Projektowanie płytek. Prowadzenie masy, zasilania, montaż obwodu w obudowie. cz. 3
Sobota, 01 Sierpień 2009
Obserwowana tendencja do zwiększania szybkości działania
układów cyfrowych i obniżania napięć progów przełączania,
stawia przed projektantami obwodów drukowanych coraz to wyższe
wymagania. Aby im sprostać jednocześnie zapewniając prawidłowe
funkcjonowanie urządzenia, należy w procesie projektowym zwrócić
szczególną uwagę na obwód masy, zasilania jak i odpowiednie
połączenie (najczęściej) masy z obudową.
66 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 8/2009
NOTATNIK KONSTRUKTORA
Dodatkowe
materiały na CD
Podstawy
Dobrze zaprojektowany obwód masy
stanowi podstawę działania nowoczesnych
konstrukcji. Zapewnia on odpowiednie para-
metry impedancyjne, jak i możliwość pracy
urządzenia z wysoką rozdzielczością, co ma
decydujące znaczenie w przypadku stosowa-
nia przetworników analogowo-cyfrowych.
Pierwszą podstawową zasadą przy pro-
jektowaniu płytki jest uświadomienie sobie,
iż każde połączenie elektryczne w obwodzie
drukowanym nie jest idealnym zwarciem.
W zależności od rozpatrywanego przypadku,
nabiera znaczenia wiele z pozoru nieistot-
nych parametrów. Niektóre z nich są oczywi-
ste, jak szerokość i grubość warstwy miedzi,
niektóre pozornie mniej, jak długość, kształt,
liczba przepustów (przelotek), warstwa na
której dane połączenie jest poprowadzone.
Świadomość tego faktu jest szczególnie istot-
na podczas prowadzenia obwodu masy.
Teoretycznie, zgodnie z prawami Kirhof-
fa, w każdym węźle obwodu suma algebra-
iczna prądów jest równa zeru. Rozumowanie
takie, choć słuszne, niesie za sobą istotne
niebezpieczeństwo. Mianowicie można za-
łożyć, iż znamy drogę prądów powrotnych.
Rzeczywistość okazuje się jednak nieco bar-
dziej brutalna i należy dodatkowo uwzględ-
nić, że podczas przepływu prądu w obwo-
dzie masy nie wszystkie jej punkty mają taki
sam potencjał.
Projektowanie płytek (3)
Prowadzenie masy, zasilania,
montaż obwodu w obudowie
Obserwowana tendencja do zwiększania szybkości działania
układów cyfrowych i obniżania napięć progów przełączania,
stawia przed projektantami obwodów drukowanych coraz to wyższe
wymagania. Aby im sprostać jednocześnie zapewniając prawidłowe
funkcjonowanie urządzenia, należy w procesie projektowym zwrócić
szczególną uwagę na obwód masy, zasilania jak i odpowiednie
połączenie (najczęściej) masy z obudową.
Pętla masy, a topologia typu
gwiazda
Opisane wyżej zagadnienie jest szczegól-
nie odczuwalne w przypadku wytworzenia
tak zwanych pętli masy. Czyli z praktyczne-
go punktu widzenia ? więcej niż jednej drogi
dla prądu masy. Sytuację taką pokazano na
rys. 1.
W tak wytworzonym połączeniu będą
się indukować zakłócenia wnoszone przez
zewnętrzne pola elektromagnetyczne. Będą
one tym większe, im dłuższa pętla.
Jedyną skuteczną metodą unikania po-
wyższego zjawiska i jednocześnie zalecaną
techniką projektową, jest stosowanie topolo-
gii gwiazdy. Polega ona na ustaleniu jednego
wspólnego punktu odniesienia, od którego
prowadzone są wszystkie połączenia. Taki
sposób prowadzenia ścieżek zapewni niską
interakcję sygnałów, a co za tym idzie, pra-
widłowe i niezakłócone działanie poszcze-
gólnych bloków funkcjonalnych urządzenia
(rys. 2).
Należy dodatkowo wspomnieć o prawi-
dłowym położeniu punktu odniesienia. Naj-
częściej powinien być to punkt lutowniczy
stanowiący masę kondensatora elektrolitycz-
nego w obwodzie zasilacza (rys. 3)
Masa, zasilanie analogowe,
cyfrowe
Często projektowane urządzenia nie
mają jedynie charakteru analogowego, bądź
cyfrowego. Dlatego też stosuje się odpowied-
nie techniki łączenia mas tzw. analogowych
i cyfrowych w obwodzie. Jest to bardzo istot-
ne, ponieważ niezachowanie pewnych wy-
tycznych z pewnością spowoduje nieopraw-
ną pracę urządzenia, szczególnie wrażliwej
części analogowej, do której przedostaną się
zakłócenia. Powodem jest różny charakter
obu typów sygnałów.
