При проектировании и реинжиниринге электронных продуктов проектирование схемы печатной платы является важным этапом, который напрямую влияет на рабочие характеристики схемы. Создание эффективной схемы печатной платы — сложная задача, особенно если у вас нет достаточного опыта в этой области. В этой статье вы можете ознакомиться с нашими рекомендациями по проектированию схем печатных плат, которые соответствуют всем передовым методам и стандартам.
Какова идеальная компоновка печатной платы?
Что же такое идеальная компоновка печатной платы? Это не фиксированный дизайн, а постоянно развивающийся процесс. Каждая схема имеет свой дизайн, и то же самое касается компоновки. Однако есть определенные аспекты, которые являются общими для всех успешных компоновок. Давайте рассмотрим некоторые из них.
— Ширина и длина дорожек — Если вы хотите, чтобы ваша схема работала правильно, вам необходимо убедиться, что ваши дорожки имеют правильную ширину и длину. Это означает, что вам также необходимо решить, где их разместить. Ширина имеет решающее значение для целостности цифрового сигнала. Чем меньше ширина, тем меньше вероятность появления шумов и помех.
— Размещение заземления — Размещение заземления в схеме имеет решающее значение. Во-первых, убедитесь, что у вас достаточно заземляющих соединений. Затем убедитесь, что все они подключены к общему аналоговому заземлению.
— Размещение сигналов — Размещение сигналов в вашей схеме также чрезвычайно важно. Убедитесь, что сигналы проложены в направлении «изнутри наружу». Это означает, что вы начинаете с самых важных сигналов и продвигаетесь к наименее важным. Если вы используете иерархическую схему для проектирования, это будет гораздо проще.
— Распределение питания — Распределение питания также имеет большое значение. Необходимо убедиться, что все области с высокой мощностью и высоким током имеют соединение с заземлением. Сюда входят цепи питания, а также высокоточные трассы.
#1 Выберите стратегию дизайна перед созданием макета
Прежде чем приступить к компоновке, необходимо определиться со стратегией проектирования. Сюда входят такие параметры, как количество слоев, ширина дорожек и количество используемой меди. Для этого необходимо иметь четкое представление о том, что делает схема и что от нее требуется. Кроме того, необходимо знать ограничения процесса производства печатных плат. Ниже приведены несколько различных стратегий, которые можно использовать при компоновке печатной платы:
— Стандартная трассировка — стандартная трассировка является наиболее распространенной стратегией проектирования. Ее используют, когда к печатной плате не предъявляется никаких особых требований.
— Микромаршрутизация — если вам нужны очень маленькие дорожки и очень короткие соединения, вам понадобится микромаршрутизация.
— Деревовидная маршрутизация — если вам нужно большое количество соединений, которые необходимо эффективно распределить, вам понадобится деревовидная маршрутизация. Деревовидная маршрутизация обычно используется на высокопроизводительных платах с большим количеством сигналов.
#2 Определите стратегии присутствия на рынке
После того, как вы определились с стратегией проектирования, необходимо разработать стратегию размещения компонентов на плате. Необходимо решить, где на плате будут размещены компоненты. Необходимо создать контур для каждого компонента и разместить их на плате таким образом, чтобы это было целесообразно. Это включает в себя обеспечение того, чтобы компоненты были размещены близко к соединениям. Не следует создавать макет, который требует размещения печатной платы в определенном положении. Это усложнит сборку и использование продукта.
#3 Правила размещения компонентов на печатной плате
1. устройство защиты интерфейса
Устройство защиты интерфейса следует размещать как можно ближе к интерфейсу. Кроме того, существуют различные требования к размещению компонентов:
Общий порядок устройств молниезащиты силовых цепей: варисторы, предохранители, подавляющие диоды, фильтры ЭМИ, индукторы или индукторы синфазного режима.
Как правило, порядок устройств защиты интерфейсных сигналов: ESD (ТВС-трубка), разделительный трансформатор, индуктор синфазного режима, конденсатор и резистор.
2. Расстояние между компонентами
Рекомендуемое минимальное расстояние между компонентами:
- Расстояние между краями контактных площадок небольших RC-компонентов составляет >0,3~0,7 мм;
- Между другими чип-компонентами, между SOT, между SOIC и чип-компонентами составляет 1 ~ 1,25 мм;
- Между SOIC и между SOIC и QFP составляет 1,5-2,0 мм;
- Расстояние между PLCC и чип-компонентами, между SOIC и QFP составляет 2-2,5 мм;
- 3～4 мм между PLCC.
- Расстояние между внешней стороной контактной площадки вставного компонента и внешней стороной контактной площадки чип-компонента составляет более 1,5–2 мм;
- Расстояние между краями площадок между вставными компонентами, которые были припаяны волной припоя, составляет более 1–2 мм;
- Расстояние между BGA и соседними компонентами составляет более 3-5 мм.
3. Устройства, подверженные помехам
Устройства, чувствительные к электростатическим разрядам, такие как NMOS и CMOS, следует по возможности держать подальше от зон, подверженных электростатическим разрядам (например, краевых зон одной платы).
