plytki_cz1.pdf

NOTATNIK KONSTRUKTORA

Projektowanie płytek (1)

Wstęp do projektowania

płytek drukowanych

z uwzględnieniem EMC

Każdy projektant- elektronik prawdopodobnie

stanie przed koniecznością zaprojektowania

płytki drukowanej. Poniższy artykuł ma na celu

omówienie kilku trendów we współczesnym

projektowaniu płytek jak i omówienie istotnych

zagadnień związanych z problematyką

EMC (Electro Magnetic Compatibility), czyli

kompatybilności elektromagnetycznej.

w którym spełnienie norm EMC – jeśli w ogóle jest o nich mowa – zo-

staje odsunięte na ostatni etap projektu.

Takie postępowanie wydłuża czas i koszty poprzez długotrwałe

oczekiwanie na kolejne prototypy, czas potrzebny na przeprojektowa-

nie gotowych fragmentów obwodu, jak również szukanie rozwiązań

zastępczych dla naprawienia elementarnych błędów projektowych,

które pojawiły się już w fazie założeń. Dodatkowo przedsiębiorstwo

traci niepotrzebnie fundusze na zbyt wysokie koszty prototypowa-

nia.

Termin EMC oznacza zdolność do poprawnej pracy urządzenia

w danym środowisku elektromagnetycznym. Zdolność taka powinna

się przejawiać się na trzech płaszczyznach:

– urządzenie nie może zakłócać pracy innych urządzeń,

– urządzenie nie może zakłócać swojej pracy,

– urządzenie musi być odporne na zakłócenia zewnętrzne.

Dlaczego tak ważne jest projektowanie z zachowaniem kompaty-

bilności elektromagnetycznej? Czy nie jest to tylko niepotrzebna stra-

ta czasu i pieniędzy?

Współcześnie większość projektantów – elektroników ma świado-

mość konieczności zachowania kompatybilności elektromagnetycz-

nej, jednak mimo tego projektując mało skomplikowane urządzenia

uważają, że problem ich nie dotyczy. Panuje mylne przekonanie, że

EMC musi być zachowane tylko w przypadku odpowiedzialnych pro-

jektów urządzeń pracujących w przemyśle. Dodatkowo sytuację taką

pogłębiają, kierownicy przedsiębiorstw twierdząc, iż zwiększy to nie-

potrzebnie koszt projektu, a co za tym idzie cenę wyrobu końcowego.

Nie mają racji i z to z co najmniej dwóch punktów widzenia: marke-

tingowego, ponieważ tak łatwo zepsuć sobie markę i zrazić klientów,

jeśli urządzenie będzie źle funkcjonować i kosztów, ponieważ poten-

cjalne problemy mogą chociażby doprowadzić do wycofania wyrobu

z runku, nie wspominając już o karach ﬁnansowych.

Postęp technologiczny jest powodem pojawienia się szeregu no-

wych zagadnień i problemów, z którymi należy się zapoznać. W szyb-

kim tempie wkraczamy w technologie bezprzewodowe, w nowe in-

terfejsy użytkownika, a szybkość funkcjonowania podzespołów stale

rośnie. Pomału standardem stają się obwody 8-warstwowe z mikro

przepustami, a poszczególne komponenty można kupić tylko w obu-

dowach BGA. Tak dla projektantów, jak i przedsiębiorstw które nie

nadążają za postępem oznacza to nieuchronne zakończenie działal-

ności projektowej.

