چیدمان PCB و EMC برای میکروکنترلرهای سری MB90. ابزار توسعه PCB

همانطور که در بالا ذکر شد، مدارها متفاوت هستند: بخش دیجیتال. قسمت آنالوگ؛ بخش قدرت؛ بخش رابط تمام این قسمت های زنجیره در صورت امکان از نظر فضایی ضروری هستند. در غیر این صورت، "معجزه" ممکن است رخ دهد. بنابراین، به عنوان مثال، اگر دستگاه شما یک صفحه لمسی داشته باشد (خازن با یک بستر مسی روی برد کشیده شده است)، و یک مبدل منبع تغذیه سوئیچینگ را در کنار آن قرار دهید، تداخل منجر به آلارم کاذب می شود. مثال دیگر: قرار دادن یک بخش برق مثلاً رله در نزدیکی بخش دیجیتال یا آنالوگ در بدترین حالت می تواند به داخل میکروکنترلر آسیب برساند و پتانسیل بالای 5 ولت روی پا ایجاد کند و مثبت کاذب (در دیجیتال). بخش) یا خوانش های نادرست (در بخش آنالوگ) اما اگر وضوح ADC کمتر از 10 بیت باشد، ممکن است زمینه ها به اشتراک گذاشته نشود، زیرا تأثیر معمولاً حداقل است.

با "متفاوت" کردن زمین ها، تاثیر اینها بر یکدیگر را کاهش می دهید. هنگام کشت زمین باید به چه نکاتی توجه کرد؟

با به حداکثر رساندن سطح زمین روی PCB، اندوکتانس آن به حداقل می رسد که به نوبه خود منجر به تشعشع کمتر می شود. بعلاوه، با افزایش مساحت، مصونیت نویز برد مدار چاپی افزایش می یابد. دو راه برای افزایش مساحت وجود دارد: تخته را به طور کامل پر کنید یا آن را به صورت شبکه ای در آورید.

پر کردن کامل اجازه می دهد تا کمترین امپدانس را به دست آورید - این یک سیستم زمین "ایده آل" است (شبکه کمی بدتر است).

با این حال، در تخته هایی با مساحت بزرگ، می توانید یک زمین جامد را پر کنید. چند ضلعی باید در هر دو طرف تخته تا حد امکان یکنواخت قرار گیرد. با استفاده از گرید، لازم است مرحله آن را کنترل کنید:.

چند ضلعی های روی بردهای چند لایه باید در چندین مکان متصل شوند، در زیر "قفس فارادی" در طراحی برد مدار چاپی آمده است. این تکنیک در فرکانس های گیگاهرتز استفاده می شود.

اگر زمین به عنوان یک مسیر ساده هدایت می شود، توصیه می شود سیم برق را در طرف مقابل تخته سیم کشی کنید. در مورد تخته چند لایه، زمین و خطوط برق نیز در لایه های جداگانه قرار می گیرند.

مقاومت هادی ها به فرکانس نیز بستگی دارد (نگاه کنید به ). هرچه فرکانس بیشتر باشد، مقاومت مسیر/زمین بالاتر است. بنابراین، برای مثال، اگر در 100 هرتز مقاومت زمین 574 μΩ باشد، و مسیر سیگنال (1 میلی متر عرض، 10 میلی متر طول، 35 میکرومتر ضخامت) 5.74 mΩ باشد، در فرکانس 1 هرتز آنها مقادیر را می گیرند. 11.6 mΩ و 43، 7 Ohm. همانطور که می بینید، تفاوت بسیار زیاد است. بعلاوه خود برد مخصوصا در جاهایی که سیم ها به برد وصل می شوند شروع به تابش می کند.

ما "زمین" را از یک دیدگاه کلی بررسی کردیم، اما با رفتن به جزئیات، لازم است در مورد زمین به اصطلاح "سیگنال" بحث شود، که در آن:

الف) اتصال تک نقطه ای یک توپولوژی نامطلوب از نظر نویز است. اتصال سری امپدانس زمین را افزایش می دهد که منجر به مشکلاتی در فرکانس های بالا می شود. محدوده معتبر برای این توپولوژی 1 هرتز تا 10 مگاهرتز است، مشروط بر اینکه طولانی ترین مسیر زمین از 1/20 طول موج تجاوز نکند.

ب) اتصال چند نقطه ای امپدانس قابل توجهی کمتری دارد - در مدارهای دیجیتال و در فرکانس های بالا توصیه می شود. اتصالات باید تا حد امکان کوتاه باشند تا مقاومت به حداقل برسد. در مدارهایی با فرکانس پایین، این توپولوژی بهترین انتخاب نیست. اگر برد دارای قسمت LF و HF باشد، HF باید نزدیکتر به زمین و LF - نزدیکتر به خط برق قرار گیرد.

ج) اتصال هیبریدی - توصیه می شود در صورت وجود اجزای مختلف بر روی یک برد مدار چاپی از آن استفاده کنید: دیجیتال، آنالوگ یا برق. آنها در فرکانس های مختلف کار می کنند و برای دقت و پایداری بیشتر دستگاه نباید مخلوط شوند.

نمونه ای از تقسیم اراضی:

در مورد ما (تقریباً) فقط یک بخش وجود دارد - دیجیتال. روی برد کانکتورهایی وجود خواهد داشت، اما جریان های عبوری از آنها ناچیز است (برنامه نویس، پین UART برای ماژول Wi-Fi) و نباید بر عملکرد دستگاه تأثیر بگذارد. علیرغم این واقعیت که فرکانس ساعت میکروکنترلر 24 مگاهرتز است، تمام تجهیزات جانبی که با آن متصل است در فرکانس های قابل توجهی کمتر از 10 مگاهرتز کار می کنند (به استثنای ماژول Wi-Fi که فرکانس آن 2.4 گیگاهرتز است). به عبارت دیگر، اتصال تک نقطه ای نیز می تواند در دستگاه ما استفاده شود، با این حال، سیستم چند نقطه ای این کار را انجام می دهد. همچنین توصیه می شود که چند ضلعی را در زیر تمام مدارهای فرکانس بالا غیر تابشی قرار دهید (مانند میکروکنترلر ما، اما بعداً در مورد آن صحبت خواهیم کرد).

