Руководство по базовой компоновке печатной платы для каждого дизайнера

Инженеры часто отдают приоритет схемам, сложным компонентам и коду в электронных проектах, при этом зачастую упуская из виду ключевой элемент — топологию печатной платы. Неправильная топология печатной платы может привести к проблемам с функциональностью и надёжностью. В этой статье представлены практические советы, которые помогут гарантировать оптимальную работу и надёжность ваших проектов печатных плат.

Размер трассировки

Медные дорожки обладают естественным сопротивлением, которое может вызывать падение напряжения, рассеивание мощности и повышение температуры при протекании по ним тока. Разработчики печатных плат решают эту проблему, корректируя длину, толщину и ширину дорожек. Учитывая, что физические свойства меди неизменны, для эффективного контроля сопротивления крайне важно оптимизировать размер дорожек.

Толщина проводника печатной платы измеряется в унциях меди. Например, одна унция меди эквивалентна толщине в 1,4 тысячных дюйма при условии равномерного распределения на площади в один квадратный фут. Хотя многие разработчики используют медь толщиной в 1 или 2 унции, некоторые производители печатных плат могут предложить толщину до 6 унций. Важно отметить, что изготовление тонких элементов, таких как близко расположенные выводы, может быть затруднено при использовании более толстой меди. Рекомендуется проконсультироваться с производителем печатной платы, чтобы узнать о его возможностях.

Чтобы определить оптимальную толщину и ширину дорожек, рекомендуем воспользоваться калькулятором ширины дорожек печатной платы, соответствующим вашему конкретному применению. Цель — достичь повышения температуры примерно на 5°C. Если на плате достаточно места, рекомендуется выбирать более широкие дорожки, поскольку они экономичны. Следует отметить, что на многослойных платах дорожки на внешних слоях охлаждаются лучше, чем на внутренних. Это связано с тем, что тепло от внутренних слоев должно пройти через несколько слоев меди и материала печатной платы, прежде чем рассеяться или отводиться.

Сохраняйте циклы небольшими

Рекомендуется делать контуры максимально компактными, особенно на высоких частотах. Уменьшение размера контура приводит к снижению как индуктивности, так и сопротивления. Размещение контуров над заземляющим слоем дополнительно минимизирует индуктивность, что, в свою очередь, способствует снижению высокочастотного напряжения. Кроме того, компактные контуры минимизируют индуктивную связь от внешних источников и радиоизлучение от узла, что выгодно в большинстве случаев, за исключением случаев проектирования антенны. Крайне важно поддерживать контуры малыми размерами в схемах на операционных усилителях, чтобы предотвратить проникновение помех в схему.

Размещение развязывающих конденсаторов

Для оптимизации эффективности развязки рекомендуется размещать развязывающие конденсаторы как можно ближе к выводам питания и заземления интегральных схем. Более удаленное расположение компонентов может привести к появлению паразитной индуктивности.

Связи Кельвина

Четырёхконтактный метод измерения, также известный как метод Кельвина, получил своё название в честь Уильяма Томсона, лорда Кельвина, который разработал мост Кельвина в 1861 году для точного измерения очень малых сопротивлений. В этом методе каждая пара проводов называется мостом Кельвина.

Соединения Кельвина необходимы для точных измерений, поскольку они размещаются в точных точках, чтобы минимизировать паразитное сопротивление и индуктивность. Например, при измерении тока резистора необходимо располагать соединения непосредственно на контактных площадках резистора, а не в произвольных точках на дорожках. Хотя схема может выглядеть одинаковой независимо от того, выполнены ли соединения на контактных площадках или в других местах, важно отметить, что реальные дорожки имеют индуктивность и сопротивление, которые могут повлиять на точность измерений, если не использовать соединения Кельвина.

Отделите цифровые и зашумленные трассы от аналоговых трасс

Важно отметить, что параллельные дорожки или проводники могут создавать ёмкость, что может привести к ёмкостной связи между сигналами, особенно на высоких частотах. Чтобы избежать потенциальных проблем с нежелательными шумами, важно поддерживать чёткое разделение высокочастотных и шумных дорожек и чувствительных дорожек.

Земля не земля

Важно отметить, что заземление не является идеальным проводником. Поэтому крайне важно прокладывать шумные заземления подальше от чувствительных сигнальных цепей, чтобы поддерживать оптимальное качество сигнала. Важно обеспечить достаточную ширину заземляющих дорожек для обеспечения ожидаемого тока. Размещение заземляющего слоя непосредственно под сигнальными дорожками — эффективный метод снижения импеданса, что положительно сказывается на целостности сигнала.

Через размер и количество

Переходные отверстия влияют на общую индуктивность и сопротивление цепи. В случаях, когда дорожка должна быть проложена по печатной плате (PCB) и требуется низкая индуктивность или сопротивление, рекомендуется рассмотреть возможность использования нескольких переходных отверстий. Более крупные переходные отверстия снижают сопротивление, что делает их незаменимыми для заземления конденсаторов фильтров и сильноточных узлов.

Использование печатной платы в качестве радиатора

Рекомендуется добавлять дополнительную медь вокруг компонентов поверхностного монтажа для увеличения площади поверхности и более эффективного рассеивания тепла. В технических описаниях компонентов, особенно мощных диодов, МОП-транзисторов и регуляторов напряжения, обычно приводятся рекомендации по использованию площади поверхности печатной платы в качестве радиатора.

Тепловые отверстия

Переходные отверстия облегчают передачу тепла с одной стороны печатной платы на другую, что особенно важно при монтаже платы на радиатор или шасси для улучшения теплоотвода. Для теплопередачи эффективнее использовать переходные отверстия большего размера, чем меньшего. Более того, использование нескольких переходных отверстий, как правило, эффективнее, чем использование одного. Это приводит к снижению рабочей температуры компонентов, что, в свою очередь, повышает их надёжность.

Тепловой рельеф

Термобарьер — это метод пайки, при котором используются небольшие соединения между дорожкой или заливкой и выводом компонента для оптимизации процесса пайки. Эти соединения делаются короткими для минимизации электрического сопротивления, что выгодно с инженерной точки зрения. Без термобарьера, хотя компоненты и могут лучше рассеивать тепло благодаря более непосредственному контакту с теплорассеивающими дорожками или заливками, пайка и демонтаж компонента могут стать более сложными.

Расстояние между дорожками и монтажными отверстиями

Важно соблюдать необходимое расстояние между медными дорожками или заливками и монтажными отверстиями, чтобы снизить риск поражения электрическим током. Важно отметить, что паяльная маска не обеспечивает надёжной изоляции. Поэтому важно обеспечить достаточное расстояние между медными поверхностями и монтажными деталями.

Термочувствительные компоненты

Важно обеспечить разделение термочувствительных компонентов от компонентов, генерирующих тепло. К термочувствительным компонентам относятся термопары и электролитические конденсаторы. Важно отметить, что размещение термопар вблизи источников тепла может привести к неточным показаниям температуры, а размещение электролитических конденсаторов вблизи тепловыделяющих компонентов может негативно сказаться на их сроке службы. К тепловыделяющим компонентам относятся мостовые выпрямители, диоды, МОП-транзисторы, катушки индуктивности и резисторы. Количество тепла, выделяемого этими компонентами, зависит от силы протекающего через них тока.

Заключение

В этой статье представлены важные советы по разводке печатной платы, которые могут значительно повысить функциональность и надёжность вашего проекта. Пожалуйста, следуйте этим принципам в своей работе.