Dla uświadomienia wagi problemu należy zapoznać się z proble-

mem długości życia danego urządzenia/produktu na rynku. Często

jeżeli mamy do czynienia z nowinką techniczną typu telefon komór-

kowy, aparat fotograﬁczny, podzespoły komputerowe, przenośnie

odtwarzacze plików multimedialnych, to okres taki wynosi około 12

miesięcy, po czym urządzenie jest uważane za przestarzałe i raczej

nie znajdzie nabywców. Wyobraźmy sobie producenta tracącego czas

i koszty na kolejne prototypy, a w momencie uzyskania wyrobu ﬁ-

nalnego jest on technologicznie przestarzały. No dobrze ale jak to się

dotyczy mnie? Projektanta, przedsiębiorcy? Przecież nie projektuję te-

lefonów komórkowych. Niestety, obserwujemy skrócenie czasu życia

praktycznie każdego sprzętu elektronicznego i nawet jeżeli obecnie

problem nie dotyczy bieżącej działalności, to prawdopodobne będzie

jej dotyczył w niedalekiej przyszłości. Sytuacja taka na pewno pojawi

się w momencie przeniesienia technologii na kolejny poziom rozwo-

ju, co niebawem może stać się koniecznością.

Projektowanie z zachowaniem EMC jest trudne

Wiedza potrzebna do prowadzenia projektu jest często dostępna

w notach aplikacyjnych poszczególnych komponentów - wystarczy ją

zastosować. Dodatkowo istnieją ogólne wytyczne jakie należy spełnić,

aby projektowane urządzenie spełniało odpowiednie normy. Mam na-

dzieję, że niezbędną wiedzę uda mi się przekazać w tym cyklu arty-

kułów. Oczywiście można by się pokusić o omówienie szeregu zło-

żonych zjawisk ﬁzycznych, ale producenci komponentów wyręczają

z tego projektantów obwodu, umieszczając większość wrażliwych

struktur w wewnątrz chipu bądź też produkując układy montowane

bezpośrednio na chipie. Oczywiście w takim wypadku pojawiają się

nowe zagadnienia związane z progami przełączania, problemami wy-

nikającymi z różnic napięć zasilających, poziomów sygnałów wejścia/

wyjścia itd. Są to jednak problemy, które można rozwiązać zachowu-

jąc dyrektywy EMC.

Próba obalenia mitów przeszłości

Projektowanie z zachowaniem EMC znacznie wydłuża czas pro-

jektowania jak i podnosi kosztu produkcji. Jest to stwierdzenie nie-

prawdziwe, często wynikające z lenistwa projektantów, niechęci zdo-

bywania nowej wiedzy, jak również poszukiwania przez kierownic-

two pozornych oszczędności w celu maksymalnego obniżenia kosz-

tów produkcji. Sytuacja taka może pojawić się jedynie w przypadku,

Wzrost znaczenia obwodów drukowanych

Do tej pory płytka drukowana jako element składowy urządzenia

elektronicznego była traktowana drugorzędnie. Uwaga zespołu pro-

jektowego skupiała się głównie na warstwie programowej i wyposa-

żeniu mikroprocesora w niezbędne peryferia. Obecnie, prawidłowo

zaprojektowany obwód drukowany stanowi źródło sukcesu, zapew-

niając odpowiednią jakość sygnałów elektrycznych. Niespełnienie

130

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 6/2009

Projektowanie płytek

Rys. 1.

obwodów jednowarstwowych – unikać sytuacji krzyżowania się po-

szczególnych ścieżek (w obrębie jednej warstwy). Dobry edytor PCB

powinien wspierać taki proces poprzez wyświetlanie listy połączeń

(net list), która w widoku modelu PCB ma postać nitek łączących po-

szczególne punkty obwodu, bądź też tak jak Orcad16, wyświetlać wir-

tualne wiązki ( boundles ) zawierające całe magistrale.