با استفاده از پر کردن کامل محل دفن زباله، ارزش برداشتن مس زیر ماژول Wi-Fi را دارد - این از محافظت از تشعشع آن جلوگیری می کند.

تمام بخش های مس عایق شده (مس مرده) باید برداشته شوند، زیرا در HF شروع به تابش می کنند و با خطوط سیگنال تداخل می کنند. پتانسیل در این گونه قطعات با زمین متفاوت است و نامطلوب است.

علاوه بر زمین / چند ضلعی، مسیرهای سیگنال دیگری نیز روی برد وجود دارد. یک سیگنال ساعت می تواند در امتداد آنها حرکت کند (به عنوان مثال، خط SCK تراشه MAX7219) یا داده ها می توانند منتقل شوند (ردهای RX و TX UART از ماژول Wi-Fi). چیدمان آنها کار کمتر مهمی نیست - باید چند قانون را بدانید. اول، برای به حداقل رساندن تداخل از یک هادی به هادی دیگر، فاصله بین آنها باید حفظ شود.

برای سیگنال های ساعت، و همچنین خطوط صوتی، تصویری و تنظیم مجدد، توصیه می شود حداقل دو عرض مسیر در طرفین باقی بماند. در موارد بخصوص بحرانی، سعی کنید از عبور از مسیرهای طرف مقابل تخته خودداری کنید.

احتمالاً قبلاً تخته‌های مدار چاپی دستگاه‌های مختلف را دیده‌اید - و متوجه شده‌اید که اکثر آنها فاقد زوایای راست هستند.

در فرکانس های بالا، آنها به عنوان آنتن عمل می کنند، بنابراین هنگام چرخش به زوایای 45 درجه متوسل می شوند.

پیش از این، بردهای مدار چاپی با دست کشیده می شدند، به این معنی که زوایای آن دلخواه بود (نه به طور دقیق 45 درجه). از نقطه نظر EMC، چنین طرح بندی بهتر است، اما به شما اجازه نمی دهد که برد را به شکل قابل فهم تری بیاورید. در حال حاضر، تمام سیستم های CAD مدرن عمدتاً پشتیبانی می شوند.

از جمله، هنگام چرخش 90 درجه، به این معنی که در مدارهای قدرتمند با جریان بالا، این می تواند منجر به گرم شدن بیش از حد و فرسودگی بخش شود. در مدارهای فرکانس پایین استفاده از اتصالات T شکل بلامانع است اما در مدارهای فرکانس بالا مشکلاتی را به همراه خواهد داشت.

از سوی دیگر، باید از گوشه های تیز اجتناب شود - این از نقطه نظر فن آوری بد است. در چنین مکان هایی، "رکود" معرف های شیمیایی ایجاد می شود و در حین اچ کردن، بخشی از هادی به سادگی خورده می شود.

از جمله، عرض هادی باید ثابت باشد، زیرا هنگامی که تغییر می کند، مسیر شروع به مانند یک آنتن می کند. توصیه نمی شود که ویاها را روی صفحه تماس یا در مجاورت عنصر قرار دهید (بدون جدا کردن آنها با ماسک لحیم کاری)، زیرا این می تواند منجر به سرریز لحیم و در نتیجه باعث نقص مونتاژ شود. بهتر است رویه ها را با ماسک لحیم کاری بپوشانید.

عناصری که به چند ضلعی متصل می شوند باید با یک مانع حرارتی از هم جدا شوند که از گرم شدن ناهموار لنت در حین لحیم کاری جلوگیری می کند.

میکروکنترلر

ما مسائل اساسی را در مورد چیدمان PCB پوشش داده ایم، زمان آن رسیده است که به موارد خاصی برویم، به ویژه، بهترین روش ها را برای سیم کشی برق و خطوط زمین میکروکنترلر در نظر بگیریم.

خازن های مسدود کننده باید تا حد امکان نزدیک ترمینال های میکروکنترلر قرار گیرند به گونه ای که در امتداد "مسیر" جریان قرار گیرند. در غیر این صورت، به سادگی هیچ فایده ای در آنها وجود ندارد.

برای چاپ یک طرفه، قالب به شکل زیر است:

در مورد برد دو طرفه، قرار دادن خازن ها در زیر میکروکنترلر راحت است، اما با نصب دسته ای بزرگ و خودکار، مشکلات فنی ایجاد می کند. معمولا سعی می شود اجزا در یک طرف قرار گیرند.

کریستال، منبع ساعت نیز باید تا حد امکان نزدیک به پاها قرار گیرد. تخته یک طرفه:

تمام جامپرهای بین پایه های ریز مدارهای SMD باید خارج از نقطه لحیم کاری باشند:

و در آخر چند نکته مفید.

در این بخش به چگونگی جلوگیری از اعوجاج سیگنال دیجیتال مرتبط با انتقال آن در امتداد هادی روی برد مدار چاپی می پردازیم. علیرغم این واقعیت که این در درجه اول وظیفه مهندس مدار است، طراح برد مدار چاپی نیز اغلب مقصر مشکلات انتقال سیگنال از طریق برد و همچنین نویز و تداخلی است که روی برد رخ می دهد.

