Выбор расположения проводников и переходных отверстий на печатной плате часто считается простой задачей. После импорта платы и размещения компонентов, казалось бы, относительно легко выполнить их соединение с помощью меди. Хотя это могло быть правдой во времена низкоскоростных DIP компонентов с ТТЛ для простых плат, сегодняшние требования к проектированию намного сложнее. Трассировка проводников на печатной плате может иметь очень специфические требования для обеспечения целостности сигнала.

Хотя проводники могут иметь особые требования к трассировке, современные продвинутые инструменты трассировки печатных плат могут помочь вам настроить и соблюдать правила проектирования. Методы трассировки, которые вы будете использовать в своем проекте, зависят от стандарта передачи данных, с которым вы работаете, и требуемой конфигурации топологии. Если вы впервые проектируете печатную плату и готовы к этапу трассировки, не волнуйтесь, мы поможем вам развести печатную плату и определим требования к трассировке, которым вы должны следовать в процессе проектирования.

Начало трассировки печатной платы

Печатные платы содержат медь, которая соединяет компоненты на наружных или во внутренних слоях, эта медь формирует проводники. Можно или нет назвать устройство «простым», зависит от нескольких факторов, которые определяют подходящую конфигурацию топологии, которую вы используете в своем проекте. Некоторые требования к проектированию топологии, которые можно найти в стандартах низкоскоростной и высокоскоростной передачи данных, содержат следующие утверждения:

• Пропускная способность проводников по току для плат большой мощности, может потребовать применения проводников большого размера или даже полигонов.
• Ширина проводников на плате, должна обеспечивать технологичность и положительным образом влиять на перекрестные помехи (т.е. на их отсутствие).
• Цепи с контролируемым импедансом должны быть выполнены проводниками определенной ширины, которая должна быть установлена по результатам анализа стека печатной платы.
• Должна быть определена конфигурация топологии, которая будет определять, как происходит соединение нескольких компонентов одной цепи.
• Общие потери в цепи, определяющие её максимально допустимую длину.
• Допустимый перекос в параллельных шинах данных и дифференциальных парах. Протоколы в которых необходима синхронизация с источником (SPI или I2C) и параллельные шины данных имеют максимальные характеристики перекоса.

Ваша задача как проектировщика — найти баланс всех этих параметров и определить, какие из пунктов в приведенном выше списке наиболее важны для разных цепей. Например, для высокоскоростных плат, содержащих дифференциальные пары, важен контроль импеданса, а платы большой мощности постоянного тока должны иметь широкие дорожки, для которых контроль импеданса не обязателен.

Для начала давайте рассмотрим некоторые требования к трассировке более простых плат, а затем перейдем к более сложным проектам.

Трассировка "простой" печатной платы

Если ваш проект не является высокоскоростным, он не должен быть достаточно плотно скомпонован, чтобы создавать проблемы с перекрестными помехами, и ваши проводники не должны пропускать большие токи, тогда вы можете выбрать ширину дорожки, которая соответствует контактам и выводам ваших компонентов. В таких проектах можно использовать дорожки шириной от 5 до 15 мил, поскольку они достаточно малы, чтобы их можно было присоединить непосредственно к контактным площадкам большинства компонентов. Базовый пример с операционным усилителем приведен ниже, на нем проводники расположены между низкоскоростной микросхемой, и несколькими резисторами и конденсаторами.

Простая конструкция не приводит к проблемам с импедансом, выбору конфигурации топологии или необходимости коммутации больших токов. Однако, очень немногие современные проекты настолько просты, что не требуют определенного уровня проектирования топологии или определения правил трассировки.

Правила трассировки для современных печатных плат

Современные платы, даже те, в которых используются только простой микроконтроллер и каскады с низким энергопотреблением, требуют определенного уровня проектирования топологии и определения правил трассировки для обеспечения целостности сигнала. Разработчикам необходимо определить требования к геометрии проводников для своих межсоединений, чтобы гарантировать надежность и целостность сигнала.