Następnym czynnikiem, często niesłusznie pomijanym, jest roz-

mieszczenie elementów bloków funkcjonalnych z uwzględnieniem

ich wzajemnego zakłócania się. Pierwsza podstawowa zasada deter-

minuje rozmieszczenie kondensatorów blokujących możliwie najbli-

żej dedykowanych im układów. Druga zasada mówi, że rozmieszcza-

jąc elementy tworzące poszczególne bloki funkcjonalne urządzenia,

należy robić to tak, aby bloki wprowadzające największe szumy i za-

kłócenia do obwodu, ﬁzycznie znajdowały się możliwie jak najdalej

od bloków wrażliwych na takie zakłócenia, bądź niegenerujących za-

kłóceń. W praktyce problem sprowadza się często do umieszczania

szybkich bloków w pobliżu złącz, czy zasilacza, natomiast bloków

pracujących z niskimi częstotliwościami i niewprowadzających zakłó-

ceń, na pozostałej powierzchni oddalonej od zasilacza. Sytuację taką

przedstawiono na rys. 1 . W ekstremalnych przypadkach, gdy mamy

do czynienia z częstotliwościami radiowymi i miniaturyzacją, należy

zastosować klatki Faradaya mające postać arkuszy blachy nakładanej

na odpowiednie pakiety komponentów. Przykład takiego ekranowania

przedstawiono na fot. 2 . Ważnym zagadnieniem jest sposób montażu

takiego arkusza blachy do płytki drukowanej urządzenia, ponieważ

nie można pozostawić otworów, przez które mogły by się przedostać

fale elektromagnetyczne o określonej długości.

W przypadku konstrukcji modułowych należy skupić szczególną

uwagę na doborze odpowiednich gniazd i właściwego prowadzenia

sygnałów, które najczęściej w takim wypadku są przesyłane na więk-

sze odległości. W ekstremalnej sytuacji może się zdarzyć, że w ogóle

nie będzie możliwe zapewnienie integralności sygnałów w takim pro-

jekcie. Dodatkowo projektant musi mieć świadomość istnienia dodat-

kowej rezystancji na złączu. Dobrze jest sygnały na złączach rozdzie-

lać masą, co zmniejszy impedancję jak i propagowanie zakłóceń.

Inne zagadnienie jakie się pojawia w przypadku takich projektów

to wzajemne oddziaływanie obwodów pracujących w bezpośrednim

sąsiedztwie.

norm EMC powoduje że często uruchomienie urządzenia staje się

niemożliwe, gdyż jakość sygnałów elektrycznych pozostawia wiele

do życzenia. Rozmieszczenie elementów w obrębie obwodu drukowa-

nego najczęściej wynika z warunków narzucanych przez konstrukcję

mechaniczną. Często gotowa, zmontowana płytka musi pasować do

obudowy zaprojektowanej w innym programie CAD. Przykładowo,

potencjometry, przełączniki, wyświetlacz powinny być dostępne na

panelu czołowym obudowy, a nie w środku obwodu jakby to wyni-

kało z optymalnego prowadzenia ścieżek. Nowoczesne pakiety CAD

dla elektroniki, pozwalają na wprowadzenie do projektu informacji

przestrzennej, w postaci modeli 3D elementów wchodzących w skład

projektu.

Nie bez znaczenia dla powstającej konstrukcji są również warun-

ki termiczne panujące wewnątrz obudowy i w środowisku, w którym

użytkowane będzie urządzenie. Nowoczesne programy wspomagające

projektowanie umożliwiają modelowanie tak jednych, jak i drugich

warunków pracy komponentów.

Model taki tworzy się według dokumentacji producenta, co za-

pewnia niemal stuprocentową zgodność z rzeczywistym produktem.

Projektując obwód drukowany w nowoczesnym środowisku, mamy

również możliwość zaimportowania do projektu modelu obudowy, co

pozwala na precyzyjne rozmieszczenie komponentów, otworów, fre-

zów na płytce PCB. Ponadto, mając komplet informacji przestrzennej

można zweryﬁkowaćprojektpodwzględemprawidłowegorozmiesz-

czenia elementów, to znaczy czy poszczególne komponenty nie na-

chodzą na siebie, czy będzie możliwy montaż, itp.