چرا سیگنال در حین انتقال مختل می شود؟
اول از همه، اعوجاج در سیگنال های فرکانس بالا با فرکانس 1 گیگاهرتز یا بیشتر ذاتی است. این به دلیل تأثیر رزونانس ها و بازتاب ها بر روی بخش های جداگانه هادی ها، ویاس ها، شاخه های روی برد و همچنین در ورودی گیرنده ها است. با این حال، مشکل این است که سیگنال‌هایی با فرکانس حداکثر 500 مگاهرتز، معمولی برای مدارهای دیجیتال استاندارد، همانطور که در زیر خواهیم دید، اغلب می‌توانند به طور قابل توجهی تحریف شوند، به این معنی که می‌توانند به مدارهای با فرکانس بالا نیز نسبت داده شوند.

ایده پشت انتقال بدون اعوجاج چیست؟
اصل انتقال سیگنال بدون اعوجاج این است که هادی به عنوان یک خط انتقال (یا "خط طولانی") با یک ویژگی مشخص (مشخصه) امپدانس طراحی شده است، به عنوان مثال. امپدانس Z 0، از منبع تا گیرنده سیگنال یکسان است که یکنواختی خط را تضمین می کند. شرط دوم سازگاری خط با منبع و گیرنده سیگنال است. برخلاف یک هادی معمولی، چنین خط انتقالی بدون توجه به اینکه چقدر طولانی باشد، منجر به تشدید، اعوجاج یا بازتاب در انتقال سیگنال نمی شود. خطوط انتقال را می توان با استفاده از موادی با پارامترهای شناخته شده و اطمینان از ابعاد مورد نیاز عناصر الگوی چاپی، به راحتی بر روی برد مدار چاپی پیاده سازی کرد. بین پایان خط سریال و موازی تمایز قائل شد؛ در این مورد، لازم است از مقاومت های پایان دهنده خاصی در خروجی منبع و / یا ورودی گیرنده سیگنال استفاده شود. خطوط انتقال تشکیل شده بر روی برد البته می توانند با استفاده از کانکتورها و کابل هایی با امپدانس مشخصه کنترل شده Z 0 به خارج از برد گسترش یابند.

برای کدام سیگنال ها اعوجاج قابل توجه است؟
با مقایسه طول هادی روی برد با طول موجی که بالاترین فرکانس جزء سیگنال ارسالی دارد (هنگام انتشار، مثلاً در ماده FR4)، می توان به اصطلاح طول الکتریکی هادی را تعیین کرد. . طول الکتریکی را می توان در کسری از حداقل طول موج یا در کسری از مقدار معکوس آن - مدت زمان جلویی بیان کرد. اگر طول الکتریکی یک هادی بسیار طولانی است، آن هادی را به عنوان خط انتقال طراحی کنید تا از اعوجاج بیش از حد سیگنال جلوگیری کنید. توجه داشته باشید که هنگام ارسال سیگنال های فرکانس بالا، خطوط انتقال باید نه تنها برای کاهش اعوجاج، بلکه برای کاهش سطح تابش الکترومغناطیسی (EMP) استفاده شود.

نصف قانون جلو
یک قانون کلی این است که یک هادی از نظر الکتریکی طولانی است (آنچه مهندسی برق می نامد "خط طولانی") اگر زمان سفر لبه جلویی سیگنال از منبع تا دورترین گیرنده از نصف مدت زمان لبه جلویی سیگنال بیشتر شود. در این حالت است که انعکاس خط می تواند به طور قابل توجهی جلوی سیگنال را مخدوش کند. بیایید فرض کنیم که دستگاه حاوی ریزمدارهایی با زمان افزایش 2 ns (به عنوان مثال، طبق مستندات سری FastTTL) است. ثابت دی الکتریک مواد PCB (FR4) در فرکانس های بالا نزدیک به 4.0 است که سرعت جلویی حدود 50٪ سرعت نور یا 1.5.10 8 m / s را می دهد. این مربوط به زمان انتشار در جلو 6.7 ps/mm است. با چنین سرعتی، جلو حدود 300 میلی متر را در 2 ثانیه طی می کند. از این می توان نتیجه گرفت که برای چنین سیگنال هایی فقط در صورتی باید از "خطوط انتقال" استفاده کرد که طول هادی بیش از نصف فاصله داده شده باشد - یعنی 150 میلی متر.

متأسفانه این پاسخ صحیح نیست. قانون نیم افزایش بیش از حد ساده است و در صورت عدم توجه می تواند مشکل ساز باشد.

مسائل رویکرد ساده شده
داده های مربوط به زمان افزایش، که در مستندات ریزمدارها ارائه شده است، حداکثر مقدار را منعکس می کند، و اغلب زمان سوئیچینگ واقعی بسیار کمتر است (مثلاً، می تواند 3-4 برابر کمتر از "حداکثر" باشد، و به سختی می تواند باشد. تضمین می شود که از دسته ای به دسته دیگر ریز مدارها تغییر نخواهد کرد). علاوه بر این، جزء خازنی اجتناب ناپذیر بار (از آی سی های متصل به خط) سرعت انتشار سیگنال را در مقایسه با سرعت محاسبه شده قابل دستیابی روی PCB خالی کاهش می دهد. بنابراین، برای دستیابی به یکپارچگی کافی سیگنال ارسالی، خطوط انتقال باید برای هادی‌های بسیار کوتاه‌تر از قانون توصیف شده قبلی استفاده شود. می توان نشان داد که برای سیگنال هایی با زمان افزایش (طبق مستندات) 2 ns، توصیه می شود از خطوط انتقال از قبل برای هادی هایی استفاده کنید که طول آنها از 30 میلی متر بیشتر است (و گاهی اوقات حتی کمتر)! این امر به ویژه برای سیگنال هایی که عملکرد همگام سازی یا راه اندازی را دارند صادق است. این سیگنال ها هستند که با مشکلات مرتبط با "مثبت نادرست"، "محاسبه مجدد"، "رفع داده های نادرست" و موارد دیگر مشخص می شوند.

