помехам и связи. Если возможно, проведите трассировки на смежных слоях, ортогональных друг другу. Вспомните электрическую связь с магнетизмом, и что трассы с текущим по ним током создают магнитное поле, которое изменяется в зависимости от сигнала.

Сведите к минимуму перекрестные помехи, увеличив расстояние между дорожками (или иным образом улучшив изоляцию), используя защитные дорожки или используя дифференциальные сигналы для уменьшения электромагнитных помех.Увеличить расстояние между дорожками можно, увеличив толщину доски или разместив дорожки как можно дальше друг от друга. Чем меньше площадь дорожки или контактной площадки, тем ниже эквивалентный импеданс для этой области. Дорожки также имеют индуктивную составляющую или приблизительную индуктивность дорожки или полосы. Нежелательные физические явления, которые могут развиваться, такие как емкость и индуктивность, могут быть дополнительно детально исследованы путем изучения физики, лежащей в основе взаимосвязи между электричеством и магнетизмом. Например, расширение дорожки увеличит ее емкость, но уменьшит индуктивность дорожки.Это одна из причин, по которой инструменты компоновки и моделирования печатной платы имеют важное значение, после чего следует тестирование прототипа печатной платы перед попыткой производства в больших объемах.

Пакеты меньшего размера на самом деле лучше справляются с высокочастотными сигналами, чем корпуса большего размера, с точки зрения компоновки печатной платы. Компактная компоновка приведет к меньшему количеству паразитных компонентов. У Analog Devices есть «специальная обратная связь» на некоторых операционных усилителях, предназначенная для упрощения оптимальной компоновки печатной платы операционного усилителя. Специальная обратная связь оптимизирует поток сигнала и снижает искажения.Analog Devices определяет «выделенную обратную связь» как размещение контакта обратной связи непосредственно рядом с инвертирующим входным контактом операционного усилителя. Таким образом, единственное требование для соединения двух контактов – это очень короткая дорожка или резистор, а не маршрутизация обратной связи вокруг усилителя или под ним. [I]

В дополнение к уменьшению длины трассы важно использовать байпасные конденсаторы. Конденсаторы необходимо размещать как можно ближе к контактам источника питания на ИС. Конденсаторы служат средством защиты от нарастания и спада изменяющихся уровней напряжения и необходимы для хорошей работы в высокоскоростных цепях.Плоскость заземления и панель питания жизненно важны для уменьшения паразитных помех и шума. Для печатной платы с несколькими слоями, по крайней мере, один слой должен быть выделен для заземляющего слоя. Убедитесь, что вы проанализировали обратный путь на предмет наличия тока по всей схеме и во всех направлениях. Выделите как можно больше места для заземляющего слоя, со следами, которые несут высокоскоростные сигналы, имеющие особое значение по отношению к заземляющему слою для экранирования. Для многослойных печатных плат используйте несколько переходных отверстий для соединения (одних и тех же) заземляющих плоскостей вместе.

Искусство и наука

По мере развития технологий частота сигналов, в том числе цифровых, стала стремительно расти. Понимание распространения сигнала становится все более важным для инженеров. Чтобы понять почему, в статье доктора Ховарда Джонсона, профессора проектирования высокоскоростных схем, объясняется необходимость преодоления разрыва в понимании между цифровым дизайном и аналоговым дизайном. И аналоговые, и цифровые дисциплины очень заметно пересекаются на высоких скоростях, но преподавались в течение нескольких десятилетий как отдельные миры (по крайней мере, для студентов).Прочтите статью доктора Говарда Джонсона «Почему Джонни не может разработать высокоскоростную цифровую систему», чтобы получить подробный обзор некоторых проблем, с которыми сталкиваются новые инженеры. [Ii] Разработка успешной компоновки печатной платы может быть простой (для простой схемы) или интенсивная наука, охватывающая несколько дисциплин с потенциалом чрезвычайной сложности. Компоновка печатной платы может усложняться из-за требований к продукту (например, размера), наличия нескольких слоев, множества различных компонентов и различных типов сигналов (например, высокоскоростных, низковольтных, высоковольтных, цифровых, аналоговых и т. Д.), которые должны успешно сосуществовать на одной доске. Наконец, правила и экологические стандарты также являются частью процесса проектирования печатных плат. Создание качественных печатных плат – это и наука, и искусство. Эта статья едва затрагивает поверхность, но, возможно, она даст вам представление о тех областях, которые необходимо изучить более подробно.

[i] http://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-65.html

[ii] Найдите доступную по цене версию серии лекций доктора Джонсона на safaribooksonline.com

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.