Technologie rozložení PCB. rozložení PCB

1. Obecná ustanovení

Aby se předešlo problémům s elektrostatikou a hlukem, je třeba při pokládání desky plošných spojů dodržovat určitá pravidla. Nejkritičtějším bodem je výstup C, protože je připojen k vestavěnému 3,3V napájení jádra MCU. Proto by měl být filtrační kondenzátor umístěn co nejblíže ke svorce.

Měli byste také pečlivě zvážit zapojení silových a zemních obvodů. Jídla jsou vyšlechtěna "hvězdou". Doporučujeme umístit vrstvu zeminy na montážní stranu přímo pod těleso MK. Linky Vcc a Vss by měly mít pouze jeden spojovací bod ke zbytku obvodu, aby se zabránilo rušení do az MCU. Filtrační kondenzátory (DeCaps) by měly být umístěny co nejblíže k příslušným svorkám. Pokud jsou odstraněny příliš daleko, přestávají plnit svou funkci.

Při použití křemenných rezonátorů by měly být umístěny v minimální vzdálenosti od vodičů Xn(A).

Pokud je to možné, filtrační kondenzátory by měly být pokud možno umístěny na montážní straně MK.

2 Elektrické vedení

Autobusy Vcc a Vss je třeba chovat ne v sériovém řetězci, ale ve „hvězdě“. Pro Vss se doporučuje použít zemní polygon pod tělesem MK spojený v jednom bodě se zbytkem obvodu.

Níže jsou uvedeny dva příklady špatného a dobrého elektrického zapojení.

3 Filtrační výstup C

4 Filtrování silových obvodů

Filtrační kondenzátory (DeCaps) pro silové obvody musí být umístěny v cestě silových proudů, jinak jejich použití nemá smysl. Následující obrázek vysvětluje toto tvrzení:

5 Umístění křemenného rezonátoru a zapojení signálních obvodů

Křemen by měl být umístěn co nejblíže MK. Kondenzátory oscilátoru tedy budou umístěny "za" křemenem.

6 Další dokumentace

Další další detailní informace obsažené v aplikační poznámce 16bit-EMC-Guideline.

7 Seznam závěrů MK

V tabulce jsou uvedeny závěry MC, kritické pro elektromagnetické interakce a stručné informace o jejich zapojení.

* - nemusí být přítomen v konkrétním MC

Malá tajemství směrovacích desek s operačními a přístrojovými zesilovači

• Internet věcí,
• zvuk,
• Elektronika pro začátečníky

• tutorial

Při navrhování desek
Nic není tak levné
A ne tak vysoce ceněný
Jako správná stopa.

V době internetu věcí a dostupnosti výroby desek plošných spojů, a to nejen technologií LUT, se jejich návrhem často zabývají lidé, jejichž celá činnost souvisí s digitální technologií.

I při směrování jednoduché digitální desky existují nevyslovená pravidla, kterými se ve svých projektech vždy řídím, a v případě vývoje měřicí zařízení u digitálně-analogových částí obvodů je to nutnost.

V tomto článku chci nalákat začínající designéry na řadu elementárních triků, které by měly být dodrženy, aby bylo dosaženo stabilního pracovního obvodu a snížení chyby měření nebo minimalizace faktoru zkreslení zvukové cesty. Pro přehlednost jsou informace uvedeny ve formě úvah o dvou příkladech.

Příklad číslo dvě. Trasování jednoduchého obvodu operačního zesilovače

Rýže. 2. Dvě možnosti pro sledování desky zesilovače na operačním zesilovači

Malý offtopic, který přímo nesouvisí s tématem dnešního článku

Důrazně vám doporučuji použít stejnou techniku ​​při napájení jiných typů mikroobvodů, zejména ADC, DAC a četných napájecích kolíků mikrokontroléru. Pokud používáte vestavěné moduly analogových mikrokontrolérů - ADC, DAC, komparátory, zdroje referenčního napětí, nebuďte líní podívat se do datasheetu a jaké blokovací kondenzátory v jakém množství a kam umístit. Oddělovací obvod v podobě filtru nebo alespoň odporu mezi hlavním digitálním napájením mikrokontroléru a analogovým nebude rušit. Analogové uzemnění je nejlépe umístit jako samostatnou polygonovou nebo stínící vrstvu a připojit k hlavnímu uzemnění v jednom bodě, v některých případech je užitečné přes filtr

Přejděme k vážnějšímu a zajímavějšímu případu z oblasti měření, kde může být trasování nesmírně důležité.

Příklad číslo jedna. Průběh sledování spotřeby proudu na přístrojovém zesilovači

Rýže. 3. Obvod monitoru proudu využívající instrumentální operační zesilovač

Na obrázku je schéma měřiče aktuální spotřeby. Měřícím prvkem je odpor bočníku, který je součástí silového obvodu. Zátěž, na které se měří proud - R zatížení. Naměřené napětí se odebírá z odporu R bočník a filtrován pomocí symetrického obvodu na prvcích R1, R2, C1-C3. Čip U2 slouží k napájení referenčního napětí. R4, C5 - výstupní filtr.

Při trasování samozřejmě musíte dodržovat všechna doporučení, která byla uvedena výše.

Rýže. 4. Dvě možnosti pro směrování desky zesilovače na instrumentálním operačním zesilovači

Pojďme analyzovat nedostatky, které má levé schéma:

• Jelikož máme diferenciální vstup, je nutné jeho dva signálové obvody udělat co nejvíce symetrické. Vodiče signálního vedení musí být stejně dlouhé a blízko sebe. Ideálně ve stejné vzdálenosti od sebe;
• IC opakovače referenčního zdroje by měl být umístěn co nejblíže referenčnímu napěťovému vstupu přístrojového zesilovače.

V této části uvažujeme, jak se vyhnout zkreslení digitálního signálu spojeného s jeho přenosem po vodiči na desce plošných spojů. I když je to primárně úkol pro obvodního inženýra, konstruktér DPS také často nese vinu za problémy se signalizací na desce a také za rušení a přeslechy, ke kterým na desce dochází.

