Практические советы по разработке печатных плат

Добавлено 26 декабря 2017 в 01:30

Практические советы по компоновке печатных плат

Инженеры, как правило, уделяют самое пристальное внимание к схемам, новейшим компонентами и коду как важным составляющим электронного проекта, но иногда критически важной частью электроники, компоновкой печатной платы, пренебрегают. Плохая компоновка печатной платы может вызвать проблемы в работоспособности и надежности устройства. Данная статья содержит практические советы по компоновке печатных плат, которые могут помочь вашим проектам работать правильно и надежно.

Печатные платы
Печатные платы

Размеры проводников

Реальные медные дорожки обладают сопротивлением. Это означает, что, когда через дорожку протекает ток, на ней падает напряжение, рассеивается мощность, повышается температура. Сопротивление определяется по формуле:

\[R=\frac{(удельное\_сопротивление * длина)}{(толщина*ширина)}\]

Разработчики печатных плат для контроля сопротивления дорожек на печатной плате чаще всего используют длину, толщину и ширину. Сопротивление является физическим свойство металла, используемого для создания дорожки. Разработчики печатных плат не могут реально изменить физические свойства меди, поэтому сосредоточьтесь на размерах проводника, которые вы можете контролировать.

Толщина проводников на печатных платах измеряется в унциях меди. Одна унция меди – это толщина, которую мы бы измерили, если бы равномерно распределили 1 унцию меди на 1 кв. фут. Эта толщина составляет 1,4 тысячных дюйма. Многие разработчики печатных плат используют толщину в 1 или 2 унции меди, но многие производители печатных плат могут обеспечить толщину и 6 унций меди. Обратите внимание, что тонкие элементы, такие как контактные площадки, которые находятся близко друг к другу, сложно изготовить из толстой меди. О возможностях изготовления проконсультируйтесь с производителем, у которого собираетесь заказывать печатные платы.

Соответствие толщины медной фольги к её весу в унциях (oz)
Вес меди (oz)Толщина (мкм)
1/85
1/49
1/218
135
270
3105

Используйте калькулятор расчета ширины дорожки печатной платы, чтобы определить, насколько толстые и широкие дорожки вам необходимы. Ориентируйтесь на повышение температуры на 5°C. Если у вас на плате есть лишнее место, то увеличивайте ширину дорожек, ведь это ничего не стоит.

При создании многослойной платы помните, что дорожки на внешних слоях имеют лучшее охлаждение, чем на внутренних слоях, потому что тепло с внутренних слоев перед рассеиванием в окружающую среду должно проходить сквозь слои меди и материала печатной платы.

Делайте петли маленькими

Петли, особенно высокочастотные петли, должны быть как можно меньше. Маленькие петли обладают меньшей индуктивностью и сопротивлением. Размещение петель над полигоном земли приводит к уменьшению индуктивности. Уменьшение петель уменьшает высокочастотные выбросы напряжения, вызываемые \(V=L\frac{di}{dt}\). Уменьшение петель помогает уменьшить количество сигналов, которые через индуктивные связи наводятся в петлях от внешних источников или передаются от петель наружу. К этому необходимо стремиться, только если вы не проектируете антенну. Также не делайте петли большими в схемах на операционных усилителях, чтобы предотвратить появление в схеме шумов.

Петлевая антенна на печатной плате
Петлевая антенна на печатной плате

Размещение блокировочного конденсатора

Помещайте блокировочные конденсаторы как можно ближе к выводам питания и земли интегральных микросхем, чтобы максимизировать эффективность развязки. Размещение конденсаторов дальше от микросхемы приводит появлению паразитной индуктивности. Использование нескольких переходов от площадки вывода конденсатора до слоя земли уменьшает индуктивность.

Блокировочный конденсатор (конденсатор развязки)
Блокировочный конденсатор (конденсатор развязки)

Кельвиновские соединения

Кельвиновские соединения полезны для измерений. Кельвиновские соединения для уменьшения паразитных сопротивлений и индуктивностей выполняются в конкретных местах. Например, кельвиновские соединения для резистора измерения тока помещаются точно на площадках установки резистора, а не на произвольных местах печатных дорожек. Хотя на схеме размещение соединений и на площадках установки резистора, и на произвольных местах может выглядеть одинаково, реальные дорожки на печатных платах обладают индуктивностью и сопротивлением, которые могут помешать вашим измерениям, если вы не используете кельвиновские соединения.