چگونه خطوط انتقال را طراحی کنیم؟
انتشارات زیادی وجود دارد که به انواع خطوط انتقال، نحوه طراحی آنها بر روی برد مدار چاپی، نحوه بررسی پارامترهای آنها اختصاص داده شده است. به طور خاص، استاندارد IEC 1188-1-2: 1988 توصیه های مفصلی در این زمینه ارائه می کند. همچنین محصولات نرم افزاری زیادی وجود دارد که به شما در انتخاب طراحی خط انتقال و ساختار برد مدار چاپی کمک می کند. اکثر سیستم های طراحی PCB مدرن دارای نرم افزار داخلی هستند که به طراح اجازه می دهد خطوط انتقال را با پارامترهای مشخص شده طراحی کند. به عنوان مثال می توان به برنامه هایی مانند AppCAD، CITS25، TXLine اشاره کرد. کامل ترین قابلیت ها توسط محصولات نرم افزاری Polar Instruments ارائه شده است.

نمونه هایی از خطوط انتقال
به عنوان مثال، ساده ترین انواع خطوط انتقال را در نظر بگیرید.

چگونه یک خط انتقال را به بهترین شکل طراحی کنیم؟
سیگنال‌های بالاترین سرعت (یا بحرانی‌ترین) باید در لایه‌های مجاور سطح زمین (GND) باشند، ترجیحاً یکی که با طرح قدرت برای جداسازی جفت شود. اگر این برنامه ها به اندازه کافی جدا شده باشند و پر سر و صدا نباشند، می توان سیگنال های مهم کمتری را به برنامه های غذایی ارسال کرد. هر یک از این طرح های قدرت باید با میکرو مداری که این سیگنال با آن یا به آن عرضه می شود، مرتبط باشد. بهترین ایمنی نویز و EMC توسط خطوط نواری بین دو پلن GND ارائه می‌شود که هر کدام با یک طرح برق متفاوت برای جداسازی جفت می‌شوند.
خط انتقال نباید دارای سوراخ، شکاف یا شکاف در هیچ یک از صفحات مرجع نسبت به آن ترسیم شده باشد، زیرا این امر منجر به تغییرات قابل توجهی در Z 0 می شود. ضمناً خط نوار باید تا حد امکان از هرگونه شکست در پلان یا از لبه صفحه مرجع دور باشد و این فاصله نباید کمتر از ده برابر عرض هادی باشد. خطوط انتقال مجاور باید با حداقل سه عرض رسانا از هم جدا شوند تا تداخل از بین برود. سیگنال‌های بسیار بحرانی یا «تهاجمی» (مانند ارتباط با آنتن رادیویی) می‌توانند با استفاده از یک خط متقارن با دو ردیف گذرگاه نزدیک که آن را از سایر هادی‌ها مسدود کرده و ساختار کواکسیال در PCB ایجاد می‌کند، از EMC بهره ببرند. با این حال، برای چنین ساختارهایی، محاسبه Z 0 با استفاده از فرمول های مختلف انجام می شود.

چگونه می توان هزینه یک پروژه را کاهش داد؟
انواع خطوط انتقالی که در بالا توضیح داده شد تقریباً همیشه نیاز به استفاده از یک برد چند لایه دارند، بنابراین، ممکن است برای ایجاد محصولات انبوه از دسته قیمت پایین تر قابل استفاده نباشند (اگرچه برای حجم های بزرگ، بردهای مدار چاپی 4 لایه فقط 20-30 هستند. % گرانتر از دو طرفه). البته برای طرح های کم هزینه از انواع خطوط مانند متعادل (یکنواخت) یا همسطح نیز استفاده می شود که می توان آن ها را روی تخته تک لایه طراحی کرد. باید در نظر داشت که خطوط تک لایه خطوط انتقال چندین برابر بیشتر از خطوط میکرواستریپ و نوار مساحت بیشتری را بر روی برد اشغال می کنند. به علاوه، صرفه جویی در هزینه PCB به این معنی است که هزینه بیشتری برای محافظ اضافی و فیلتر نویز پرداخت می کنید. یک قانون کلی وجود دارد که حل مشکلات EMC در سطح بسته بندی محصول 10 تا 100 برابر بیشتر از حل همان مشکل در سطح PCB هزینه دارد.
بنابراین، همانطور که بودجه توسعه خود را با کاهش تعداد لایه‌های PCB کاهش می‌دهید، آماده باشید که زمان و هزینه بیشتری را صرف سفارش چندین تکرار نمونه PCB کنید تا از سطح مورد نیاز یکپارچگی سیگنال و EMC اطمینان حاصل کنید.