Sygnały cyfrowe, mimo iż stosunkowo
odporne na zakłócenia, w momencie prze-
łączania generują szumy na liniach zasilają-
cych, które będą niekorzystnie oddziaływać
na układy analogowe, z reguły wrażliwe na
szumy pojawiające się w tych gałęziach. Aby
zapobiegać takiej sytuacji należy: po pierw-
sze, stosować właściwe techniki blokowania
linii zasilających, a po drugie, rozdzielić za-
silanie jak i masę części cyfrowej od części
analogowej.
Optymalnym dla obwodu zasilania by-
łoby stosowanie osobnych układów zasila-
czy dla obu części układu. Niestety jest to
rozwiązanie nieekonomiczne. Dlatego naj-
Rys. 1. Prąd masy płynący więcej niż
jedną drogą powrotną Rys. 3. Prawidłowe umieszczenie punktu odniesienia
Rys. 2. Topologia gwiazdy
67ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 8/2009
Projektowanie płytek
częściej stosuje się odpowiednio dobrany
dławik dokonujący rozdzielenia obwodów
zasilania (rys. 4).
Prawidłowe łączenie mas jest nieco bar-
dziej kłopotliwe, ponieważ bardzo często
masa jest jednolitą płaszczyzną używaną
jednocześnie do ekranowania obwodów.
W takim przypadku należy zadbać o od-
powiednie rozplanowanie rozmieszczenia
poszczególnych komponentów i bloków
urządzenia, aby struktury masy analogowej
nie znajdowały się pod elementami części
cyfrowej i odwrotnie. Dodatkowo należy
zatroszczyć się o odpowiednie połączenie
obu obwodów mas. Musi ono być wykonane
w jednym, konkretnym punkcie dobranym
tak, aby prądy powrotu sygnałów cyfrowych
nie miały możliwości płynięcia przez masę
analogową. Często wymóg ten spełnia punkt
odniesienia topologii typu gwiazda.
Inaczej sytuacja wygląda w momencie,
gdy stosowane są przetworniki analogo-
wo-cyfrowe. W takiej sytuacji, po pierw-
sze musimy zapewnić odpowiednio niską
impedancję masy analogowej (na przykład
dzięki zastosowaniu szerokiej płaszczyzny
połączenia). W następnej kolejności, należy
odpowiednio odsprzęgnąć kondensatorem
zasilanie przetwornika i dopiero w ostatnim
etapie, określić optymalny punkt łączenia
mas. Punkt taki powinien często znajdować
się pod danym przetwornikiem i stanowić
odpowiednio dobrane połączenie o stosun-
kowo małej szerokości. W niektórych przy-
padkach, aby uniemożliwić przedostawanie
się zakłóceń pochodzących z masy cyfrowej,
stosuje się w miejscu połączenia dławik se-
parujący (rys. 5).
Płaszczyzna masy
Z wcześniejszych rozważań można wy-
wnioskować, że optymalnym rozwiązaniem
jest zastosowanie tak zwanej płaszczyzny
masy, czyli odpowiednio zadeklarowanej
warstwy umieszczonej obrębie tak zwanego
stosu warstw (rys. 6).
Faktycznie w większości przypadków ta-
kie rozumowanie jest prawidłowe. Zapewni
ono odpowiednią niską impedancję masy,
a co za tym idzie, wyrównanie jej poten-
cjałów na całym obszarze. Niestety, istnieją
przypadki, w których musimy rozpatrywać
szczątkową impedancję tak uzyskanej po-
wierzchni. Z tego typu sytuacją mamy np. do
czynienia wówczas, gdy płytka przewodzi
duże prądy wywołujące spadki napięć. Mogą
one zakłócać poprawną pracę elementów
wysokiej rozdzielczości np. przetworników
analogowo-cyfrowych podłączonych do ta-
kiej płaszczyzny. Można jednak w stosun-
kowo prosty sposób zabezpieczyć się przed
zjawiskami tego typu. Wystarczy za pomocą
przerwy na płaszczyźnie mas odseparować
od siebie obszary silnoprądowe od nisko-
prądowych. Odpowiednio ukształtowana
przerwa umożliwi odseparowanie dużych
prądów od miejsc gdzie ich przepływ jest
niepożądany (rys. 7).