Кельвиновские соединения к шунту измерения тока
Кельвиновские соединения к шунту измерения тока

Держите цифровые и шумящие дорожки подальше от аналоговых дорожек

Параллельные дорожки или проводники образуют конденсатор. Размещение дорожек близко друг к другу создает емкостную связь между сигналами на дорожках, особенно если это высокочастотные сигналы. Держите высокочастотные и шумящие дорожки подальше от дорожек, на которых шум недопустим.

Земля – это не земля

Земля – это не идеальный проводник. Позаботьтесь о том, чтобы проложить шумные земли подальше от сигналов, которые должны быть чистыми. Сделайте проводники земли достаточно широкими для работы с электрическими токами, которые будут протекать через них. Размещение земляного полигона непосредственно под сигнальными проводниками уменьшает импеданс этих дорожек, что очень хорошо.

Земля на печатной плате
Земля на печатной плате

Размер и количество переходов

Переходы обладают индуктивностью и сопротивлением. Если вы проводите дорожку с одной стороны печатной платы на другую сторону, и вам необходимо, чтобы индуктивность и сопротивление не увеличились, используйте несколько переходов. Большие переходы имеют более низкое сопротивление. Это особенно полезно для конденсаторов фильтров и узлов с высокими токами. Используйте калькулятор размера переходов.

Использование печатной платы в качестве радиатора

Поместите дополнительную медь вокруг компонента поверхностного монтажа, чтобы обеспечить дополнительную площадь поверхности для более эффективного рассеивания тепла. В технических описаниях некоторых компонентов (особенно у силовых диодов, силовых MOSFET транзисторов, стабилизаторов напряжения) есть рекомендации по использованию поверхности печатных плат в качестве радиаторов.

Использование печатной платы в качестве радиатора
Использование печатной платы в качестве радиатора

Тепловые переходы

Переходы можно использовать для отвода тепла с одной стороны печатной платы на другую сторону. Это особенно полезно, когда печатная плата установлена на радиаторе или на шасси, которое может дополнительно рассеять тепло. Большие переходы переносят тепло более эффективно, чем небольшие переходы. Несколько переходов переносят тепло и снижают рабочую температуру компонентов более эффективно, чем один переход. Более низкие рабочие температуры способствуют повышению надежности.

Тепловые переходы
Тепловые переходы

Тепловые барьеры

Тепловой барьер – это выполнение соединений между контактной площадкой компонента и проводником или заливкой, которое облегчает пайку. Эти соединения делаются короткими, чтобы уменьшить влияние на электрическое сопротивление. Если на выводах компонента тепловые барьеры не используются, то температура компонента будет ниже благодаря лучшему тепловому соединению с проводниками или заливками, которые могут рассеивать тепло, но при этом компонент будет труднее припаять или отпаять.

Тепловые барьеры
Тепловые барьеры

Расстояние между проводниками и монтажными отверстиями

Оставляйте место между монтажными отверстиями и медными дорожками или заливками; это поможет предотвратить опасность короткого замыкания. Паяльная маска не считается надежным изолятором, поэтому следите за расстоянием между медью и любыми крепежными деталями.

Расстояние между проводниками и монтажными отверстиями
Расстояние между проводниками и монтажными отверстиями

Компоненты, чувствительные к нагреву

Держите компоненты, чувствительные к нагревы, подальше от компонентов, которые выделяют тепло. Примеры компонентов, чувствительных к теплу, включают в себя термопары и электролитические конденсаторы. Размещение термопар вблизи источников тепла может привести к бесполезности температурных измерений. Размещение электролитических конденсаторов вблизи компонентов, выделяющих тепло, сократит срок их службы. Компоненты, которые генерируют тепло, могут включать в себя мостовые выпрямители, диоды, MOSFET транзисторы, индуктивности и резисторы. Выделяемое тепло зависит от тока, протекающего через компоненты.

Заключение

В данной статье рассмотрены некоторые основные практические советы по компоновке печатных плат, которые могут положительно повлиять на функциональность и надежность ваших разработок. Знаете еще какие-либо советы и трюки? Оставляйте их в комментариях!


На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.


Сообщить об ошибке