Proč je signál při přenosu zkreslený?
Za prvé, zkreslení jsou charakteristická pro vysokofrekvenční signály s frekvencí 1 GHz nebo více. To je způsobeno efekty rezonancí a odrazů na jednotlivých segmentech vodičů, prokovech, rozvětvení na desce a také na vstupech přijímačů. Problémem však je, že signály s frekvencemi do 500 MHz, které jsou typické pro standardní digitální obvody, jak uvidíme dále, mohou být často značně zkreslené, což znamená, že je lze zařadit i mezi vysokofrekvenční.

Jaká je myšlenka přenosu bez zkreslení?
Princip přenosu signálu bez zkreslení spočívá v tom, že vodič je vyroben jako přenosové vedení (neboli "dlouhé vedení") s danou charakteristickou (vlnovou) impedancí, tzn. impedance Z 0 , stejná v celém rozsahu od zdroje k přijímači signálu, což zajišťuje rovnoměrnost vedení. Druhým požadavkem je soulad vedení se zdrojem a přijímačem signálu. Na rozdíl od běžného vodiče nevede takové přenosové vedení k rezonanci, zkreslení a odrazům při přenosu signálu, ať už je jakkoli dlouhý. Přenosové linky lze snadno realizovat na desce plošných spojů použitím materiálů se známými parametry a poskytnutím požadovaných rozměrů prvků tištěného vzoru. Rozlišuje se sériové a paralelní přizpůsobení linek a je nutné použít určité zakončovací odpory na výstupu zdroje a/nebo vstupu přijímače signálu. Přenosové linky vytvořené na desce lze samozřejmě prodloužit mimo desku pomocí konektorů a kabelů s řízenou impedancí Z 0 .

Pro jaké signály se zkreslení stává významným?
Porovnáním délky vodiče na desce s vlnovou délkou nejvyšší frekvenční složky přenášeného signálu (při šíření např. v materiálu FR4) lze určit tzv. elektrickou délku vodiče. Elektrická délka může být vyjádřena ve zlomcích minimální vlnové délky nebo ve zlomcích její reciproční doby trvání fronty. Pokud má vodič příliš velkou elektrickou délku, pak aby se zabránilo nadměrnému zkreslení signálu, musí být tento vodič vyroben jako přenosové vedení. Všimněte si, že při přenosu vysokofrekvenčních signálů by se přenosové linky měly používat nejen ke snížení zkreslení, ale také ke snížení úrovně elektromagnetického záření (EMR).

Pravidlo polovičního vzestupu
Hrubým pravidlem je, že vodič je „elektricky dlouhý“ (co se v elektrotechnice nazývá "dlouhá čára") pokud doba náběhu signálu od zdroje k nejvzdálenějšímu přijímači překročí polovinu doby náběhu signálu. Právě v tomto případě mohou odrazy ve vedení výrazně zkreslit přední stranu signálu. Předpokládejme, že zařízení má čipy s dobou náběhu 2 ns (například podle dokumentace k řadě FastTTL). Dielektrická konstanta materiálu DPS (FR4) zapnuta vysoké frekvence blízko 4,0, což dává přední rychlost asi 50 % rychlosti světla, neboli 1,5,10 8 m/s. To odpovídá přední době šíření 6,7 ps/mm. Při této rychlosti urazí předek asi 300 mm za 2 ns. Z toho můžeme usoudit, že pro takové signály by se „přenosové vedení“ mělo používat pouze v případě, že délka vodiče přesahuje polovinu této vzdálenosti – tedy 150 mm.

Bohužel je to špatná odpověď. Pravidlo polovičního stoupání je příliš zjednodušené a může vést k problémům, pokud se neberou v úvahu jeho nedostatky.

Problémy zjednodušeného přístupu
Údaje o době náběhu uvedené v dokumentaci k mikroobvodům odpovídají maximální hodnota a často reálný čas spínání je výrazně méně (řekněme, že to může být 3-4krát méně než "maximum" a jen stěží lze zaručit, že se nebude měnit od dávky k dávce mikroobvodů). Nevyhnutelná složka kapacitního zatížení (ze vstupů mikroobvodů připojených k lince) navíc snižuje rychlost šíření signálu ve srovnání s vypočítanou rychlostí dosažitelnou na prázdné desce s plošnými spoji. Proto, aby se dosáhlo adekvátní integrity přenášeného signálu, přenosové linky by měly být použity pro mnohem kratší vodiče, než navrhuje dříve popsané pravidlo. Lze prokázat, že pro signály s dobou náběhu (podle dokumentace) 2 ns je vhodné použít přenosové vedení již pro vodiče, jejichž délka přesahuje pouze 30 mm (a někdy i méně)! To platí zejména pro signály, které nesou funkci synchronizace nebo hradlování. Právě pro takové signály jsou typické problémy spojené s „falešně pozitivním“, „přepočtem“, „fixací nesprávných údajů“ a dalšími.

Jak navrhnout přenosová vedení?
Existuje mnoho publikací věnovaných tomu, jaké typy přenosových linek mohou být, jak je navrhnout na desce s plošnými spoji, jak zkontrolovat jejich parametry. Podrobný návod k tomu poskytuje zejména IEC 1188-1-2: 1988. Existuje také mnoho softwarových produktů, které umožňují vybrat si design přenosové linky a strukturu desky plošných spojů. Většina moderní systémy Nástroje pro návrh PCB jsou dodávány s vestavěnými programy, které umožňují konstruktérovi navrhovat přenosová vedení s danými parametry. Jako příklad můžeme jmenovat programy jako AppCAD, CITS25, TXLine. Většina plné možnosti poskytovat softwarové produkty od Polar Instruments.

Příklady přenosových vedení
Jako příklad zvažte nejjednodušší typy přenosových vedení.

