СОЗДАНИЕ ТОПОЛОГИИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ КАК ВАЖНЫЙ ЭТАП ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

В современном мире практически все сферы деятельности человека включают использование электронной аппаратуры, а основой любого такого устройства является печатная плата. С каждым годом размер электронных устройств уменьшается, уменьшаются размеры компонентов и печатных плат, что ведет к повышению требований к надежности платы, увеличению частоты следования импульсов, обеспечению помехозащищенности и т.д.

При разработке электронных устройств разработчики часто скрупулезно работают над электрической схемой, а при проектировании печатной платы допускают большие ошибки. Не стоит недооценивать важность правильной разводки для успешного функционирования будущего устройства. Грамотно спроектированная топология может уберечь от нежелательных помех, обеспечить долговечную работу схемы. В данной статье будут рассмотрены нюансы проектирования топологии печатных плат и часто допускаемые ошибки.

При разработке печатной платы разработчик должен строго соблюдать правила проектирования, придерживаться требований разработчика электрической схемы и конструктора устройства, учитывать рекомендации производителя печатных плат. Целями разработчика печатных плат являются:

• ускорение разработки платы;
• снижение технологических норм;
• уменьшение количества слоев платы;
• удешевление проекта
• повышение реализуемости проекта в заданных нормах, времени и материальных средствах.

Проектирование топологии печатной платы представляет собой переход от электрической схемы к физической реализации. Можно сказать, это переход «от теории к практике». Именно на этом этапе становятся известны реальные сопротивления, ёмкость и индуктивность проводников и закладываются некоторые параметры устройства.

Разработка топологии ПП состоит из двух основных этапов: размещение элементов и разводка соединений.

В ходе разработки печатной платы этап компоновки элементов является самым трудоемким и ответственным моментом. Компоновка элементов на печатной плате обычно придерживается следующего порядка действий:

1. Размещение компонентов, четко привязанных к механическому чертежу.
2. Размещение основных компонентов.
3. Размещение периферийных компонентов, связанных с основными.
4. Размещение оставшихся компонентов.

Компонентами, привязанными к механическому чертежу, как правило являются разъёмы и механические отверстия. Для удобства и точности расстановки разъемов удобно передвигать их с привязкой к «нулевой точке», которая у таких компонентов должна располагаться по центру его первой ножки.

Для расстановки остальных компонентов в некоторых случаях удобно пользоваться группами. В группы объединяются компоненты по типу либо по усмотрению разработчика топологии. Объединив компоненты в группу, их можно подвинуть, выделить, скопировать, а также выполнять другие действия быстро и точно. Так же такое объединение поможет с расстановкой компонентов при наличии на плате повторяющихся групп.

На практике встречаются платы с повторяющимися фрагментами схемы. Для быстрой и эффективной расстановки и разводки таких плат некоторые САПР предлагают функцию создания модулей. Создание модулей позволяет скопировать расположение компонентов и цепей разведенного фрагмента платы на подобный фрагмент.

В таблице 1 приведены рекомендуемые производителями печатных плат зазоры между компонентами.

Таблица 1.

Зазоры между элементами ПП

Процесс трассировки следует начинать с задания правил разводки. Правила обычно включают в себя допустимые ширины дорожек на слоях платы, минимальные зазоры между дорожками и между компонентами, требования к полигонам, а также дополнительные требования по импедансу, диф. парам, длине сигналов, соответствие групп сигналов по длине и т.д.

Отметим несколько основных моментов, которые нужно учитывать, чтобы обеспечить грамотную трассировку:

1. Переходные отверстия (via) должны располагаться по возможности в форме матрицы с минимальным расстоянием, обеспечивающим прохождение хотя бы одного сигнала между ними;

2. Если трассировка проводится в смежных слоях, то необходимо соблюдать вертикальное направление сигналов в одном слое и горизонтальное — в другом, чтобы предотвратить возникновение явления перекрестных помех.

3. Выведение переходных отверстий из ножек компонента должно идти прямо из ножки. Не допускается соединение соседних ножек перемычкой.

4. Угол поворота трассы не должен превышать 90^o.

Теперь коснемся некоторых ключевых моментов, в которых часто встречаются ошибки.

Одними из самых сложных вопросов являются вопросы заземления. Реализация правильного заземления является сложным вопросом для всех аналоговых схем, а при появлении микросхем со смешанными сигналами, ситуация гораздо усложняется. Ключом к правильной реализации заземления является понимание, как протекают различные токи. Рекомендуется цепи земли и питания прокладывать широкими полигонами, при этом учитывая, как будут протекать возвратные токи. В случае, когда на одной плате имеется два вида сигналов (цифровые и аналоговые) крайне желательно разделить схемы, оставляя соединение в одной тщательно продуманной точке.

Очень важным моментов в разработке топологии является развязка источника питания на выходах питания усилителя для минимизации шумов. Обычно для развязки высокочастотного операционного усилителя применяется одна из двух конфигураций: развязка между шиной питания и землей или развязка между одной и другой шиной. Первый метод в большинстве случаев работает лучше и позволяет использовать конденсаторы, параллельно подключенные от выводов питания операционного усилителя напрямую к земле. Альтернативной конфигурацией является использование одного или нескольких конденсаторов, подключенных между положительной и отрицательной шинами питания операционных усилителей. Этот способ используется довольно редко в виду ряда недостатков.

Часто в самых разных платах можно увидеть длинную дорожку высокочастотного сигнала. Следует знать, что плата не будет работать правильно с такой разводкой, так как длинная линия сигнала начинает функционировать как антенна, внося помехи во все сигналы, лежащие рядом, а также сама функционирует неверно. Проблему можно разрешить более продуманной компоновкой, либо проложить сигнал полигоном во внутренних слоях.

Еще одна часто встречающаяся проблема – перекос земляных потенциалов. Это разность потенциалов между различными точками земли, которая появляется в момент прохождения наносекундных помех по внутренней земле устройства. Основную роль в этом процессе играет индуктивная составляющая цепей заземления. Для сбоя работы схемы порой бывает достаточно самых небольших индуктивностей. Решением проблемы может послужить правильная компоновка и тщательный выбор точки заземления. Следует определить, на каких участках текут помеховые токи, а на каких чистые. В этом случае станет ясно, куда можно подключить узлы схемы, чувствительные к помехам.

Частым примером, иллюстрирующим вышесказанное, служит кварцевый генератор микроконтроллера. В его состав входит внешний кварцевый резонатор с двумя конденсаторами малой ёмкости к земляному полигону. Если эти конденсаторы подключить к общей земле, то малейшие перекос земляных потенциалов будет многократно усилен и попадет внутрь микроконтроллера как ложный импульс. Тонкость правильной разводки такого места состоит в том, чтобы конденсаторы подключить именно к земле микроконтроллера, а к внешней земле подключить остальные земляные ножки микроконтроллера.

Функционирование устройства во многом зависит от хорошей топологии платы, поэтому не стоит недооценивать этот этап разработки. Зная все особенности схемы и грамотно реализуя их на плате, можно избежать множества проблем, продлить «жизнь» устройства и удешевить производство.

Список литературы:

1. Джон Ардизони. Практическое руководство по разработке печатных плат // Компоненты и технологии. — 2007 — №12.
2. Акулин А. Многослойные печатные платы.// PCB technology, 2009-2014. — 32 с.
3. Справочник инженера – конструктора. — Резонит, 2014.
4. AllegroR PCB Editor Basic — Cadence, 2014г.