1. Определите текущие требования к проводникам; топология цепей питания на печатной плате может пропускать большой ток.
2. Если ток будет очень низким (менее 1 А), определите, нужен ли контроль импеданса, просмотрев спецификации компонентов или стандарт передачи данных.
3. Рассчитайте ширину проводника, необходимую для достижения целевого импеданса, если требуется контроль импеданса. Также рассчитайте необходимое расстояние между проводниками, если требуется использовать дифференциальные пары.

Если требуется контроль импеданса, вполне вероятно, что топология будет реализована с использованием одиночных или дифференциальных линий. Обязательно проверьте стандарт передачи данных, чтобы определить требования к топологии, которые будут включать такие пункты, как бюджет потерь в проводниках (определяет общую длину цепи), требования к импедансу и допустимый перекос в дифференциальных парах или в параллельной шине.

После того как вы определили какие-либо требования к трассировке на своей плате, вы можете установить правила проектирования для конкретных цепей в своем проекте. Это включает в себя установку минимальной или максимальной ширины трассы в правилах проектирования. Ваши инструменты для выполнения трассировки будут использовать эти данные для установки ширины проводника в процессе трассировки.

Импеданс и топология

Когда при компоновке печатной платы потребуется выполнить контроль импеданса, его нужно будет определить одним из нескольких методов. Существуют формулы, которые вы можете использовать для определения импеданса в вашей конструкции, или вы можете использовать более специализированные приложения для расчета импеданса для вашего проекта. Значение импеданса одиночных и дифференциальных линий определяет геометрию проводника, при соблюдении которой требования будут выполнены.

Самый быстрый способ определить импеданс — это использовать программное обеспечение для проектирования печатных плат со встроенным калькулятором импеданса. Не все приложения для проектирования печатных плат содержат такие утилиты, а те которые содержат дают результаты с разным уровнем точности. Лучшие приложения для проектирования печатных плат будут иметь анализатор электромагнитного поля, который автоматически рассчитывает требуемую геометрию трассы. Этот инструмент принимает информацию о диэлектрической проницаемости и шероховатости меди на вашей печатной плате и использует ее для расчета ширины проводника и расстояния между проводниками дифференциальных пар, необходимого для достижения целевого импеданса.

Layer Stack Manager в Altium Designer содержит вычислитель электромагнитного поля от Simberian, который обеспечивает высокоточные вычисления импеданса на желаемой частоте.

Топология определяет, как проводники располагаются между входами и выходами компонентов, а также как они разветвляются друг относительно друга для соединения нескольких компонентов. Например, трассировка DDR использует топологию Fly-by, когда одна шина разветвляется, чтобы соединить несколько компонентов устройства. В другом примере SPI использует аналогичную топологию шины данных, но с использованием оконечной нагрузки, расположенной в требуемых местах. Другие устройства могут использовать топологию point-to-point для доступа к нескольким компонентам, что наиболее часто встречается когда проект требует, чтобы один компонент взаимодействовал с несколькими нагрузками через один интерфейс ввода-вывода. Убедитесь, что понимаете конфигурацию топологии, требуемую вашим стандартом передачи данных, а также то, требуется ли в этих цепях контроль импеданса.

Трассировка проводников на печатной плате

Проводники в топологии печатной платы прокладываются путем простого наведения и щелчка мышью в точках на плате. Попутно медные проводники будут зафиксированы в желаемой точке, в которой пользователь щелкает мышью, в конечном итоге формируя топологию до необходимой точки. С помощью инструментов трассировки в приложении редактора печатных плат можно автоматически поворачивать проводники при разводке (обычно под углом 45°), а также размещать переходные отверстия для соединения проводников между компонентами печатной платы.

Прежде чем начать трассировку, уделите время разработке стратегии для разных цепей, чтобы избежать чрезмерного использования переходных отверстий или необходимости добавления дополнительных слоев для выполнения проекта платы. Стратегия трассировки печатной платы будет зависеть от ее компоновки; если слишком много цепей пересекаются в компоновке печатной платы, вам будет труднее прокладывать проводники без использования дополнительных переходов между слоями. Иногда вам придется начинать с разводки самых простых цепей, так как они помогут вам определить, какие цепи потребуют больше времени и усилий для достижения оптимальной компоновки печатной платы.