Jak nejlépe navrhnout přenosové vedení?
Signály nejvyšší rychlosti (nebo nejkritičtější) by měly být ve vrstvách sousedících s půdorysem (GND), nejlépe v té, která je spárována s plánem oddělovacího napájení. Méně kritické signály mohou být směrovány do energetických plánů, pokud jsou tyto plány adekvátně odděleny a nejsou příliš hlučné. Každý takový plán napájení musí být spojen s mikroobvodem, ze kterého nebo do kterého je tento signál přijímán. Nejlepší odolnost proti šumu a EMC je zajištěna páskovými vedeními vedenými mezi dvěma plány GND, z nichž každý je spárován s vlastním plánem oddělovacího napájení.
Přenosové vedení nesmí mít díry, zlomy nebo trhliny v žádném ze základních plánů, proti kterým je nakresleno, protože to vede k významným změnám v Z 0 . Kromě toho by pásová čára měla být co nejdále od jakýchkoli mezer v plánu nebo od okraje referenčního plánu a daná vzdálenost nesmí být menší než desetinásobek šířky vodiče. Sousední přenosová vedení musí být oddělena alespoň třemi šířkami vodičů, aby se eliminovaly přeslechy. Velmi kritické nebo "agresivní" signály (jako je komunikace s rádiovou anténou) mohou těžit z EMC použitím vyváženého vedení se dvěma řadami těsně rozmístěných prokovů, jako by je blokovaly od ostatních vodičů a vytvořily koaxiální strukturu na desce s plošnými spoji. . Pro takové struktury se však Z 0 vypočítává pomocí jiných vzorců.

Jak lze projekt zlevnit?
Výše popsané typy přenosových vedení téměř vždy vyžadují použití vícevrstvé desky, takže nemusí být použitelné pro vytváření sériově vyráběných produktů nižší třídy. cenová kategorie(I když při vyšších objemech jsou 4vrstvé DPS jen o 20-30% dražší než oboustranné DPS). Pro nízkonákladové návrhy se však používají také typy čar, jako jsou vyvážené (jednotné) nebo koplanární, které lze zkonstruovat na jednovrstvé desce. Je třeba mít na paměti, že jednovrstvé typy přenosových vedení zabírají na desce několikanásobně větší plochu než mikropáskové a páskové vedení. Navíc díky úspoře nákladů na plošný spoj budete nuceni zaplatit více za dodatečné stínění zařízení a filtraci šumu. Existuje obecné pravidlo, že řešení problému EMC na úrovni pouzdra stojí 10 až 100krát více než řešení stejného problému na úrovni PCB.
Proto, když snižujete svůj vývojový rozpočet snížením počtu vrstev PCB, buďte připraveni vynaložit více času a peněz na více iterací objednávání vzorových desek, abyste dosáhli požadované úrovně integrity signálu a EMC.

Jak oslabit negativní efekt střídání vrstev?
Podle typických pravidel zapojení je v blízkosti každého mikroobvodu alespoň jeden oddělovací kondenzátor, abychom mohli vyměnit vrstvu v blízkosti mikroobvodu. Měla by se však vzít v úvahu celková délka segmentů, které se nenacházejí ve vrstvě „pásu“. Hrubým pravidlem je, že celková elektrická délka těchto segmentů by neměla přesáhnout jednu osminu doby náběhu. Pokud na některém z těchto segmentů může dojít k příliš velké změně Z 0 (například při použití patic ZIF nebo jiných typů patic IC), je lepší snažit se tuto délku minimalizovat na jednu desetinu doby náběhu. Pomocí výše uvedeného pravidla určete maximální povolenou celkovou délku nenormalizovaných segmentů a snažte se ji udržet co nejmenší v rámci těchto limitů.
Na základě toho musíme u signálů s předstihem (dle dokumentace) 2 ns měnit vrstvu nejdále 10 mm od středu mikroobvodu nebo od středu zakončovacího odporu. Toto pravidlo je vyvinuto s ohledem na 4násobnou rezervu na skutečnost, že skutečná doba sepnutí může být výrazně menší než maximální podle dokumentace. Přibližně ve stejné vzdálenosti (ne více) od místa změny vrstvy musí být alespoň jeden oddělovací kondenzátor spojující příslušné zemnící a napájecí plány. Při použití mikroobvodů je obtížné dosáhnout tak malých vzdáleností. velká velikost, proto se v uspořádání moderních vysokorychlostních okruhů nelze vyhnout kompromisům. Toto pravidlo však ospravedlňuje preferenci malých čipů ve vysokorychlostních obvodech a vysvětluje skutečnost rychlého rozvoje technologií BGA a flip-chip, které minimalizují cestu signálu od vodiče na desce k čipu.

Modelování a testování prototypů
Vzhledem k přítomnosti mnoha možností pro mikroobvody a další více jejich aplikace mohou někteří inženýři považovat tato základní pravidla za nedostatečně přesná a někteří je mohou považovat za přehnaná, ale taková je role „pravidel palce“ - je to jen hrubé přiblížení, které vám umožní intuitivně navrhnout správně fungující zařízení .
V dnešní době jsou nástroje pro počítačové modelování stále dostupnější a pokročilejší. Umožňují vypočítat parametry integrity signálu, EMC, v závislosti na skutečné struktuře vrstev a signálového zapojení. Jejich aplikace samozřejmě poskytne přesnější výsledky než použití našich hrubých aproximací, proto doporučujeme co nejúplněji využívat počítačové simulace. Nezapomeňte však, že skutečná doba sepnutí mikroobvodů může být výrazně kratší, než je uvedeno v dokumentaci, a to může vést k nesprávným výsledkům, proto se ujistěte, že model výstupního a vstupního stupně odpovídá skutečnosti.
Dalším krokem je kontrola průchodu kritického signálu na prvním "prototypovém" vzorku PCB pomocí vysokofrekvenčního osciloskopu. Je třeba dbát na to, aby tvar vlny nebyl zkreslený, když se pohybuje podél PCB po celé délce vodiče, a samotné dodržování výše uvedených pravidel pravděpodobně nepovede napoprvé vynikající výsledky, i když mohou být docela dobré. Použití RF analyzátoru elektromagnetického pole nebo analyzátoru emisního spektra může být dalším způsobem, jak studovat integritu signálu a problémy EMC na úrovni "prototypu" PCB. Metody takové analýzy nejsou předmětem tohoto článku.
I když používáte komplexní simulaci obvodů, nezanedbávejte testování integrity signálu a EMC na prvních prototypech PCB.