Bez względu na omawiane zagadnienia
istnieją pewne wymagania, które musi speł-
nić odpowiednio zaprojektowana płaszczy-
zna masy, aby poprawić właściwości EMC
urządzenia. Jednym z najważniejszych jest
wykonanie jej w postaci jak najbardziej jed-
norodnej (nie dotyczy sytuacji wyjątkowych
opisanych powyżej), ponieważ wszyst-
kie niewypełnione przestrzenie powodują
zwiększenie impedancji oraz zakłócają swo-
bodny przepływ prądu powrotów dla sy-
gnałów RF. Niestety, często liczba połączeń
sygnałowych jest na tyle duża, iż zachodzi
potrzeba stosowania odpowiednio dużej
liczby przepustów (przelotek) sygnałowych
będących perforacją płaszczyzny. Na szczę-
ście są stosunkowo proste metody pozwala-
jące zachować jej jednorodność. Do najprost-
szych należy stosowanie możliwie najmniej-
szych gabarytowo przelotek (średnica otwo-
ru, średnica metalizacji). Rozwiązanie takie,
choć skuteczne, to ma kilka istotnych wad.
Nie wszyscy wytwórcy płytek są w stanie
wyprodukować przemysłowe ilości takich
przelotek, a jeżeli podejmują się takiego za-
dania, to cena jednostkowa produkcji takiego
obwodu niestety wzrasta. Inną metodą wartą
zaprezentowania, jest odpowiednia opty-
malizacja ustawienia przepustów, tak aby
zachować wymagane wypełnienie struktury
płaszczyzny masy. Na rys. 8 przedstawiono
nieprawidłowe oraz prawidłowe rozplano-
wanie przelotek na magistrali.
Nieco praktyki
W zastosowaniach praktycznych projek-
tant coraz częściej musi skupić się na zapew-
nieniu właściwej ochrony przed szkodliwymi
promieniowaniem elektromagnetycznym.
Szerzej o tym zagadnieniu pisałem w po-
przedniej części cyklu. Projektując obwód
masy zazwyczaj poświęca się jedną warstwę,
dystrybuując jej potencjał za pomocą przepu-
stów do odpowiednich doprowadzeń elemen-
tów. W większości przypadków, szczególnie
jeżeli urządzenie ma pracować w pobliżu
anten radiowych pracujących z wysoką czę-
stotliwością, wskazane jest uzupełnienie po-
zostałych warstw sygnałowych dodatkowymi
płaszczyznami masy. Aby jednak taki zabieg
przyniósł pozytywne rezultaty, należy zasto-
sować odpowiednią technikę łączenia dodat-
kowych obszarów z główną płaszczyzną od-
niesienia. Polega ona na odpowiednio gęstym
rozmieszczeniu przelotek, tak aby odległość
pomiędzy kolejnymi przepustami (rys. 9)
była nie mniejsza niż wynikająca z zależno-
ści: L/10, gdzie: L ? długość fali o najwyższej,
spodziewanej częstotliwości.
Należy jednak pamiętać o odpowiednim
podłączeniu tak uzyskanych płaszczyzn
do padów komponentów montowanych na
płytce. Nieodpowiednia technika spowoduje
Rys. 4. Rozdzielenie obwodów zasilania
Rys. 5. Dławik w miejscu połączenia mas
Rys. 6. Wyodrębnienie płaszczyzny masy na płytce
wielowarstwowej
Rys. 7. Przerwa na płaszczyźnie masy
Rys. 8. Nieprawidłowe oraz prawidłowe rozplanowanie przelotek
68 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 8/2009
NOTATNIK KONSTRUKTORA
niemożliwość prawidłowego przylutowania.
Dzieje się tak, ponieważ zbyt szeroka płasz-
czyzna miedzi szybko odprowadzi ciepło
przy dodatkowo i tak już zwiększonej pojem-
ności cieplnej płytki. Sytuację prawidłowego
łączenia przedstawiono na rys. 10.
Innym istotnym zagadnieniem jest pra-
widłowa dystrybucja masy już po uzyskaniu
jej odpowiednio niskiej impedancji. Czę-
stokroć jest ona zakłócana przez nieprawi-
dłowe podłączenie padów poszczególnych
elementów. Takie połączenie z płaszczyzną
odniesienia nie może być zbyt długie bądź
połączone tylko za pomocą pojedynczej
przelotki, ponieważ niepotrzebnie zwiększy
to impedancję tak wytworzonej ścieżki.
Niezbędne parametry jakie należy uzy-
skać determinują następujące zależności;
? Wraz z wzrostem szerokości połączenia
maleje jego indukcyjność na milimetr
długości według zależności: pierwiastek
kwadratowy ze wzrostu szerokości. Czyli
aby zmniejszyć indukcyjność o połowę,
należy czterokrotnie zwiększyć szero-
kość połączenia.
? Stosowanie otworów o stosunkowo du-
żej średnicy zmniejsza impedancję, któ-
rą dodatkowo należy obniżyć poprzez
zastosowanie kilku przelotek. Poprawną
i niepoprawną dystrybucję masy do padu
komponentu przedstawiono na rys. 11.