Переходные отверстия для трассировки печатных плат

Некоторые варианты трассировки могут быть очень сложными, например, выход из BGA. Этот проводник проходит через два переходных отверстия и в конечном итоге заканчивается на поверхностном слое.

Необходимо учитывать некоторые важные правила трассировки плат:

1. Постарайтесь сохранить цепи с контролем импеданса для данного интерфейса или протокола передачи данных в одном слое печатной платы.
2. Минимизируйте количество переходных отверстий в цепях высокоскоростных протоколов передачи данных и высокочастотных цепях.
3. Будьте осторожны, чтобы не пересекать проводниками разрывы в полигонах, и отслеживайте обратный путь тока на вашей печатной плате; лучший способ сделать это — использовать однородные полигоны и слои заземления.
4. Старайтесь, чтобы проводники были короткими и прямыми. Не делайте их длиннее, чем они должны быть
5. Для трассировки сильноточных цепей не бойтесь использовать полигоны для формирования более широких проводников; полигоны можно использовать для получения проводников любой формы

Целостность сигнала - это один из факторов, который тесно связан с проектированием стека и трассировкой печатной платы. Расположение слоев с опорными полигонами земли/питания по отношению к сигнальным слоям и трассировке в целом, является основным фактором, определяющим целостность сигнала. Трассировка по неразрывным участкам земли - это способ гарантировать, что ваша конструкция будет поддерживать целостность сигнала и не будет восприимчивой к электромагнитным помехам (перекрестные помехи, внешний высокочастотный шум, шум от сети питания и т.д.). Это простое руководство и правила выполнения трассировки, приведенные выше, помогут предотвратить или уменьшить проблемы с целостностью сигнала и обеспечить работоспособность вашей платы.

Независимо от того, двигаетесь ли вы на высокой скорости или разрабатываете высокоскоростную печатную плату, хорошие методы проектирования платы помогают гарантировать, что ваша конструкция будет работать так, как задумано, и может быть произведена в больших объемах. В этом руководстве мы собрали некоторые из основных рекомендаций по дизайну и компоновке печатных плат, применимых к большинству современных плат. При разработке специальных конструкций может потребоваться соблюдение дополнительных рекомендаций по компоновке, но приведенные здесь рекомендации по компоновке печатной платы являются хорошей отправной точкой для большинства проектов платы.

Приведенные здесь рекомендации сосредоточены в нескольких ключевых областях, которые помогут вам с трассировкой, производительностью, базовой целостностью сигналов и сборкой:

• Определение правил проектирования платы с целью обеспечения производительности при изготовлении и сборке
• Размещение компонентов, цель которого — обеспечить решаемость и простоту трассировки.
• Группировка компонентов по типу для предотвращения необходимости трассировки по всей плате
• Расположение питания и заземления в стеке платы, включая некоторые моменты компоновки платы со смешанными сигналами
• Соблюдение механических ограничений, таких как расположение разъемов и соблюдение размеров корпуса

Определение правил проектирования печатных плат перед компоновкой

Иногда, начиная новый проект печатной платы, можно забыть о применимых к нему важных правилах проектирования. Есть несколько простых допусков, которые, если они будут определены на ранней стадии проектирования, позволят избежать частого перемещения компонентов и перетрассировки. Итак, где вы можете получить эту информацию?

Первое, с чего нужно начать, — это поговорить с вашим производителем насчет правил проектирования печатных плат. Обычно хорошие производители публикуют свои возможности в интернете или предоставляют эту информацию в документации. Если вы не можете найти эти сведения, отправьте сообщение по электронной почте с запросом возможностей. Лучше всего сделать это до начала размещения компонентов. При этом также необходимо отправить на проверку предложенный вами стек или найти и использовать стандартные стеки.

После нахождения списка возможностей необходимо сравнить их с отраслевым стандартом надежности, с которым вы будете работать (класс 2 и класс 3 или специальный стандарт). После решения этих вопросов необходимо выбрать более консервативные ограничения компоновки проекта, необходимые для надежности и обеспечения возможности производства; выбранное можно оформить в качестве правил проектирования платы.