Zajištění vlnové impedance ve fázi výroby DPS
Typický materiál FR4 určený pro výrobu desek plošných spojů má hodnotu dielektrické konstanty (Er) asi 3,8...4,2 při 1 GHz. Skutečné hodnoty Er se mohou lišit v rozmezí ±25 %. Existují dodavatelem specifikované a garantované materiály FR4, které nejsou o mnoho dražší než konvenční materiály, ale výrobci desek plošných spojů nemusí používat „hodnocené“ třídy FR4, pokud to není výslovně uvedeno v objednávce desek plošných spojů.
Výrobci DPS pracují s dielektriky standardních tlouštěk („prepregy“ a „lamináty“) a jejich tloušťku v každé vrstvě je nutné určit před uvedením desky do výroby s ohledem na tolerance tloušťky (asi ± 10 %). Pro zajištění daného Z 0 pro určitou tloušťku dielektrika můžete zvolit vhodnou šířku vodiče. U některých výrobců je nutné uvést skutečnou požadovanou šířku vodiče, u jiných - s rezervou pro podříznutí, která může dosáhnout 25-50 mikronů vzhledem ke jmenovité šířce. Nejlepší možností je sdělit výrobci, jaká šířka vodiče ve kterých vrstvách je navržena pro zajištění stanovené Z 0 . V tomto případě může výrobce upravit šířku vodiče a strukturu vrstev tak, aby poskytovaly specifikované parametry v souladu s jeho výrobní technologií. Kromě toho výrobce měří skutečnou vlnovou impedanci na každém továrním polotovaru a vyřazuje desky, na kterých Z 0 nespadá do tolerance ±10 % nebo přesněji.
Pro signály nad 1 GHz může být nutné použít více vysokofrekvenční materiály, S lepší stabilitu a další dielektrické parametry (jako Duroid od Rogers atd.).

Literatura
1. Design Techniques for EMC & Signal Integrity, Eur Ing Keith Armstrong.
2. IEC 61188-1-2: 1998 Printed Boards and Printed Board Assembles - Design and use. Část 1-2: Obecné požadavky - Řízená impedance, www.iec.ch.
3. Návrh vícevrstvých desek plošných spojů vysoké složitosti. Seminář Technologie PCB, 2006.
4. http://library.espec.ws/books/chooseant/CHAPTER6/6-1.htm
5. Návrh hardwaru. Walt Kester.

Definice:

Elektromagnetická kompatibilita, EMC (elektromagnetická kompatibilita, EMC): schopnost v procesu fungování nepřispívat nepřiměřeně životnímu prostředí elektromagnetická radiace. Když je tato podmínka splněna, všechny elektronické komponenty spolupracují správně.

Elektromagnetické rušení, EMI (elektromagnetické rušení, EMI): Elektromagnetická energie vyzařovaná jedním zařízením, která může způsobit snížení výkonu jiného zařízení.

Elektromagnetická imunita, EMPU (elektromagnetická imunita, nebo náchylnost, EMS): tolerance (odolnost) vůči účinkům elektromagnetické energie.

EMC design: 4 hlavní pravidla

Problém s pravidly: Čím více pravidel máte, tím těžší je všechna dodržovat. Priorita jejich implementace je různá.

Řekněme, že při vytváření vícevrstvé desky plošných spojů potřebujete směrovat vysokofrekvenční signál z analogové součástky do digitální. Přirozeně chcete minimalizovat možnost problému s elektromagnetickou kompatibilitou (EMC). Při hledání na internetu najdete tři doporučení, která se zdají být relevantní pro vaši situaci:

1. Minimalizujte délky vysokofrekvenčních sběrnic
2. Oddělte napájecí a zemnící kolejnice mezi analogovou a digitální částí obvodu
3. Nepřerušujte uzemněné polygony vysokofrekvenčními vodiči

Vaše vize tří možnosti zapojení je na obr.1.

V prvním případě jsou stopy vedeny přímo mezi dvěma komponentami a polygon země zůstává pevný. Ve druhém případě se v mnohoúhelníku vytvoří mezera a stopy procházejí touto mezerou. Ve třetím případě jsou stopy položeny podél mezery v polygonu.

V každém z těchto tří případů je porušeno jedno z výše uvedených pravidel. Jsou tyto alternativní případy stejně dobré, protože splňují dvě ze tří pravidel? Jsou všichni špatní, protože každý z nich porušuje alespoň jedno pravidlo?

To jsou otázky, kterým návrháři PCB čelí každý den. Volba správné nebo špatné strategie zapojení může vést k tomu, že deska buď splní všechny požadavky EMC, nebo bude mít problémy s externími signály. V tomto případě by měla být volba jasná, ale k tomu se vrátíme později.

Problémy se snižují upřednostňováním doporučení. Návrhová doporučení jsou užitečná, pokud jsou dobře srozumitelná a tvoří součást kompletní strategie. Jakmile se návrháři naučí upřednostňovat doporučení a pochopí, jak by se tato doporučení měla používat, mohou navrhnout dobré desky plošných spojů.

Níže jsou uvedena čtyři hlavní pravidla EMC založená na společné rysy elektronické výrobky. V mnoha případech návrháři plošných spojů záměrně porušují jedno z těchto pravidel ve snaze splnit důležitější.