Kolejnym zaleceniem przy rozmieszczeniu elementów, który na

pozór nie ma wiele wspólnego z dyrektywą EMC, jest dążenie do sy-

tuacji, w której poszczególne piny rozmieszczonych elementów moż-

na było bez problemów połączyć zgodnie ze schematem w tak zwaną

mozaikę połączeń. Aby spełnić to zalecenie należy – szczególnie dla

Planowanie stosu warstw, prowadzenie masy

i zasilania

Rozpoczynając projekt konstruktor musi zdecydować ilu warstw

będzie miała płytka drukowana oraz poprawnie zdeﬁniowaćichrolę.

W przypadku obwodów wielowarstwowych dobrze jest poświęcić od-

powiednie warstwy na rozprowadzenie masy i zasilania. W przypadku

obwodów czterowarstwowych poświęcamy dwie warstwy zewnętrz-

ne na prowadzenie połączeń sygnałowych, natomiast wewnętrzne

na rozprowadzenie masy i zasilania. W przypadku obwodów 6 war-

stwowych zalecane jest aby warstwy masy i zasilania znajdowały się

maksymalnie blisko warstw zewnętrznych. Takie rozwiązanie zasad-

niczo obniża impedancję masy i połączeń biegnących w warstwach

sąsiednich. Należy jednak pamiętać o tym, iż przy dużych prądach

mogą wystąpić zjawiska spadku napięcia na obwodzie masy, a co za

tym idzie może zostać zakłócona praca obwodów wysokiej rozdziel-

czości przyłączonych do wspólnej masy. Dlatego też może okazać się

konieczne stosowanie odpowiednich wycięć w płaszczyźnie masy

ograniczających przepływ prądu w obszarach wrażliwych na wszel-

kie spadki napięcia.

Dodatkowo, pomimo wyrównania potencjału masy, należałoby

rozdzielić masę analogową od cyfrowej i połączyć je w pobliżu za-

silacza, np. na kondensatorze elektrolitycznym. W przypadku ist-

nienia w projekcie przetworników należy zastosować się do wytycz-

nych producenta danego układu. Często zalecają oni łączenie mas

pod przetwornikiem. W idealnej sytuacji masa powinna być łączona

Fot. 2.

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 6/2009

131

NOTATNIK KONSTRUKTORA

Rys. 3.

w sieć typu gwiazda z wspólnym punktem odniesienia. Rys. 3 poka-

zuje przykładowy rozdział mas.

W przypadku warstwy zasilania należy zwrócić uwagę na to, aby

nie miała miejsca sytuacja, w której układy analogowe wrażliwe na

szumy wnoszone przez zasilanie zasilane są z tego samego źródła, co

układy cyfrowe. Często w takich sytuacjach należy stosować oddziel-

ne obwody zasilające. Takie rozwiązanie jest jednak kosztowne, więc

najczęściej (jeżeli aplikacja na to pozwala) stosuje się dławik separu-

jący zasilanie cyfrowe od analogowego.

Projektując płaszczyzny zasilania bardzo ważne jest aby w przy-

padku, gdy dwa różne zasilania znajdują się na różnych warstwach,

nie układać ścieżek zasilających nad sobą, ponieważ wówczas zakłó-

cenia będą przedostawać się przez kondensator utworzony z ścieżek

drukowanych i dielektryka w postaci laminatu płytki drukowanej.

Fot. 4.

między poszczególnymi połączeniami (ścieżkami) determinowane

są poprzez względy technologiczne (tj. możliwość wykonania takiej

przerwy w procesie produkcji płytki, grubości warstw dielektrycz-

nych), a nie wytrzymałość na przebicia. Typowo dla napięć nie prze-

kraczających 50 V odległość powinna być większa od 0,5 mm.