Правила помогут устранить большинство ошибок проектирования, которые могут привести к проблемам производства и сборки. После определения правил проектирования можно приступать к процессу размещения компонентов.

Точное размещение компонентов

Этап размещения компонентов в процессе проектирования компоновки печатной платы — это одновременно искусство и наука, требующая стратегического рассмотрения ценного пространства на плате. Целью размещения компонентов является создание платы с простой трассировкой и как можно меньшим числом переходов между слоями. Кроме того, проект должен соответствовать правилам проектирования и размещению обязательных компонентов. Это может быть трудно сбалансировать, но простая методика поможет разместить компоненты, отвечающие этим требованиям:

1. Сначала разместите обязательные компоненты. Часто некоторые компоненты необходимо разместить в определенных местах из-за их размера или механических ограничений корпуса. Лучше всего сначала разместить эти компоненты и зафиксировать их положение, а потом переходить к остальным частям компоновки.
2. Размещайте большие процессоры и микросхемы. Такие компоненты, как процессоры или микросхемы с большим числом выводов, обычно должны подключаться к нескольким компонентам проекта. Централизованное расположение этих компонентов упрощает трассировку еще на этапе компоновки печатной платы.
3. Старайтесь избегать пересечения цепей. При размещении компонентов в компоновке печатной платы обычно видны нетрассированные цепи. Рекомендуется свести к минимуму количество пересекающихся цепей. Каждое пересечение цепей потребует перехода через отверстие в другой слой. Если устранить пересечение цепей, творчески разместив компонент, будет легче следовать рекомендациям по компоновке печатных плат.
4. Правила проектирования печатных плат SMD PCB. Рекомендуется разместить все компоненты поверхностного монтажа (SMD) на одной стороне платы. Основная причина этого возникает во время сборки; для каждой стороны платы потребуется отдельный проход по линии пайки компонентов поверхностного монтажа, поэтому размещение всех таких компонентов на одной стороне поможет избежать дополнительных затрат на сборку.
5. Экспериментируйте с ориентацией. Можно вращать компоненты, чтобы попытаться устранить пересечение цепей. Попробуйте cориентировать контактные площадки одной цепи так, чтобы они были направлены к друг другу, так как это поможет упростить трассировку.

Если следовать пунктам №1 и №2, будет намного проще разместить остальные компоненты на плате без излишнего пересечения проводников. Кроме того, компоновка платы будет выглядеть современно, когда центральный процессор передает данные всем остальным компонентам по периметру платы.

Размещение питания, заземления и сигнальных проводников

После размещения компонентов необходимо расположить полигоны питания, заземления и сигнальные проводники, чтобы обеспечить их беспрепятственное прохождение. Вот несколько рекомендаций для этапа создания компоновки.

Размещение слоев питания и заземления

Обычно питание и заземление размещаются на двух внутренних слоях. Для двухслойной платы это может быть непросто, поэтому может потребоваться разместить слой заземления на одном уровне, а затем провести трассы питания и сигналов на другом. При использовании стеков четырехслойных печатных плат и большего числа слоев необходимо использовать слои заземления, а не пытаться разводить заземление проводниками. Для компонентов, которым требуется прямое подключение к питанию, рекомендуется использовать общие шины для каждого источника, если слой питания не используется; убедитесь, что у вас достаточно широкие трассы (100 мил достаточно для 5–10 А); не подключайте линии питания последовательно между компонентами.

Согласно некоторым рекомендациям требуется симметричное размещение слоев, но это необязательное требование. На больших платах это может быть необходимо для уменьшения вероятности коробления, но это не проблема для плат меньшего размера. Уделите внимание доступу к питанию и заземлению, а также тому, чтобы у всех проводников был надежный обратный путь к ближайшему слою заземления, а затем позаботьтесь об идеальной симметрии в стеке печатной платы.

Рекомендации по трассировке печатных плат

Далее соедините компоненты проводниками в соответствии с цепями на схеме. Рекомендуется по возможности использовать прямые короткие трассы между компонентами, хотя на больших платах это не всегда может быть практичным. Если для размещения компонентов требуется горизонтальный проводник на одной стороне платы, всегда ведите проводник вертикально на другой стороне. Это одно из множества важных правил проектирования двухслойных печатных плат.

С увеличением числа слоев в стеке правила проектирования и рекомендации компоновки печатных плат становятся более сложными. Если слои сигналов не разделены базовым слоем, стратегия трассировки потребует чередования горизонтальных и вертикальных трасс в чередующихся слоях. В очень сложных платах для специализированных применений многие рекомендации для обычных плат могут не применяться; необходимо следовать правилам проектирования печатных плат для вашего применения.

Определение ширины проводника

При трассировке печатных плат для соединения компонентов используются проводники, но насколько широкими они должны быть? Необходимая ширина проводника для разных цепей зависит от трех возможных факторов:

1. Производительность. Проводники не могут быть слишком тонкими, иначе их невозможно надежно изготовить. В большинстве случаев вы будете работать с проводниками, ширина которых намного больше минимальной ширины, которую может изготовить производитель.
2. Ток. Ток, передаваемый по проводнику, определяет минимальную необходимую ширину для предотвращения его перегрева. Чем выше сила тока, тем шире должен быть проводник.
3. Импеданс. Для высокоскоростного цифрового сигнала или радиочастотного сигнала требуется проводник определенной ширины в соответствии со значением необходимого импеданса. Это относится не ко всем сигналам или цепям, поэтому не требуется определять контроль импеданса для всех цепей в правилах проектирования плат.

Для проводников, которые не требуют определенного значения импеданса или не проводят большие токи, ширина дорожки в 10 мил будет идеальным решением для коммутации большинства слаботочных аналоговых и цифровых сигналов. Для передачи тока более 0,3 А могут потребоваться более широкие проводники. Для проверки можно использовать номограмму IPC-2152, чтобы определить ширину проводника на печатной плате и предел превышения температуры.

Соединения с тепловой разгрузкой со слоями для компонентов, устанавливаемых в отверстие

Слой заземления может выступать в качестве большого радиатора, равномерно распределяющего тепло по плате. Поэтому при подсоединении переходного отверстия к слою заземления исключение контактной площадки тепловой разгрузки обеспечит передачу тепла на слой заземления. Предпочтительнее удерживать тепло на поверхности. Однако это может быть проблемой при сборке компонентов, устанавливаемых в отверстие, на плате с использованием волновой пайки, поскольку требуется удержание тепла на поверхности.

Термобарьеры это одна из особенностей проектирования компоновки печатной платы, которая может потребоваться для изготовления платы с использованием волновой пайки или, другими словами, для того, чтобы компоненты подсоединялись напрямую к слоям. Поскольку может быть трудно поддерживать температуру, если отверстие является точкой пайки напрямую к слою, рекомендуется использовать тепловую разгрузку для поддержания температуры пайки. Смысл термобарьера прост: он снижает скорость отвода тепла в слое во время пайки, что помогает предотвратить холодную пайку.

Некоторые дизайнеры советуют использовать термобарьер для всех отверстий и переходов, подсоединенных ко внутреннему слою заземления или питания, даже если это всего лишь небольшой полигон. Этот совет часто чрезмерно обобщается. Необходимость в тепловом переходе на любом компоненте со сквозным отверстием зависит от размера медного слоя или полигона, подсоединяемого ко внутреннему слою; это надо обсудить с производителем до отправки платы на изготовление.

Разделение и группировка

Существует несколько рекомендаций по маршрутизации и правилам проектирования печатных плат, в которых указано, как группировать и разделять компоненты и трассы, чтобы упростить трассировку и предотвратить электрические помехи. Эти рекомендации по группированию также могут помочь с терморегулированием, так как может потребоваться отделить компоненты с высокой мощностью.

Группирование компонентов

Некоторые компоненты лучше всего размещать группой в одном месте. Это обусловлено тем, что они могут быть частью схемы и могут подсоединяться только к друг другу, поэтому не надо располагать такие компоненты на разных частях платы. В этом случае необходимо спроектировать и расположить на печатной плате отдельные группы элементов, чтобы их можно было просто соединить проводниками.