چگونه می توان اثر منفی تغییر لایه ها را کاهش داد؟
طبق قوانین سیم کشی معمولی، حداقل یک خازن جداکننده در نزدیکی هر ریز مدار وجود دارد، به طوری که می توانیم لایه نزدیک ریز مدار را تغییر دهیم. با این حال، طول کل بخش هایی که در لایه "راه راه" قرار ندارند باید در نظر گرفته شود. یک قانون کلی این است که کل طول الکتریکی این بخش ها نباید از یک هشتم زمان افزایش بیشتر شود. اگر تغییر بیش از حد بزرگ در Z 0 می تواند در هر یک از این بخش ها رخ دهد (به عنوان مثال، هنگام استفاده از سوکت های ZIF یا انواع دیگر سوکت ها برای میکرو مدارها)، بهتر است سعی کنید این طول را به یک دهم زمان جلویی به حداقل برسانید. از قانون فوق برای تعیین حداکثر طول کل مجاز قطعات غیراستاندارد استفاده کنید و سعی کنید تا حد امکان آن را در این محدوده ها به حداقل برسانید.
بر این اساس، برای سیگنال هایی با زمان افزایش (طبق مستندات) 2 ns، ما باید لایه را بیش از 10 میلی متر از مرکز ریز مدار یا از مرکز مقاومت تطبیق تغییر دهیم. این قانون با در نظر گرفتن یک حاشیه 4 برابری برای این واقعیت ایجاد شده است که زمان سوئیچینگ واقعی می تواند به طور قابل توجهی کمتر از حداکثر با توجه به مستندات باشد. تقریباً در همان فاصله (نه بیشتر) از محل تغییر لایه، باید حداقل یک خازن جداکننده وجود داشته باشد که زمین و طرح های برق مربوطه را به هم متصل کند. دستیابی به چنین فواصل کوچکی با آی سی های بزرگ دشوار است، بنابراین در سیم کشی مدارهای پرسرعت مدرن معایبی وجود دارد. با این حال، این قانون این واقعیت را توجیه می‌کند که ریزمدارهای کوچک در مدارهای پرسرعت ترجیح داده می‌شوند و واقعیت توسعه سریع فناوری‌های BGA و Flip-chip را توضیح می‌دهد که مسیر سیگنال را از هادی روی برد به ریزمدار به حداقل می‌رساند. تراشه

مدل سازی و آزمایش نمونه های اولیه
با توجه به گزینه های بسیار زیاد برای ریز مدارها و حتی گزینه های بیشتر برای استفاده از آنها، برخی از مهندسان ممکن است این قوانین کلی را به اندازه کافی دقیق نباشند، و برخی دیگر آنها را اغراق آمیز در نظر بگیرند، اما این نقش "قوانین سرانگشتی" است - این فقط یک تقریب تقریبی که به طراحی بصری اجازه می دهد تا دستگاه ها به درستی کار کنند.
در حال حاضر ابزارهای مدل سازی کامپیوتری روز به روز در دسترس تر و پیشرفته تر می شوند. آنها امکان محاسبه یکپارچگی سیگنال، پارامترهای EMC را بسته به ساختار لایه واقعی و مسیریابی سیگنال می دهند. البته، کاربرد آنها نتایج دقیق تری نسبت به استفاده از تقریب های تقریبی ما خواهد داشت، بنابراین توصیه می کنیم تا حد امکان از شبیه سازی های کامپیوتری به طور کامل استفاده کنید. با این حال، فراموش نکنید که زمان سوئیچینگ واقعی ریزمدارها می تواند به طور قابل توجهی کوتاهتر از آنچه در مستندات نشان داده شده باشد، و این می تواند منجر به نتایج نادرست شود، بنابراین مطمئن شوید که مدل مراحل خروجی و ورودی با واقعیت مطابقت دارد.
مرحله بعدی آزمایش عبور سیگنال بحرانی بر روی اولین "نمونه اولیه" برد مدار چاپی با استفاده از یک اسیلوسکوپ فرکانس بالا است. اطمینان حاصل کنید که شکل موج با حرکت در سراسر PCB در تمام طول رسانا تحریف نشده است، و صرفاً رعایت قوانین بالا بعید است در بار اول نتیجه عالی داشته باشد، اگرچه می تواند بسیار خوب باشد. استفاده از تحلیلگر میدان الکترومغناطیسی RF یا آنالایزر طیف، می تواند راه دیگری برای بررسی یکپارچگی سیگنال و مشکلات EMC در سطح PCB "نمونه اولیه" باشد. تکنیک های چنین تحلیلی موضوع این مقاله نیست.
حتی اگر از شبیه سازی مدارهای پیچیده استفاده می کنید، از یکپارچگی سیگنال و بررسی های EMC در اولین نمونه های اولیه PCB غافل نشوید.

ارائه امپدانس موج در مرحله ساخت PCB
مواد PCB معمولی FR4 دارای ثابت دی الکتریک (Er) در حدود 3.8 ... 4.2 در هر گیگاهرتز است. مقادیر واقعی Er ممکن است در 25% در نوسان باشد. موادی از نوع FR4 وجود دارند که ارزش E r برای آنها استاندارد شده و توسط تامین کننده تضمین شده است، و قیمت آنها بسیار بیشتر از مواد معمولی نیست، اما سازندگان PCB موظف به استفاده از انواع "استاندارد شده" FR4 نیستند، مگر اینکه به طور خاص در سفارش ذکر شده باشد. برای PCB
سازندگان مدار چاپی با ضخامت های استاندارد دی الکتریک ها ("پیش آغشته" و "ورقه ورقه") کار می کنند، و ضخامت آنها در هر لایه باید قبل از شروع به تولید، با در نظر گرفتن تحمل ضخامت (حدود 10 ٪) تعیین شود. برای ارائه یک Z 0 معین، برای ضخامت دی الکتریک معین، می توانید عرض هادی مناسب را انتخاب کنید. برای برخی از تولید کنندگان لازم است که عرض هادی مورد نیاز واقعی را نشان دهیم، برای برخی دیگر - با حاشیه برای زیر برش، که می تواند به 25-50 میکرون نسبت به عرض اسمی برسد. بهترین گزینه این است که به سازنده نشان دهید چه عرض هادی در کدام لایه ها طراحی شده است تا از Z 0 مشخص شده اطمینان حاصل شود. در این حالت سازنده می تواند عرض هادی و ساختار لایه را تنظیم کند تا پارامترهای مشخص شده را مطابق با تکنولوژی تولید خود ارائه دهد. علاوه بر این، سازنده امپدانس مشخصه واقعی را در هر قسمت خالی کارخانه اندازه‌گیری می‌کند و تخته‌هایی را که Z 0 روی آن‌ها در تلورانس ± 10% یا دقیق‌تر قرار نمی‌گیرد، رد می‌کند.
برای سیگنال های بالاتر از 1 گیگاهرتز، ممکن است لازم باشد از مواد با فرکانس بالاتر با پایداری بهتر و سایر پارامترهای دی الکتریک (مانند Rogers' Duroid و غیره) استفاده شود.

ادبیات
1. تکنیک های طراحی برای EMC و یکپارچگی سیگنال، Eur Ing Keith Armstrong.
2. IEC 61188-1-2: 1998 تابلوهای چاپی و مجامع تابلوهای چاپی - طراحی و استفاده. بخش 1-2: الزامات عمومی - امپدانس کنترل شده، www.iec.ch.
3. طراحی بردهای مدار چاپی چند لایه با پیچیدگی بالا. سمینار فناوری PCB، 2006.
4.http: //library.espec.ws/books/chooseant/CHAPTER6/6-1.htm
5. طراحی سخت افزار. والت کستر.

1. مقررات عمومی

برای جلوگیری از مشکلات الکترواستاتیک و نویز، هنگام سیم کشی برد مدار چاپی باید قوانین خاصی رعایت شود. بحرانی ترین نقطه نتیجه C است، زیرا به منبع تغذیه داخلی 3.3 ولتی هسته MK متصل است. بنابراین خازن فیلتر باید تا حد امکان نزدیک ترمینال قرار گیرد.

همچنین باید به سیم کشی برق و زمین توجه زیادی داشته باشید. غذا توسط "ستاره" تامین می شود. توصیه می کنیم لایه زمین را در سمت نصب مستقیماً زیر بدنه MK قرار دهید. خطوط Vcc و Vss باید فقط یک نقطه اتصال به بقیه مدار داشته باشند تا از تداخل در MC و MC جلوگیری شود. خازن های فیلتر (DeCaps) باید تا حد امکان نزدیک ترمینال های مربوطه خود قرار گیرند. اگر خیلی دور باشند، از انجام کار خود دست می کشند.

هنگام استفاده از تشدید کننده های کوارتز، آنها باید تا حد امکان نزدیک به پایانه های Xn (A) قرار گیرند.

در صورت امکان، خازن های فیلتر ترجیحاً باید در کنار پایه نصب MK قرار گیرند.

2 سیم کشی منبع تغذیه

اتوبوس های Vcc و Vss باید نه در یک زنجیر دیزی، بلکه در یک "ستاره" سیم کشی شوند. برای Vss توصیه می شود که یک صفحه زمین در زیر بدنه MK در یک نقطه به بقیه مدار متصل شود.

در زیر دو مثال برای سیم کشی برق خوب و بد آورده شده است.

3 فیلتر کردن خروجی C

4 فیلتر منبع تغذیه

خازن های فیلتر (DeCaps) برای مدارهای قدرت باید در مسیر جریان های برق قرار گیرند، در غیر این صورت استفاده از آنها بی معنی است. شکل زیر این جمله را توضیح می دهد:

5 محل تشدید کوارتز و سیم کشی سیگنال

کوارتز باید تا حد امکان نزدیک به MK قرار گیرد. بنابراین، خازن های ژنراتور "پشت" کوارتز قرار خواهند گرفت.

6 اسناد اضافی

برای جزئیات بیشتر، به Application Note 16bit-EMC-Guideline مراجعه کنید.

7 فهرست نتیجه گیری MK

جدول نتایج MC را نشان می دهد که برای برهمکنش های الکترومغناطیسی حیاتی هستند و اطلاعات مختصری در مورد اتصال آنها.

* - ممکن است در یک MK خاص وجود نداشته باشد

کمی در مورد "شنل" در طراحی تابلوها.
رایج ترین خطا در سیم کشی مدارهای قدرت در بسیاری از طرح ها: ظرفیت های مسدود کننده در "+" و "-" منبع آپ امپ روی لایه زمین دور از یکدیگر پرتاب می شود، یعنی جریان مدار مصرف op-amp در امتداد لایه زمین جریان دارد. این ظروف باید به گونه ای قرار گیرند که فاصله بین نقاط اتصال آنها به لایه زمین حداقل باشد. اینترلاک های فرکانس بالا - خازن های SMD با اندازه 1206 می توانند به راحتی در زیر کیس DIP-8 و با مهارت - حتی 1210 قرار بگیرند. طبیعتاً مساحت حلقه جریان حاصله نیز باید حداقل باشد، این ناگفته نماند.

مقاومت های موجود در مدارهای منبع تغذیه هر آی سی سیم کشی را بسیار ساده می کند، زیرا به عنوان جامپر عمل می کنند و اجازه می دهند "+" و "-" منبع تغذیه نزدیک به یکدیگر سیم کشی شوند، که برای کاهش انتشار سیگنال / جریان های خروجی توسط مدارهای قدرت بسیار مطلوب است.

همچنین یک روش منظم (اما وقت گیر) برای سرکوب صدای زمین بدون جداسازی صریح از زمین وجود دارد، به ویژه در هنگام استفاده از تخته های دو طرفه مفید است - به حداکثر رساندن حفظ سطح زمین جامد در یک طرف (یعنی به طور موثر یک طرح مدار تک لایه از طرف دیگر، با حداقل "پرش")، تجزیه و تحلیل دقیق خطوط جریان منبع تغذیه در امتداد این صفحه زمین و یافتن نقاط هم پتانسیل، به عنوان مثال. نقاط، اختلاف پتانسیل بین آنها، هنگامی که جریان در امتداد "زمین" در مدارهای منبع / بار جریان می یابد، نزدیک به صفر باقی می ماند. این نقاط به عنوان پایه های زمین سیگنال استفاده می شوند. نمای خطوط جریان جریان را در صورت لزوم می توان با معرفی مقاطع اضافی یا بالعکس با ساخت جامپرهایی در مقاطع لایه زمین که مطابق با شرایط سیم کشی به وجود آمده اند تغییر داد.

دقیق ترین مطالعه در مورد مسائل توپولوژی / جریان جریان و غیره. هنگام ایجاد روش هایی برای طراحی دستگاه های مقاوم در برابر ضربه های EMP ناشی از انفجار سلاح های هسته ای یا ژنراتورهای ضربه EMP انجام شد. متأسفانه، نشریات در مورد این موضوع پراکنده هستند، و علاوه بر این، آنها اغلب هنوز "تحت عنوان" هستند. من یکی از مقاله های گویا را اسکن کردم، اما نمی توانم آن را در اینجا ضمیمه کنم - محدودیت تعداد پیوست ها انتخاب شده است.

درباره طراحی PCB
فوراً باید توجه داشت که رویکرد ساده ای که گاهی اوقات با آن مواجه می شویم - "هرچه لایه های بیشتر بهتر باشد" - برای مدارهای صرفا آنالوگ (و تا حدی برای دیجیتال) کار نمی کند. عوامل مخدوش کننده بسیار زیاد است.

PCB های یک / دو لایه روی getinax / فایبرگلاس بدون متالیزاسیون سوراخ ها در حال حاضر فقط برای دستگاه های بسیار ساده در یک سری بزرگ (>> 10000) کافی هستند. معایب اصلی، قابلیت اطمینان پایین در شرایط عملیاتی سخت (به دلیل لایه لایه شدن لنت ها / هادی ها در طول ارتعاشات مکانیکی و چرخه های حرارتی، جمع آوری رطوبت / شار از طریق دیواره سوراخ ها)، و همچنین پیچیدگی (و هزینه بالا) است. کیفیتطرح هر مدار پیچیده تراکم نصب کم است (معمولاً بیش از 3 ... 4 پین در هر سانتی متر مربع از کل مساحت تخته نیست). مزیت - سادگی فوق العاده و هزینه کم در تولید (با حجم زیاد و استانداردهای طراحی در حد 0.38 میلی متر - کمتر از 0.3 دلار در متر مربع) به دلیل عدم فلز سازی و امکان تعویض سوراخ سوراخ ها با پانچ کردن آنها. .

الزامات افزایش تراکم نصب با حفظ قابلیت اطمینان در تولید بسته‌های BGA و تجهیزات قابل حمل منجر به توسعه فناوری میکروویا شد، زمانی که علاوه بر ویای‌های معمولی (از طریق) در یک یا هر دو طرف برد، سوراخ‌های کور ایجاد شود. (معمولاً توسط لیزر) روی لایه زیرین، در یک چرخه با متالیزاسیون سوراخ های عبوری متالیز می شود. اندازه ناحیه تماس برای چنین انتقالی (0.2 ... 0.3 میلی متر) بسیار کوچکتر از یک سوراخ است؛ مسیریابی در لایه های باقی مانده مختل نمی شود. علاوه بر این، در برخی موارد میکروویا را می توان روی صفحه تماس یک عنصر SMD بدون خطر خروج قسمت قابل توجهی از لحیم کاری از سوراخ به دلیل اندازه و عمق کوچک آن (بیش از 0.1 ... 0.15 میلی متر) قرار داد. این به شدت چگالی سیم کشی را افزایش می دهد، زیرا معمولاً ورقه های معمولی روی پدهای عناصر SMD قابل قرار دادن نیستند. میکروویا همچنین می‌تواند در لایه‌های داخلی تشکیل شود، اما ساخت آن بسیار دشوارتر و گران‌تر است.

چند کلمه در مورد ضخامت روکش مس و تخته. قسمت اصلی تخته ها بر روی مواد با ضخامت فویل 35، 18 و 9 میکرون ساخته شده است، در حالی که در حین متالیزاسیون سوراخ ها در لایه های بیرونی، 15-25 میکرون دیگر مس اضافه می شود (باید ~ 20 میکرون باشد. در سوراخ ها). تخته هایی با استانداردهای طراحی 0.127 و کمتر، به عنوان یک قاعده، بر روی ماده ای با ضخامت فویل ~ 9 میکرون ساخته می شوند (هرچه فویل نازک تر باشد، اعوجاج کمتری در شکل الگو به دلیل برش جانبی هادی ها ایجاد می شود). جای نگرانی در مورد "کوچک بودن بخش مس" وجود ندارد. به دلیل خنک کننده خوب، هادی های چاپی تراکم جریان بسیار بالاتری (~ 100 A / mm مربع) نسبت به سیم نصب (3 ... 10 A / mm مربع) می دهند. ضخامت نهایی در لایه های بیرونی به دلیل رسوب مس در حین متالیزاسیون سوراخ ها، طبیعتاً بیشتر از فویل اصلی است. مقاومت هادی های مسطح از نظر یک قانون ساده به هندسه آنها بستگی دارد: مقاومت مربع x تعداد مربع. مقاومت یک مربع به اندازه مطلق آن بستگی ندارد، بلکه فقط به ضخامت و رسانایی ماده بستگی دارد. یعنی مقاومت یک رسانا به عرض 0.25 میلی متر و طول 10 میلی متر (یعنی 40 مربع) برابر با عرض 2.5 و طول 100 است. برای فویل مسی 35 میکرومتر این مقدار حدود 0.0005 اهم بر مربع است. در تخته های صنعتی، زمانی که سوراخ ها متالیز می شوند، یک لایه مس اضافی روی فویل ایجاد می شود، به طوری که مقاومت مربع نسبت به موارد فوق 20 درصد دیگر کاهش می یابد. سرویس، حتی "چرب"، تأثیر کمی بر مقاومت دارد، هدف آن افزایش ظرفیت گرمایی هادی ها است تا از یک جریان شوک کوتاه مدت نسوزند. تولیدکنندگان با اعمال تصحیح ماسک نوری (یعنی اعمال اصلاحات برای زیر براش) و اچ ناهمسانگرد، از تولید تخته هایی با ضخامت فویل اولیه تا 30-40٪ استانداردهای طراحی اطمینان حاصل می کنند. هنگام استفاده از ضخیم ترین فویل 105 میکرون (و با در نظر گرفتن رسوب مس - جایی بین 125-130 میکرون)، استانداردهای طراحی می تواند از 0.3 ... 0.35 میلی متر باشد.

محدودیت مهم تر برای مدارهای قدرت این است که جریان مجاز عبور شده از طریق به قطر آن بستگی دارد، زیرا ضخامت متالیزاسیون در آن کوچک است (15 ... 25 میکرون) و، به عنوان یک قاعده، به ضخامت بستگی ندارد. از فویل ... برای یک سوراخ با قطر 0.5 میلی متر با ضخامت تخته 1.5 میلی متر، جریان مجاز حدود 0.4 A است، برای 1 میلی متر - حدود 0.75 A. قرار دادن به ترتیب "شطرنج" یا "لانه زنبوری" - در راس های یک شبکه ای از شش ضلعی ها تکرار vias همچنین باعث افزایش قابلیت اطمینان می شود، بنابراین، اغلب در مدارهای بحرانی (از جمله مدارهای سیگنال) هنگام توسعه تجهیزات برای برنامه های کاربردی خاص (به عنوان مثال، سیستم های پشتیبانی از زندگی) استفاده می شود.

پوشش های هادی تخته عایق و / یا محافظ هستند. "ماسک لحیم کاری" یک پوشش عایق محافظ است که در آن پنجره ها در لنت های تماس تشکیل می شوند. هادی ها را می توان مسی گذاشت یا با یک لایه فلزی پوشانده شد که از خوردگی آنها محافظت می کند (قلع / لحیم کاری، نیکل، طلا و غیره). هر نوع پوشش دارای مزایا و معایبی است. پوشش ها لایه نازک، کسری از میکرون ضخامت (معمولاً شیمیایی) و لایه ضخیم (گالوانیکی، قلع کاری داغ) هستند. بهتر است ماسک لحیم کاری را روی پوشش مسی لخت یا لایه نازک اعمال کنید، هنگامی که روی مسیرهای قلع دار اعمال می شود، به خوبی نگه نمی دارد و در هنگام لحیم کاری، یک اثر مویرگی ظاهر می شود - فتیله لحیم / پاره شدن ماسک. آبکاری طلا می تواند از هر دو نوع باشد، شیمیایی (نازک) و گالوانیکی (مثلاً روی یک اتصال دهنده، به اتصال الکتریکی هادی ها نیاز دارد). در تولید در مقیاس بزرگ، گزینه پوشش لنت های تماس مس خالص (غیر قلع) تخته ها با لاک شار مانند (پوشش ارگانیک) نیز رایج است. انتخاب نوع پوشش بستگی به تکنولوژی نصب و نوع قطعات دارد. برای نصب دستی (و اتوماتیک برای قطعات با سایز استاندارد 0805 و بزرگتر)، در اکثریت قریب به اتفاق موارد، بهترین گزینه قلع‌بندی صفحه داغ (HASL) با ماسک مسی است. برای قطعات کوچکتر و مونتاژ خودکار، اگر نیازی به نشتی کم روی برد نباشد، یکی از بهترین گزینه ها طلای شیمیایی (غوطه وری) (Flash Gold) یا قلع غوطه وری است. قیمت طلای شیمیایی در دنیای معمولی بسیار ارزان است، به اندازه آبکاری قلع داغ، و در عین حال صندلی های کاملاً مسطح را برای عناصر بدون برآمدگی لحیم فراهم می کند. با این حال، هنگام ساخت تخته ها در فدراسیون روسیه، اغلب بهتر است یک روکش نه با طلای غوطه ور، بلکه با قلع سفارش دهید - راه حل های آن چندان صرفه جویی نمی کند. هنگام لحیم کاری تخته های لحیم کاری با پوشش های نازک، از جمله فلش گلد، آنها باید به سرعت لحیم شوند و / یا با شار خنثی پر شوند تا از اکسید شدن مس از طریق منافذ پوشش جلوگیری شود، و هنگام لحیم کاری خودکار، همچنین توصیه می شود از محیط گاز خنثی استفاده شود. (نیتروژن، فریون).

در زیر قابل فهم ترین (به نظر من) ادبیات در مورد این موضوع و همچنین نمونه ای از برد کامپیوتری دو لایه برای اندازه گیری میکروپروفیل (پروفیلومتر) که حدود 10 سال پیش توسط من ساخته شده است، پیوست شده است که در آن اقداماتی برای اطمینان از کیفیت توپولوژی بدون تعصب، فقط تا حدی اعمال می شود. با این حال، حتی این نیز برای ارائه وضوح چندین اتم بدون هیچ محافظ کافی است، در یک رایانه شخصی در حال کار با نویز آن (و واحد قدرت خود - کنترل موتور کلکتور)، چندین برابر بیشتر از الزامات TK ( آپ امپ های مورد استفاده فقط TL084 / LM324 هستند. این دستگاه تا همین اواخر تولید می شد و تنها پروفیلومتر از کلاس دقت 1 در فدراسیون روسیه بود.

کاربر انجمن: sia_2