Освоение топологии печатных плат: Пошаговое руководство для начинающих

Печатная плата (PCB) — фундаментальная платформа для размещения электронных компонентов для реализации соответствующих функций. На основе подложочного материала PCB изготавливается в соответствии с файлами проекта, с соединением между слоями платы, платой и компонентами. Ведущая функция PCB — её роль релейной передачи с полным вкладом в электрическое соединение всех частей вокруг печатной платы. Поэтому PCB обычно считается ядром электронных изделий.

PCB должна производиться строго в соответствии с файлами проекта: гербер-файлы, файлы сверловки (NC drill), файлы дизайна шаблонов и др. — все вместе приводят к реальным печатным платам. Статья даёт краткое руководство по топологии печатных плат для начинающих инженеров, охватывая ключевые вопросы проектирования и топологии. Надеемся, статья станет «перевязкой» для начинающих электронных инженеров.

Что такое топология печатной платы?

Топология печатной платы в основном включает размещение компонентов на плате, трассировку, ширину трасс, зазоры между трассами и т.д. Поскольку печатные платы применяются почти во всех электронных изделиях, они широко используются в потребительской электронике, информационных технологиях, телекоммуникациях, медицине и даже аэрокосмике. Топология печатной платы играет существенную роль в влиянии на их ожидаемые функции и производительность.

Основы топологии печатных плат

В процессе рисования схем в ПО для проектирования печатных плат необходимо владеть аббревиатурами электроники, так как первые три буквы обычно обозначают термины. Например, RES — резистор; CAP — конденсатор; IND — катушка индуктивности. Таким образом, необходимо освоить основные электронные термины: напряжение, ток, Ом, Вольт, Ампер, Ватт, цепь, элемент цепи, сопротивление, резистор, индуктивность, катушка индуктивности, ёмкость, конденсатор, закон Ома, законы Кирхгофа, закон Кирхгофа напряжений (KVL), закон Кирхгофа токов (KCL), контур, сеть, пассивная двухполюсная сеть, активная двухполюсная сеть.

Неизбежные вопросы для рассмотрения в топологии печатных плат

• Минимальное расстояние

Проект печатной платы должен иметь рамку, и минимальное расстояние между линией рамки и выводом компонента должно быть не менее 2 мм, рационально устанавливать 5 мм.

• Размещение компонентов

В схемотехнической системе, содержащей цифровую и аналоговую схемы, их следует разделять для системной связанности схем одной категории. Компоненты должны размещаться согласно направлению потока сигналов, функциям и модулям.

Входной блок обработки сигналов и выходные драйверы должны размещаться у края платы, чтобы сделать линии входных/выходных сигналов максимально короткими и уменьшить входные/выходные помехи.

По направлению размещения компоненты могут располагаться только вертикально или горизонтально. Если между компонентами существует относительно высокое потенциальное различие, расстояние между ними должно быть достаточно большим для предотвращения пробоя.

Для печатной платы со средней плотностью расстояние между низковольтными компонентами учитывается на основе пайки. При волновой пайке расстояние может быть в диапазоне 50–100 mil.

Проектирование линий питания и земли в топологии печатных плат

Для инженеров по проектированию печатных плат не сложно понять причину генерации шумов между линиями земли и питания. Даже при отличной топологии печатной платы помехи из-за недостаточного внимания к расположению линий питания и земли снизят производительность изделия или приводят к полному отказу. Поэтому задача инженера по топологии — минимизировать шумовые помехи для гарантии качества продукта следующими методами:

1. Крупногабаритный медный слой используется как линии земли. Все неиспользуемые участки соединяются с землёй, служа линиями земли. Для многослойных печатных плат линии питания и земли размещаются на разных слоях соответственно.
2. Добавляйте развязывающие конденсаторы между линиями питания и земли.
3. Ширина линий земли и питания должна быть максимально возможной. Лучше сделать линии земли шире линий питания. Распределение ширины: линии земли > линии питания > сигнальные линии.
4. Используйте широкие заземляющие проводники для создания контура на плате с цифровой схемой.

Три совета для снижения ЭМИ в топологии печатных плат

EMC (электромагнитная совместимость) — обязательное требование в топологии печатных плат. Реализация EMC направлена на максимальное снижение EMI (электромагнитных помех). Для уменьшения EMI нужно сосредоточиться на трёх элементах: источнике электромагнитных помех, пути связи и пострадавшем объекте.

Для достижения EMC меры должны начинаться с этих элементов. Сначала анализируются источник помех, путь связи и чувствительные устройства, затем разрабатываются и применяются эффективные меры для подавления источника, устранения или снижения связки помех, уменьшения реакции чувствительных устройств на помехи или повышения уровня электромагнитной нечувствительности.

Для ограничения помех, вызванных человеком, и проверки эффективности технических мер также необходимы организационные меры. Следует установить и соблюдать полный набор правил и стандартов с разумным распределением спектра. Применение спектра должно контролироваться и управляться, рабочий режим определяется по частоте, времени работы и направлению антенны. Электромагнитная среда должна анализироваться, размещение выбираться с проведением EMC-администрирования.

• Источник электромагнитных помех

Источник EMI — любой тип (естественный или излучаемый электрическим устройством) электромагнитной энергии, наносящей вред людям или устройствам в той же среде или наносящей ущерб другим устройствам, подсистемам или всей системе, приводящей к деградации производительности или отказу.

• Путь связи

Путь связи — доступ или среда, используемые для передачи EMI.

• Пострадавший объект (Victim)

Пострадавший объект — человек или системы, повреждённые EMI, включая компоненты, оборудование, подсистемы или системы, страдающие от деградации производительности или отказа.