Во многих проектах имеются аналоговые и цифровые компоненты; необходимо, чтобы цифровые компоненты не создавали помехи для аналоговых компонентов. Десятилетия назад для этого слои заземления и питания разделялись на разные области, но сейчас такой вариант не подходит. К сожалению, об этом до сих пор сообщается во многих рекомендациях по компоновке платы, что является причиной появления неудовлетворительных методов трассировки, ведущих к созданию электромагнитных помех.

Разделение компонентов с высокой мощностью

Также целесообразно разместить компоненты, выделяющие много тепла, в разных частях платы. Смысл разделения этих компонентов с высокой мощностью выделения состоит в распределении температуры на компоновке печатной платы вместо создания больших горячих зон со сгруппированными компонентами с высокой температурой. Для этого сначала необходимо найти показатели «сопротивления теплопередаче» в документации к компонентам и вычислить повышение температуры из-за предполагаемого выделения тепла. Можно добавить радиаторы и вентиляторы, чтобы снизить температуру компонентов. Может потребоваться найти баланс между размещением этих компонентов и обеспечением короткой длины проводников при разработке стратегии трассировки, что может быть сложной задачей.

Завершение дизайна и компоновки печатной платы

При завершении работы над проектом, когда вы пытаетесь решить все оставшиеся задачи перед производством можно легко переусердствовать. Двойная и тройная проверка на ошибки в работе на этом этапе может означать разницу между успешным и неуспешным производством.

Чтобы помочь в этом процессе контроля качества, всегда рекомендуется начинать с проверки электрических правил (ERC) и проверки правил проектирования (DRC), чтобы убедиться, что вы выполнили все установленные ограничения. С помощью этих двух систем можно просто определить ширину зазоров, проводников, общие требования к производству, требования к высокоскоростным электрическим компонентам и другие физические требования для вашего изделия. Эти инструменты автоматизируют проверку компоновки печатной платы.

Обратите внимание, что во многих рекомендациях по проектированию указывается, что проверка правил проектирования должна выполняться в конце этапа проектирования при подготовке к производству. При использовании правильного программного обеспечения для проектирования можно запускать проверку во время всего процесса проектирования, что позволяет выявлять потенциальные проблемы на ранних этапах и быстро их исправлять. Если проверки ERC и DRC не выдают ошибки, рекомендуется проверить трассировку всех сигналов и убедиться, что ничего не пропущено, проверив все схемы по отдельности.

Лекции по ИСР АПС:

План курса и лекций по ИСР АПС

Конспект лекций

Проверочные и контрольные работы:

Проверочная работа №1

Проверочная работа №2

Итоговое тестирование (1 семестр)

Лабораторные работы по ИСР АПС:

Учебники по ИСР АПС:

Промышленная электроника и электропривод: Лабораторный практикум с использованием пакета Electronics Workbench

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ, MATHCAD И LabVIEW

(!) Учебник по теме: Математическое описание линейных систем

(!) Моделирование систем в пакете VisSIM

(!) Учебник и справочник по VisSIM

Язык описания аппаратуры VHDL

(!) Основы MATLAB [PDF]

(!) Учебник по MATLAB [chm]

(!) Учебник по LabVIEW в упражнениях

(!) Методичка по PCAD 2001 [PDF]

On-line учебник по PCAD 2001

Методичка по PCAD 4.5 DOS. Часть 1

Методичка по PCAD 4.5 DOS. Часть 2

Библиотеки:

Обратите внимание, что имена контактов вентиля (gate pin name) в sym и prt файлах должны совпадать и вводиться в одинаковой последовтельности!

Eсли у вас имена не совпадают, то prt-файл надо заново перепаковать командой SCMD/SPKG под ваш sym-файл!

p.s. package pin name - порядковый физический номер контакта в корпусе компонента

- pin name в sym - электронное имя контакта для сохранения в базе (IN1, X1, OUT и т.д.)

- pin name в prt - физический номер контакта в корпусе компонента