Bardzo często zachodzi konieczność prowadzenia połączeń obok

obwodu napięcia zasilającego. Dla 230 V/50 Hz minimalna bezpiecz-

na odległość to co najmniej 3 mm. Należy również unikać prowadze-

nia innych połączeń w warstwach będącymi bezpośrednio nad bądź

pod ścieżkami z wysokim napięciem. Dla obwodów gdzie występują

wysokie napięcia zmienne (np: przetwornice wysokiego napięcia)

często stosuje się dodatkowo szczelinę powietrzną pomiędzy poszcze-

gólnymi połączeniami bądź elementami. Szczelina taka ma postać

frezu wykonanego bezpośrednio w laminacie ( fot. 4 ). Zapobiega ona

„przeskokowi” prądu po laminacie, czyli powstaniu tak zwanego łuku

elektrycznego.

Z punktu widzenia projektu ważne są zależności czasowe po-

szczególnych linii obwodu. Przy wysokich częstotliwościach sygnału

zegarowego, sygnałów na magistralach może dochodzić do sytuacji

iż potrzebne sygnały będą się pojawiały w odpowiednich chwilach

czasowych. Aby zapobiec takiej sytuacji należy zapewnić odpowied-

nie czasy propagacji poszczególnych linii danej magistrali. Realizuje

się to poprzez wyrównywanie długości poszczególnych połączeń, naj-

częściej wstawiając dodatkowe segmenty w kształcie sinusoid o odpo-

wiedniej amplitudzie ( fot. 5 ).

Kolejne zalecenia prowadzenia połączeń dotyczą minimalizacji

zakłóceń mogących bądź występujących w projekcie. Aby jednak

było to możliwe należy najpierw zrozumieć źródła powstawania

zakłóceń i przeciwdziałać ich skutkom. Najczęściej źródła zakłóceń

mogą stanowić przepięcia poszczególnych linii magistral, niedopaso-

Prowadzenie połączeń

Wielu początkujących projektantów sądzi, iż znaczącą część pra-

cy wykona za nich automat trasujący, tak zwany autorouter . Nie jest

to jednak prawda. Znakomitą większość obwodów trzeba zaprojekto-

wać ręcznie jedynie wspomagając się w niektórych momentach auto-

matem. Projekt obwodu jest swojego rodzaju sztuką, w której należy

umiejętnie łączyć zalecenia technologiczne i parametry elektryczne

obwodu. Prowadząc połączenia należy zwrócić szczególną uwagę nie

tylko na wartości prądów i napięć. Prąd o dużym natężeniu, przepły-

wając przez połączenie powoduje wzrost jego temperatury, co może

w efekcie doprowadzić do uszkodzenia lub przepalenia danej ścieżki.

Z reguły współcześni konstruktorzy mają do czynienia z urzą-

dzeniami cyfrowymi, w których przewodzone są niewielkie prądy.

W związku z tym szerokości ścieżek determinowane są przez moż-

liwość ich poprowadzenia, a nie maksymalne natężenie płynącego

przezeń prądu (szerokość jest to praktycznie jedyny parametr do-

stępny projektantowi, który może być zmieniany dość swobodnie

podczas pracy nad projektem). Jednak np. w układach zasilających,

czy też stopniach mocy, prądy płynące w obwodzie mogą osiągnąć

dość znaczne wartości i w takich przypadkach należy prowadzić od-

powiednio dobrane połączenia. W celu uniknięcia nagrzewania się

połączeń należałoby przyjąć, iż obciążalność miedzianego połączenia

(ścieżki) o szerokości 1 mm wynosi 3 A. Jednak pomimo tej zależno-

ści, bezpieczniej jest prowadzić połączenia maksymalnie w danym

momencie szerokie. Często stosuje się pewien zabieg ułatwiający póź-

niejszy serwis projektowanego urządzenia, mianowicie tworzy się na

szerokiej ścieżce mocy jedno miejsce, w którym szerokość połączenia

jest najmniejsza. Miejsce takie powinno być łatwo dostępne i po awa-

rii urządzenia ścieżka ulegnie przepaleniu dokładnie w tym miejscu.