Pravidlo 1: Minimalizujte dráhu proudu signálu

Toto jednoduché pravidlo se objevuje téměř v každém seznamu doporučení EMC, ale často je buď ignorováno nebo zlehčováno ve prospěch jiných doporučení.

Konstruktér DPS často ani nepřemýšlí o tom, kudy tečou signálové proudy a raději přemýšlí o signálech z hlediska napětí, místo aby přemýšlel o proudu.

Každý návrhář PCB by měl znát dva axiomy:

- signální proudy se vždy vracejí ke svému zdroji, tzn. aktuální cesta je smyčka
- signálové proudy vždy používají cestu s nejnižší impedancí

Při frekvencích několika megahertzů a vyšších je relativně snadné určit cestu signálu, protože cesta s nejnižší impedancí je obecně cesta s nejnižší indukčností. Na Obr. 2 znázorňuje dvě součástky na desce s plošnými spoji. Signál 50 MHz se šíří podél vodiče přes polygon ze složky A do složky B.



Víme, že signál o stejné velikosti se musí šířit zpět ze složky B do složky A. Předpokládejme, že tento proud (říkejme mu zpětný) teče ze svorky součásti B, označené GND, na svorku součásti A, také označené GND. .

Protože je zajištěna kontinuita polygonu a piny označené jako GND obou komponent jsou umístěny blízko sebe, vede to k závěru, že proud mezi nimi povede nejkratší cestou (cesta 1). To však není správné. Vysokofrekvenční proudy procházejí cestou nejmenší indukčnosti (nebo cestou s nejmenší plochou smyčky, cestou nejmenšího otočení). Většina zpětného proudu signálu protéká polygonem v úzké dráze přímo pod trasou signálu (cesta 2).

Pokud byl mnohoúhelník vytvořen z jakéhokoli důvodu se zářezem, jak je znázorněno na obrázku 3, pak zářez 1 bude mít malý vliv na integritu a vyzařování signálu. Další zářez 2 může vést k významným problémům; je v rozporu s doporučením 2. Oblast smyčky se výrazně zvětšuje; zpětné proudy jsou tak intenzivní, že proudí podél hranice diskontinuity.



Při nízkých frekvencích (obecně kHz a níže) bývá cesta s nejmenší impedancí cesta s nejnižší frekvencí signálu. U desky s plošnými spoji s pevnými polygony zpětného proudu má odpor polygonů tendenci rozptylovat proud, takže proud tekoucí mezi dvěma vzdálenými body se může šířit po větší ploše desky, jak je znázorněno na obrázku 4.



Na desce se smíšeným signálem s nízkofrekvenčními analogovými a digitálními komponenty to může být problém. Obrázek 5 ilustruje, jak dobře umístěná diskontinuita v zemní ploše může napravit situaci zachycením nízkofrekvenčních zpětných proudů protékajících zemí v určené oblasti.



Pravidlo 2: Nevybuchujte polygon zpětného signálu

To je správně. Právě jsme vám ukázali vynikající příklad v situaci, kdy přerušení proudové cesty zpětného signálu bylo správným rozhodnutím. Jako typičtí inženýři EMC vám však doporučujeme, abyste to nikdy nedělali. Proč? Protože mnoho vývojů, se kterými jsme se setkali od dobře srozumitelných lidí, bylo výsledkem neúmyslného porušení pravidla 1 a vytvoření mezer v návratových polygonech. Navíc byla mezera často neúčinná a zbytečná.

Jedním z návrhů je, že zpětný proud analogového signálu by měl být vždy izolován od zpětného proudu digitálního signálu. Tato myšlenka vznikla, když analogové a digitální obvody pracovaly na kilohertzových frekvencích. Například desky používané pro digitální audio měly často problémy se šumem kvůli účinku nízkofrekvenčních digitálních signálových proudů šířících se pod oblastí desky, kde byly umístěny citlivé analogové zesilovače. Před časem se audio designéři snažili tomuto problému vyhnout tím, že oddělili polygony zpětného proudu pro řízení zpětných cest a odstranili analogové proudové obvody od digitálních.

Naši studenti mají za úkol vyřešit konstrukční problém, který vyžaduje ochranu citlivých analogových součástek (obvykle audio zesilovače nebo oscilátory s fázovým závěsem) před digitální částí obvodu rozdělením polygonu zpětného proudu signálu tak, aby nízkofrekvenční proudy byly izolovány a vysokofrekvenční proudy netvoří rušení. Obvykle není zřejmé, jak to lze provést, a mezery v polygonech často vytvářejí více problémů, než řeší.

Podobná situace nastává při kabeláži pneumatik pro automobilová nebo letecká radioelektronická zařízení. V takovém zařízení jsou zpětné proudy digitálních obvodů často izolovány od společného krytu, aby se digitální obvody chránily před poškozením vysokými nízkofrekvenčními proudy, které mohou protékat kovovou konstrukcí vozidla. Filtrace elektromagnetické rušení a přechodová ochrana typicky vyžaduje spojení s rámcem, zatímco signál musí být přenášen relativně k digitální sběrnici zpětného signálu.

Když obvod pouzdra a polygony digitálního zpětného proudu sdílejí stejnou sběrnici, jeví se jako jeden nesouvislý polygon. To někdy vytváří zmatek ohledně toho, ke kterému uzemnění by měl být jednotlivý komponent připojen. V této situaci je obvykle dobré zapojit sběrnici šasi a digitální návrat na samostatné sběrnice. Digitální návratový polygon musí být pevný a pokrývat oblast pod všemi digitálními součástmi, trasami a konektory. Připojení k šasi musí být omezeno na oblast desky poblíž konektorů.

Nepochybně existují situace, kdy je potřeba dobře umístěný zlom v cestě zpětného proudu. Nejspolehlivější metodou je však jeden plný polygon pro všechny proudy zpětného signálu. V případech, kdy samostatný nízkofrekvenční signál citlivý na snímání (schopný smíchání s jinými signály na desce), je použita stopa na samostatné vrstvě pro návrat tohoto proudu do zdroje. Obecně platí, že nikdy nerozdělujte ani nepřerušujte polygon zpětného signálu. Pokud jste stále přesvědčeni, že pro vyřešení problému s nízkofrekvenční izolací je nutný výřez v polygonu, poraďte se s odborníkem. Nespoléhejte na pokyny nebo aplikace pro návrh a zkuste implementovat obvod, který se osvědčil někomu jinému v podobném návrhu.

Nyní, když jsme obeznámeni se dvěma hlavními pravidly EMC, jsme připraveni znovu se vrátit k problému na obr. 1. Která z alternativ je nejlepší? První je jediný, který neporušuje pravidla. Pokud byla z nějakého důvodu (mimo přání projektanta) vyžadována mezera v zemním mnohoúhelníku, pak je přijatelnější třetí možnost zapojení. Trasování podél diskontinuity minimalizuje oblast signálové proudové smyčky.

Pravidlo 3: Neumisťujte vysokorychlostní obvody mezi konektory

Toto je jedna z nejvíce běžné problémy mezi návrhy desek, které jsme zkontrolovali a vyhodnotili v naší laboratoři. V jednoduché desky které neměly mít žádné poruchy podle všech požadavků EMC bez jakýchkoli dalších nákladů a úsilí, dobré stínění a filtrování byly zrušeny, protože toto jednoduché pravidlo bylo porušeno.

Proč je umístění konektoru tak důležité? Pod několika stovkami megahertzů je vlnová délka řádově metr nebo více. Vodiče na desce – možné antény – mají relativně krátké elektrické délky, a proto fungují neefektivně. Kabely nebo jiná zařízení připojená k desce však mohou být docela účinnými anténami.

Signální proudy protékající vodiči a vracející se pevnými polygony vytvářejí malé úbytky napětí mezi libovolnými dvěma body v polygonu. Tato napětí jsou úměrná proudu protékajícím polygonem. Když jsou všechny konektory umístěny na stejném okraji desky, je úbytek napětí zanedbatelný.

Avšak prvky vysokorychlostního obvodu umístěné mezi konektory mohou snadno vytvořit potenciálový rozdíl mezi konektory až několik milivoltů nebo více. Tato napětí mohou do připojených kabelů indukovat budicí proudy a tím zvýšit jejich vyzařování.

Deska, která vše řídí technické požadavky, když jsou konektory umístěny na jedné hraně, může být pro EMC inženýra noční můrou, pokud je i jeden konektor s připojeným kabelem umístěn na opačné straně desky. Výrobky, které vykazují tento typ problému (kabely přenášející napětí indukované pevnou zemí), je obzvláště obtížné opravit. Často to vyžaduje docela dobrý screening. V mnoha případech by toto stínění nebylo vůbec potřeba, pokud by byly konektory umístěny na jedné straně nebo v rohu desky.

Pravidlo 4. Doba přechodu řídicího signálu

Deska běží dál hodinová frekvence 100 MHz by nikdy nemělo splňovat požadavky pro provoz na 2 GHz. Dobře tvarovaný digitální signál bude mít velký výkon v nižších harmonických a ne tolik výkonu ve vyšších. Řízením doby přechodu signálu je možné řídit výkon signálu při vyšších harmonických, což je výhodné pro EMC. Příliš dlouhé doby přechodu mohou vést k problémům s integritou signálu a tepelnými problémy. V procesu vývoje a návrhu je třeba dosáhnout kompromisu mezi těmito konkurenčními předpoklady. Doba přechodu přibližně 20 % periody signálu má za následek přijatelný tvar vlny, což snižuje problémy způsobené přeslechy a zářením. V závislosti na aplikaci může být doba přechodu více nebo méně než 20 % periody signálu; tato doba by však neměla být nekontrolovatelná.

Existují tři hlavní způsoby, jak změnit okraje digitálních signálů:
- použití digitálních mikroobvodů řady, jejichž rychlost odpovídá požadované rychlosti,
- umístění odporu nebo induktoru na ferit v sérii s výstupním signálem a
- umístění kondenzátoru paralelně s výstupním signálem

První způsob je často nejjednodušší a nejúčinnější. Použití rezistoru nebo feritu dává konstruktérovi větší kontrolu proces přechodu a má menší vliv na změny, ke kterým dochází v logických rodinách v průběhu času. Výhodou použití kondenzátoru pro ovládání je, že jej lze snadno vyjmout, když není potřeba. Je však třeba pamatovat na to, že kondenzátory zvyšují proud vf zdroje.

Všimněte si, že pokus o filtraci jednovodičového signálu v cestě zpětného proudu je vždy špatný nápad. Například nikdy nesměrujte nízkofrekvenční stopu přes mezeru ve zpětném polygonu ve snaze odfiltrovat vysokofrekvenční šum. Po zvážení prvních dvou pravidel by to mělo být zřejmé. V naší laboratoři však někdy najdeme desky využívající tuto nesprávnou strategii.

Obecně lze říci, že v procesu navrhování struktury a uspořádání desky je nutné upřednostňovat dodržování pravidel EMC. Tato pravidla by neměla být ohrožena, když se snažíte dodržovat jiná doporučení EMC. Existuje však několik dalších doporučení, která si zaslouží pozornost. Například je důležité zajistit odpovídající oddělení napájecí lišty, udržovat I/O vodiče krátké a zajistit filtrování výstupních signálů.

Je také dobré pečlivě vybírat aktivní zařízení. Ne všechny pinově kompatibilní polovodičové součástky jsou ekvivalentní z hlediska šumu. Dvě zařízení se stejnou specifikací, ale vyrobená různými výrobci, se mohou výrazně lišit v šumu, který produkují na vstupních, výstupních a napájecích pinech. To platí zejména pro vysoce integrované obvody, jako jsou mikroprocesory a velké aplikačně specifické integrované obvody (ASIC). Je dobré hodnotit komponenty od různých dodavatelů, kdykoli je to možné.

A nakonec se vraťte ke svému návrhu. I když jste zkušený návrhář desek plošných spojů a odborník na elektromagnetickou kompatibilitu, je dobré mít někoho, kdo se vyzná v analýze EMC a zná návrh desek plošných spojů. Nechte ho kriticky zhodnotit váš návrh.

Čí radě můžete věřit? Důvěřujte každému, jehož rady vám jednoznačně pomohou splnit čtyři hlavní pravidla. Trocha zvláštní pozornosti při navrhování může ušetřit spoustu času, peněz a úsilí, které by bylo zbytečné při snaze o to, aby nekompromisní produkt fungoval správně.

Překlad článku:
Dr. Todd Hubing, Dr. Tom Van Doren
Navrhování pro EMC: 4 NEJLEPŠÍ POKYNY
Návrh a výroba tištěných obvodů, červen 2003

Dr. Todd Huebing, vážený profesor elektrotechniky a počítačová věda, dvakrát oceněný cenou „Nejlepší sympoziální publikace“ Mezinárodního sympozia Institutu elektrotechnických a elektronických inženýrů.

Dr. Tom Van Doren, profesor elektrotechniky a počítačového inženýrství v Laboratoři elektromagnetické kompatibility na University of Missouri Roll.

Něco málo o "hrabání" při navrhování prken.
Nejtypičtější chyba v zapojení silových obvodů v mnoha provedeních: blokovací kapacity pro "+" a "-" napájecí zdroje operačního zesilovače jsou vrženy na zemní vrstvu daleko od sebe, to znamená obrysový proud spotřeby operačního zesilovače protéká zemní vrstvou. Tyto nádoby by měly být umístěny tak, aby vzdálenost mezi body jejich připevnění k podkladové vrstvě byla minimální. Vysokofrekvenční blokování - SMD kondenzátory velikosti 1206 se snadno vejdou pod pouzdro DIP-8 a s jistou zručností 1210. Samozřejmě by plocha výsledného obvodu proudění měla být také minimální, to je samozřejmé.

Rezistory v silových obvodech každého IC značně zjednodušují zapojení, protože. slouží jako propojky a umožňují přiblížení napájecích zdrojů "+" a "-", což je vysoce žádoucí pro snížení vyzařování signálů / výstupních proudů silovými obvody.

Existuje také elegantní (ale velmi pracná) metoda potlačení zemního hluku bez výslovného oddělení země, užitečná zejména při použití oboustranných desek - maximální zachování jedné vrstvy země na jedné straně (tj. ve skutečnosti jednovrstvé zapojení obvodu na druhé straně, s minimem "propojek"), důkladný rozbor obrysů toku napájecích proudů po této zemní ploše a nalezení ekvipotenciálních bodů, tzn. bodů, mezi nimiž potenciální rozdíl, když proudy protékají "zemí" v obvodech napájení / zátěže, zůstává blízko nule. Tyto body se používají jako závěry „signálního“ základu. Typ obrysů proudění lze v případě potřeby změnit zavedením dalších řezů nebo naopak vytvořením propojek v řezech zemní vrstvy, které vznikly v podmínkách zapojení.

Nejpodrobnější studium topologie / toku proudu atd. byla provedena při vytváření metod pro navrhování zařízení, která jsou odolná vůči EMP pulzu, ke kterému dochází při explozi jaderných zbraní nebo pulzních EMP generátorů. Publikace na toto téma jsou bohužel roztroušené a kromě toho jsou často ještě „pod razítkem“. Naskenoval jsem jeden z ilustrativních článků, ale nemohu ho sem připojit - byl vybrán limit počtu příloh.

O návrhu softwaru.
Ihned je třeba poznamenat, že někdy přímočarý přístup - "čím více vrstev - tím lépe" - u čistě analogových (a částečně i digitálních) obvodů "neválcuje". Příliš mnoho přispívajících faktorů.

Jedno/dvouvrstvé desky plošných spojů na getinacích/sklolaminátu bez pokovování otvorů jsou v současnosti dostačující pouze pro velmi jednoduchá zařízení ve velké (>>10000) sérii. Hlavní nevýhody jsou nízká spolehlivost v náročných provozních podmínkách (kvůli delaminaci kontaktních podložek / vodičů během mechanických vibrací a tepelných cyklů, souboru vlhkosti / toků skrz stěny otvorů), stejně jako složitost (a vysoká cena) kvalitní jakékoli vedení složitá schémata. Hustota montáže je nízká (obvykle ne více než 3...4 piny na čtvereční centimetr celkové plochy desky). Výhoda - extrémní jednoduchost a levnost ve výrobě (s velkými objemy a konstrukčními normami řádově 0,38 mm - méně než 0,3 $ / čtvereční dm) díky absenci pokovování a možnosti nahrazení vrtaných otvorů jejich děrováním.

Požadavky na zvýšení hustoty osazení při zachování spolehlivosti při výrobě BGA pouzder a přenosných zařízení vedly k vývoji technologie microvia, kdy kromě klasických (průchozích) prokov jsou na desce na jedné nebo obou stranách vytvořeny slepé otvory (obvykle laserem) - slepé otvory-přechody do podkladové vrstvy, pokovené v jednom cyklu s pokovením průchozích otvorů. Velikost styčné plochy pro takový přechod (0,2...0,3 mm) je mnohem menší než u průchozího otvoru, není narušeno vedení v dalších vrstvách. Kromě toho lze v některých případech mikrovia umístit na podložku SMD prvku bez rizika zanechání znatelné části pájky v otvoru kvůli jeho malé velikosti a hloubce (ne více než 0,1...0,15 mm) . To značně zvyšuje hustotu vedení, protože. Na podložky SMD prvků zpravidla nelze umístit konvenční prokovy. Mikrovia mohou být také vytvořeny ve vnitřních vrstvách, ale to je mnohem obtížnější a nákladnější na výrobu.

Pár slov o tloušťce mědi a povlaku desek. Hlavní část desek je vyrobena na materiálech o tloušťce fólie 35, 18 a 9 mikronů, přičemž při pokovování otvorů na vnějších vrstvách vzniká dalších 15-25 mikronů mědi (mělo by být ~ 20 mikronů v dírách). Desky s konstrukčními normami 0,127 nebo méně se obvykle vyrábějí na materiálu s tloušťkou fólie ~9 µm (čím tenčí fólie, tím menší deformace tvaru vzoru v důsledku bočního podříznutí vodičů). Nemá cenu se starat o "malou měděnou sekci", protože. tištěné vodiče, díky dobrému chlazení, umožňují mnohem vyšší proudové hustoty (~ 100 A / čtvereční mm) než montážní drát (3 ... 10 A / čtvereční mm). Konečná tloušťka ve vnějších vrstvách se v důsledku usazování mědi při pokovování otvorů přirozeně ukazuje větší než u původní fólie. Odpor plochých vodičů závisí na jejich geometrii z hlediska jednoduchý zákon: čtvercový odpor x počet čtverců. Odpor čtverce nezávisí na jeho absolutní velikosti, ale pouze na tloušťce a vodivosti materiálu. Tzn., že odpor vodiče o šířce 0,25 mm a délce 10 mm (tedy 40 čtverečků) je stejný jako u šířky 2,5 a délce 100. U 35mikronové měděné fólie je to cca. 0,0005 ohm/čtverec. Na průmyslových deskách, když jsou otvory pokoveny na fólii, vrstva navíc mědi, takže odpor čtverce klesne o dalších 20 procent oproti výše uvedenému. Cínování, i "tučné", má na odpor malý vliv, jeho účelem je zvýšit tepelnou kapacitu vodičů, aby se nespálily od krátkodobého nárazového proudu. Aplikací korekce fotomasky (tj. zavedení korekcí na podleptání) a anizotropního leptání se výrobcům daří zajistit výrobu desek s počáteční tloušťkou fólie až 30-40 % konstrukčních norem, tzn. při použití nejtlustší fólie 105 mikronů (a s přihlédnutím k nanášení mědi - někde kolem 125-130 mikronů), konstrukční normy mohou být od 0,3 ... 0,35 mm.

Významnějším omezením pro silové obvody je to, že přípustný proud procházející průchodem závisí hlavně na jeho průměru, protože tloušťka metalizace v něm je malá (15 ... 25 mikronů) a zpravidla nezávisí na tloušťka fólie.. Pro otvor o průměru 0,5 mm a tloušťce desky 1,5 mm je přípustný proud asi 0,4 A, pro 1 mm - asi 0,75 A. umístění v "šachovnicovém" nebo "voštinovém" pořadí - ve vrcholech mřížka šestiúhelníků. Duplikace prokovů také zvyšuje spolehlivost, proto se často používá v kritických obvodech (včetně signálových obvodů) při vývoji zařízení pro zvláště kritické aplikace (například systémy podpory života).

Povlaky deskových vodičů jsou izolační a/nebo ochranné. "Pájka" je ochranný izolační povlak, ve kterém jsou na podložkách vytvořena okna. Vodiče mohou být ponechány měděné, nebo pokryté vrstvou kovu, která je chrání před korozí (cín / pájka, nikl, zlato atd.). Každý typ krytí má své výhody a nevýhody. Povlaky jsou tenkovrstvé, zlomky mikronů (zpravidla chemické) a silnovrstvé (galvanické, cínování za tepla). Pájecí maska ​​se nejlépe nanáší na holou měď nebo tenkovrstvý nátěr, při nanášení na pocínované dráhy hůře drží a při pájení se objevuje kapilární efekt - únik pájky/trhání masky. Pozlacení je obou typů, chemické (tenké) i galvanické (vyžadující elektrické připojení vodičů např. na konektor). Ve velkovýrobě je také oblíbené krytí čistých měděných (nepocínovaných) podložek desek tavným lakem (organický nátěr). Volba typu nátěru závisí na technologii instalace a typu dílů. Pro ruční montáž (a automatickou montáž u dílů velikosti 0805 a větší) v naprosté většině případů nejlepší možnost- Pocínované polštářky (HASL) s měděnou maskou. Pro menší díly a automatickou montáž, pokud není požadavek na velmi malé netěsnosti na desce, je jednou z nejlepších možností chemické (ponorné) zlato (Flash Gold) nebo imerzní cín. Himzoloto je v normálním světě velmi levné, stejně jako horké pocínování, a zároveň poskytuje dokonale rovná sedadla pro prvky, bez pájecích hrbolků. Při výrobě desek plošných spojů v Ruské federaci je však často lepší objednat povlak nikoli ponorným zlatem, ale cínem - jeho řešení tolik nešetří. Při pájení desek s tenkými povlaky, včetně Flash Gold, musí být pájeny rychle a/nebo naplněny neutrálním tavidlem, aby se zabránilo oxidaci mědi přes póry povlaku, a při automatickém pájení je také žádoucí použít neutrální plynné médium ( dusík, freon).

Níže je nejsrozumitelnější (podle mého názoru) literatura o Tento problém, stejně jako ukázka mnou asi před 10 lety vyvinuté dvouvrstvé počítačové desky mikroprofilového měřiče (profilometru), ve které jsou bez fanatismu aplikována opatření zajištění kvality topologie jen částečně. I to se však ukázalo jako dostatečné k zajištění rozlišení několika atomů bez jakéhokoliv stínění, v pracovním PC svým rušením (a vlastní výkonovou částí - řízením komutátorového motoru) mnohonásobně překračující požadavky TOR (např. použité operační zesilovače jsou pouze TL084 / LM324). Přístroj se vyráběl donedávna a byl jediným profilometrem 1. třídy přesnosti v Ruské federaci.

Uživatel fóra: sia_2