4. Расположение часового устройства
- Кристаллы, кварцевые генераторы и распределители тактовых импульсов должны располагаться как можно ближе к соответствующим микросхемам;
- Фильтр тактовой схемы (по возможности используйте фильтр типа «∏») должен находиться рядом с входным контактом тактовой схемы, подключенным к линии питания;
- Выход кварцевого генератора и распределителя тактовых импульсов должен быть соединен последовательно с резистором 22 Ом;
- Неиспользуемые выводы распределителя тактовых импульсов заземлены через резисторы;
- Расположение кристаллов, кварцевых генераторов и распределителей тактовых сигналов должно быть удалено от компонентов высокой мощности, радиаторов и других тепловыделяющих устройств;
- Находится ли кварцевый генератор на расстоянии более 1 дюйма от края платы и интерфейсного устройства.
5. Конденсаторы и фильтры
- Конденсатор должен быть расположен близко к выводу питания, и чем меньше емкость, тем ближе к выводу питания;
- Фильтр ЭМИ должен находиться близко к входному порту источника питания микросхемы;
- В принципе, каждый вывод питания имеет один небольшой конденсатор емкостью 0,1 мкФ и один или несколько больших конденсаторов емкостью 10 мкФ для интегральной схемы, количество которых может быть увеличено или уменьшено в зависимости от конкретной ситуации.
#4 Правила трассировки печатных плат
Правила трассировки печатных плат — это рекомендации, которые используют проектировщики для определения размещения и трассировки дорожек на печатной плате. Эти правила помогают обеспечить правильную работу готовой печатной платы и соответствие всем необходимым электрическим характеристикам. Существует множество различных правил трассировки, которые можно использовать, и конкретные правила, которым следует следовать, будут зависеть от конкретной конструкции и требований проекта.
1. Подключение трассы, сигнала и питания
При трассировке печатных плат необходимо учитывать несколько ключевых моментов:
— Убедитесь, что ширина дорожек соответствует току, который будет по ним протекать. Слишком узкие дорожки приведут к перегреву и потенциальному выходу из строя; слишком широкие дорожки будут неоправданно дорогими.
— Знайте о различных типах медных плоскостей и о том, как их можно использовать в своих интересах. Например, плоскости питания и заземления могут быть очень полезны для минимизации шума и перекрестных помех.
— Убедитесь, что вы учитываете различные требования к импедансу цифровых и аналоговых сигналов. Цифровые сигналы необходимо прокладывать с помощью трасс с низким импедансом, чтобы минимизировать отражения и перекрестные помехи, в то время как аналоговые сигналы можно прокладывать с помощью более толстых трасс с более высоким импедансом.
— Обратите внимание на расстояние между трассами, особенно при прокладке высокоскоростных сигналов. Расстояние между трассами влияет на их емкость, что, в свою очередь, влияет на целостность сигнала.
— Рассмотрите возможность использования переходных отверстий для прокладки сигналов между разными слоями печатной платы. Это может помочь минимизировать длину трасс и уменьшить перекрестные помехи.
— Убедитесь, что вокруг выводов питания и заземления имеется достаточное пространство. Эти области могут быть подвержены образованию дуги и тепловым проблемам, поэтому важно, чтобы они были свободными.
Следуя этим простым рекомендациям, вы можете обеспечить правильную трассировку ваших печатных плат и их работу в соответствии с назначением.
2. Кельвинское соединение
Соединения Кельвина, также известные как соединения «сила и чувство», являются удобным способом устранения влияния падения напряжения на проводах в цепях.
Хотя на схеме размещение соединения на контактной площадке резистора или в какой-либо произвольной точке может выглядеть одинаково, фактическая трасса имеет индуктивность и сопротивление и может привести к сбоям в измерениях, если не использовать соединение Кельвина.
#5 Проблема с отоплением
1. Тепловая компоновка
Существует три основных аспекта тепловыделения в печатных платах:
- тепло, отводимое через пластины компонентов;
- тепло самой печатной платы;
- тепло от других частей.
Размещение дополнительного слоя меди вокруг компонентов поверхностного монтажа обеспечивает дополнительную площадь поверхности для более эффективного отвода тепла. В некоторых технических паспортах компонентов (особенно силовых диодов, силовых MOSFET или стабилизаторов напряжения) приведены рекомендации по использованию поверхности печатной платы в качестве радиатора.
2. Термические перемычки и термическое разгружение
Переходные отверстия могут использоваться для передачи тепла с одной стороны печатной платы на другую. Это особенно полезно, когда печатная плата установлена на радиаторе на шасси, который может дополнительно рассеивать тепло. Большие переходные отверстия передают тепло более эффективно, чем маленькие. Многие переходные отверстия передают тепло более эффективно, чем одно, и снижают рабочую температуру компонента. Более низкие рабочие температуры помогают повысить надежность.
Тепловое распределение уменьшает соединения между дорожками или набивкой и контактами компонентов, чтобы упростить процесс пайки волной припоя. Это небольшое соединение является коротким, чтобы уменьшить влияние на сопротивление. Если не использовать радиаторы на контактах компонентов, компоненты могут быть более холодными, поскольку имеются лучшие тепловые соединения с дорожками или набивками, которые могут рассеивать тепло, но будет сложнее выполнять пайку и распайку.
#6 Проверьте макет по правилам дизайна
После завершения компоновки печатной платы важно провести проверку на соответствие электрическим правилам (ERC) и правилам проектирования (DRC), чтобы убедиться, что все установленные ограничения соблюдены. Они упрощают задание ширины зазоров, ширины дорожек, общих производственных требований, требований к высокоскоростной электронике и других физических требований для конкретного применения.
Проверка DRC — это программа в составе программного обеспечения EDA, которая отвечает за проверку проекта на соответствие правилам, определенным в программном обеспечении. Это последний шанс обнаружить проблемы в проекте до начала производственного процесса.
Ошибки в компоновке печатных плат, которых следует избегать
Существует множество типичных ошибок, которые люди допускают при разработке схем печатных плат. Однако, если вы их избежите, у вас будет гораздо больше шансов создать макет, который соответствует отраслевым стандартам, прост в сборке и имеет низкую вероятность выхода из строя. Давайте рассмотрим наиболее распространенные ошибки, которые люди допускают при разработке макета печатной платы.
— Пересечение трассировок — Одна из самых больших ошибок, которую люди допускают при проектировании макета печатной платы, — это пересечение трассировок. Этого следует избегать любой ценой. Если вы создадите трассировку, которая пересекает другую трассировку, это приведет к короткому замыканию.
— Слишком длинные трассировки — Также следует избегать создания трассировок, которые намного длиннее, чем необходимо. Это снизит эффективность вашей схемы и может вызвать проблемы, если трассировка будет слишком длинной.
— Короткие распределенные трассировки — Еще одна ошибка, которую допускают люди, — это создание большого количества коротких трассировок, соединенных друг с другом таким образом, что образуется «остров». Это неэффективно и может вызвать проблемы.
— Отсутствие заземления — Также необходимо убедиться, что в вашем проекте правильно размещено заземление. Это включает в себя проверку того, что все сети подключены к заземляющей плоскости.
— Слишком много плоскостей питания — еще одна распространенная ошибка — создание слишком большого количества плоскостей питания. Это особенно часто встречается в высокопроизводительных проектах. Однако большее количество плоскостей питания увеличит ваши затраты и сложность.
Инструменты для разработки печатных плат
Как видите, создание успешной компоновки печатной платы — сложная задача. Необходимо учитывать множество различных факторов и уметь решать самые разные проблемы. Кроме того, вам понадобятся несколько различных инструментов. Вот некоторые из самых важных.
— Схема — Схема вашей цепи определяет, как будет выглядеть макет печатной платы. Если вы ошибетесь в схеме, вы ошибетесь в макете печатной платы. При создании схемы нужно быть осторожным. Чем сложнее схема, тем сложнее создать правильную схему.
— Система CAD — это процесс проектирования печатных плат. Контур печатной платы выкладывается в соответствии с требованиями. Для обозначения различных компонентов на плате используются различные символы. Затем контур платы преобразуется в файл автоматизированного производства (CAM). Программное обеспечение автоматизированного проектирования (CAD), используемое для этой цели, имеет возможность импортировать и экспортировать файлы CAM.
Заключение
Создание эффективной схемы печатной платы — сложная и трудоемкая задача. Если не быть внимательным, можно допустить много ошибок и потратить много времени. Однако, следуя этим рекомендациям по компоновке печатных плат, вы сможете создать надежный дизайн, который будет прост в сборке и будет иметь низкую вероятность выхода из строя.
Часто задаваемые вопросы
- Согласование импеданса сигнальных линий;
- Пространственная изоляция от других сигнальных линий;
- Для цифровых высокочастотных сигналов лучше подходят дифференциальные линии.
Нет, развязывающие конденсаторы необходимо добавить с соответствующими значениями в соответствующих местах. И необходимо использовать разные значения емкости для фильтрации ложных сигналов разных частот.
Слепые переходные отверстия могут увеличить плотность многослойных плат, уменьшить количество слоев и размер платы, а также значительно сократить количество металлизированных сквозных отверстий.
Однако, по сравнению с ними, сквозные отверстия проще реализовать с технологической точки зрения и имеют более низкую стоимость, поэтому в конструкциях обычно используются сквозные отверстия.
Аналоговые и цифровые схемы должны быть размещены в отдельных зонах, чтобы они не влияли друг на друга.
При размещении многослойной платы убедитесь, что нет плавающих плоскостей заземления или питания, поскольку плоскости питания и заземления находятся на внутреннем слое.
Кроме того, убедитесь, что переходные отверстия, пробитые до заземления, действительно подключены к плоскости заземления, чтобы можно было добавить некоторые тестовые точки для некоторых важных сигналов, что удобно для измерения во время отладки.