Dzieje się tak, ponieważ węższy fragment połączenia ma rezystancję

wyższą niż pozostałe szersze fragmenty połączenia. Dzięki zastosowa-

niu takiego „chwytu” serwisant ma ułatwioną identyﬁkację powodu

uszkodzenia.

Z reguły w projektowanych obwodach występują niewielkie na-

pięcia. W takim wypadku odległości pomiędzy warstwami, bądź po-

Fot. 5.

132

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 6/2009

Projektowanie płytek

wanie impedancji, odbicia. Im wyższe parametry czasowe połączeń

i wymagania co do stromości zboczy, tym większe wyzwanie dla pro-

jektanta. Połączenie elektryczne na płytce laminatu nie jest idealne,

nie stanowi również jedynie rezystancji. W zależności od długości

połączenia, jego położenie w przestrzeni i kształtu, nabierają znacze-

nia dodatkowe parametry jak indukcyjność i pojemność. Dodatkowo

wskazane jest, aby projektant zapoznał się z teorią linii długich i spo-

sobami wyrównania impedancji.

Nowoczesne pakiety EDA są obecnie w fazie rozwoju pozwalają-

cej na modelowanie w mniej lub bardziej dokładny sposób opisanych

zjawisk, jednak to projektant musi wybrać często optymalne parame-

try połączenia, częstokroć polegając na doświadczeniu.

Projektowanie dla wytwarzania

Każda projektowana płyta drukowana traﬁa do producenta ob-

wodów drukowanych wyposażonego w maszyny, które mają swoje

ograniczenia technologiczne. Należą do nich maksymalne i minimal-

ne średnice wierconych otworów, możliwość wykonania metalizacji,

liczba i kształt narzędzi skrawających, jeśli potrzebne jest frezowa-

nie.

Jeśli płytka ma być montowana przez automat, to konieczne jest

również uwzględnienie narzucanych przezeń wymogów. Są to naj-

częściej odpowiednie umiejscowienie i orientacja poszczególnych

komponentów, wykonanie odpowiednich punkty referencyjnych

i punktów testowych, maksymalne i minimalne wymiary mechanicz-

ne płytki.

Spełnienie tych niekiedy rygorystycznych wymagań jest koniecz-

ne, aby produkt mógł być wprowadzony w bezproblemowy sposób

do produkcji. Po dokładne wytyczne odnośnie montażu i wykonaw-

stwa najlepiej udać się do odpowiednich zakładów produkcyjnych.

Dodatkowo projektant powinien sam przewidywać i minimalizować

wszelkie problemy związane z produkcją np. dbając o to, aby pracow-

nicy ﬁrmyzajmującejsięmontażemmieliłatwydostępdoelementów,

jak i ich odpowiednią orientację ułatwiającą montaż. Wiele pomyłek

można wykluczyć poprzez ujednolicenie orientacji części w obrębie

obwodu np. układając diody czy kondensatory elektrolityczne kato-

dami w jednym kierunku.

Inną kwestią o jakiej należałoby wspomnieć jest montaż ciężkich

elementów po spodniej stronie płytki drukowanej. Jeżeli gotowe urzą-

dzenie będzie pracowało w środowisku narażonym na wibracje, to ist-

nieje duże ryzyko oderwania się takich części od obwodu. W związku

z tym projektant powinien przewidzieć ich dodatkowe mocowanie

mechaniczne w postaci obejm czy uchwytów.

Podsumowanie

Artykuł jest wstępem do profesjonalnego projektowania obwodów

drukowanych. Przedstawione wskazówki mogą jedynie nakreślić ogół

pojęć z jakim należy się zapoznać, chcąc zostać dobrym projektan-

tem, nie tracąc wiele czasu na zbyteczne prototypownie. W kolej-

nych odcinkach cyklu będziemy kontynuować wykład przekazując

zaawansowaną wiedzę na temat projektowania płytek drukowanych

szczegółowo omawiając tylko wzmiankowane wyżej zagadnienia.

Tomasz Świontek

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 6/2009

133

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: