Основные подводные камни проектирования печатных плат: Комплексный анализ

Печатная плата (PCB) — ядро электронных изделий, применяется почти во всех приборах разных областей: от малых к крупным, от компьютеров и телекоммуникаций до военной техники. Просто говоря, PCB играет значительную роль в реализации функций электронных изделий.

Тем не менее, проектирование печатной платы никогда не бывает лёгкой задачей — множество ассоциаций между слоями, компонентами или цепями должны быть правильно обработаны. Плохо продуманный дизайн может привести к отказам или даже катастрофам при работе внутри электронной системы. Несмотря на внутреннюю сложность проектирования печатных плат, некоторые часто встречающиеся проблемы можно обобщить, чтобы все проектировщики знали о них заранее и умели решать их до фазы производства печатных плат.

Примечание: Статья обсуждает проблемы и решения проектирования печатных плат на основе участия программного обеспечения Altium Designer.

Проблемы проектирования печатных плат на схеме

Проблема №1: По отчёту ERC нет сигнала доступа на выводах.

Анализ:
а. На выводах при создании посадочного места должен быть определён I/O;
б. При создании или размещении компонентов атрибут несоответствия может быть изменён, так что выводы и линии остаются свободными;
в. При создании компонентов вывод имеет обратное направление.

Проблема №2: Компоненты выходят за границы листа.

Анализ: Файлы не созданы в центре листа библиотеки компонентов.

Проблема №3: Созданный нет-лист проектного файла может только частично получить доступ к PCB.

Анализ: При генерации нет-листа пункт «global» не выбран.

Проблема №4: Компоненты не поворачиваются.

Анализ: Нужно переключить метод ввода.

Проблемы проектирования печатных плат на PCB

Проблема №1: В процессе загрузки сети отчёт NODE не возникает.

Анализ:
а. Компоненты в схеме возможно используют посадочное место, недоступное в библиотеке компонентов;
б. Компоненты в схеме используют посадочные места, несовместимые с теми, что в библиотеке компонентов.

Проблема №2: Отчёт DRC показывает, что сеть разделена на несколько секций.

Анализ: Эта проблема показывает, что сеть не соединена. CONNECTED COPPER можно использовать для прохода по файлу.

Проблема №3: В процессе работы синий экран следует использовать как можно меньше.

Анализ: Файлы можно экспортировать много раз для генерации новых DDR-файлов чтобы уменьшить размер файла. Автотрассировка не рекомендуется для сложных печатных плат.

Трассировка — значительный шаг в проектировании печатных плат, все предыдущие шаги — его подготовка. В проектировании печатных плат трассировка требует наибольших требований. Трассировка печатных плат классифицируется на одностороннюю, двустороннюю и многостороннюю. Доступны два метода: автотрассировка и интерактивная трассировка. Перед автотрассировкой для относительно сложных систем можно использовать интерактивную трассировку заранее. Боковые линии на входных и выходных клеммах должны избегать параллельности друг другу, чтобы не генерировать RF-помехи. Линии земли добавляются при необходимости, а трассировка на двух смежных слоях должна быть перпендикулярной. Параллельные линии склонны генерировать паразитную связанность. Скорость автотрассировки зависит от хорошо продуманного размещения, а правила трассировки можно задать заранее. Обычно сначала выполняется запрос-ориентированная трассировка, затем путь трассировки оптимизируется в целом. Протрассированные линии закрываются и перетрассировка реализуется для улучшения общего эффекта. Для дизайна компонентно-насыщенной печатной платы только через отверстия (through holes) трудно справиться, так как много каналов трассировки теряется. Поэтому создана технология слепых и зарытых переходов (blind/buried vias). Они не только функционируют как сквозные отверстия, но и экономят многие каналы трассировки. В результате трассировка становится легче, плавнее и лучше.

Проблемы проектирования печатных плат на тему помех и их решения

Помехи всегда возникают в электронном оборудовании в процессе отладки и применения, из множества причин. Среди всех причин иррациональная трассировка и неправильное размещение компонентов вызывают больше всего помех, помимо помех от среды. Помехи могут привести к неспособности электрооборудования нормально работать или даже к отказу. Поэтому возможные помехи должны быть скованы на фазе проектирования печатных плат.

Проблема №1: Генерация и контроль помех линий земли.

Анализ и решения:

Если линии земли показывают нулевой потенциал, относительная разность потенциалов каждой точки заземления во всей схеме тоже должна быть нулевой. Однако практически невозможно обеспечить абсолютно нулевую разность потенциалов, и крошечная разность потенциалов может дать помехосигналы, влияющие на нормальную работу всей схемы после усиления усилительным каскадом.

Для сдерживания помех можно использовать методы:
а. Следовать правильным рекомендациям по заземлению;
б. Разделять цифровые линии земли от аналоговых;
в. Утолщать линии земли максимально;
г. Покрывать заземление максимально возможным образом.

Проблема №2: Помехи питания и их сдерживание.

Анализ и решения: Помехи питания, возможно, происходят от иррационального схемотехнического дизайна, трассировки или размещения. Поэтому цепь AC-DC не должна быть соединена друг с другом при трассировке, и линии земли не должны идти параллельно большому контуру. Кроме того, линии питания и сигнальные линии не должны быть слишком близки и никогда параллельны. При необходимости фильтры можно добавить между выходной клеммой питания и прибором.

Проблема №3: EMI (электромагнитные помехи) и их сдерживание.

Поскольку компоненты плотно размещены, при иррациональном дизайне возникнет EMI, такое как помехи распределённых параметров и компонентные EMI. Для победы над разными помехами нужны соответствующие меры.

Анализ и решения:

а. Паразитная связанность между печатными цепями. Эффект распределённого параметра между двумя параллельными проводниками с малым расстоянием эквивалентен индуктивности и ёмкости, взаимно связанным. Сигналы текут через один проводник, а индуктивные сигналы генерируются другим. Таким образом, сигнальные линии никогда не должны проектироваться параллельно друг другу или можно использовать экранирующие линии для сдерживания слабых помехосигналов.

б. Помехи между магнитными частями. Громкоговорители и электромагниты создают постоянное магнитное поле, а высоковольтные трансформаторы и реле — переменное. Оба магнитных поля вызывают помехи к периферийным компонентам и печатным линиям. Соответствующие меры сдерживания:
• Уменьшить пересечение печатных линий магнитными линиями силы.
• Положения двух магнитных частей должны быть перпендикулярны друг другу вдоль двух разных магнитных направлений для снижения связи.
• Источник помех должен получить магнитную экранировку, и экранирующий кожух должен быть хорошо соединён с землёй.

Проблема №4: Тепловые помехи и их сдерживание.

Анализ и решения: Приборы высокой мощности при работе обычно имеют высокую температуру, создавая источники тепла в цепи, вызывающие помехи к печатной цепи. Поэтому температурно-чувствительные компоненты должны размещаться далеко от тепловыделяющих частей при топологии печатной платы, а источники тепла — на воздухе снаружи платы, чтобы остановить передачу тепла или генерацию тепловыделения. При необходимости оснастить тепловыделительный лист.

Статья охватывает только самые частые проблемы проектирования печатных плат и их решения. На практике вы обнаружите больше проблем.

Полезные ресурсы:
• How to Design High-Quality PCBs
• The Key PCB Design Rules You Have to Know
• A Guideline from Schematic to PCB Design Based on Altium Designer
• How to Defeat Interference in PCB Design
• Methods to Strengthen the Anti-Interference Ability in PCB Design