Optymalne umiejscowienie przelotek
stanowi struktura padu montażowego. Jeżeli
jesteśmy pewni takiego rozwiązania, to nale-
ży je stosować. Trzeba jednak wtedy pamię-
tać o powstających zagrożeniach. Przy nie-
dokładnie określonych parametrach produk-
cyjnych może dochodzić do niekorzystnych
zjawisk, takich jak ubytek pasty lutowniczej
z powierzchni padu poprzez otwór przelotki,
wskutek czego połączenie lutownicze stanie
się niepewne bądź wręcz niemożliwe. Innym
niekorzystnym zjawiskiem jest możliwość
powstania pod wpływem temperatury i róż-
nic w rozszerzalności termicznej uszkodze-
nia struktury przelotki podczas lutowania
w piecu.
Rozmieszczając poszczególne kompo-
nenty na płytce drukowanej należy pamię-
tać, iż wokoło każdego elementu pracującego
z wysoką częstotliwością wytwarzane jest
szkodliwe promieniowanie elektromagne-
tyczne. Dzięki odpowiedniemu zaprojekto-
waniu masy jest ono prawie natychmiast od-
bierane i zwracane w odpowiednie miejsca
obwodu. Aby zachować tą prawidłowość na-
leży przestrzegać kilku podstawowych reguł,
zabraniających umieszczania komponentów
pracujących z wysoką częstotliwością w po-
bliżu przerw, frezów czy też krawędzi obwo-
du. Dobrym zwyczajem jest wręcz dodanie
dodatkowej objętości obwodu przy krawę-
dziach wypełnionych masą. Dla częstotliwo-
ści 200 MHz jest to około 5 mm.
Montaż płytki w obudowie
Projektując obwód drukowany, często
dostosowujemy go do konkretnej, wcześniej
zaprojektowanej obudowy. Uwzględniamy
odpowiednie umiejscowienie, złącz, wy-
świetlaczy, gabaryty, otwory pod śruby mon-
tażowe itp. Zabiegi te, mimo iż niezmiernie
ważne, często nie uwzględniają wymogów
zachowania EMC. Szerzej o tym temacie pi-
sałem w części poprzedniej cyklu, poświęco-
nym ekranowaniu.
Aby zapewnić urządzeniu najlepsze wa-
runki pracy (m.in. bardzo dobre ekranowa-
nie), dobrze jest wyposażyć je w obudowę
z metalu. Niestety, obudowy takie są stosun-
kowo kosztowne, a przewodząc prąd mogą
być zagrożeniem dla życia w przypadku
awarii lub niewłaściwego zaprojektowania
urządzenia. Alternatywą jest zastosowanie
obudowy z tworzywa sztucznego z napyloną
wewnątrz warstwą przewodzącą, stanowiącą
tak zwane chassis dla urządzenia. Słowo to,
aczkolwiek obcego pochodzenia, na dobre
zadomowiło się w żargonie elektronicznym
i raczej nie ma potrzeby jego tłumaczenia.
Czasami chassis może być radiator,
bądź jak w obudowach typu ATX ? metalo-
wa powierzchnia boczna obudowy. Podczas
projektowania urządzenia, aby poprawić
kompatybilność elektromagnetyczną, nale-
ży podłączyć płaszczyznę odniesienia masy
do chassis. Połączenie takie musi zapewniać
odpowiednio niską impedancję oraz być od-
porne na procesy ją zwiększające, takie jak
Rys. 14. Odległości pomiędzy otworami
montażowymi
Rys. 9. Przepusty na warstwie masy
Rys. 10. Prawidłowe podłączenie
komponentów do płaszczyzny masy
korozja i starzenie się materiału. Niska im-
pedancja jest wymagana dla sygnałów wiel-
kiej częstotliwości. Dla sygnałów stałych, jak
i o niskiej częstotliwości wskazane jest, aby
impedancja połączenia była wysoka. Para-
metry takie zapewni nam kondensator pod-
łączony w sposób przedstawiony na rys. 12.
W celu uzyskania optymalnych rezulta-
tów należy chassis umieścić w właściwej wy-
znaczonej odległości od płytki. Odległość tak
powinna być mniejsza niż połowa długości
fali sygnału, który może pojawić się w da-
nej sytuacji. Takie umiejscowienie zapewni
niższą impedancję pomiędzy płaszczyznami
masy obwodu a chassis. Pozwoli to na zde-
cydowanie szybszy powrót prądów RF do
obwodu (rys. 13).
W niektórych przypadkach, gdy mamy
do czynienia z wysokimi częstotliwościami,
może dojść do sytuacji, w której ?zyczne
wymiary obwodu zbliżą się do długości fali
Rys. 11. Poprawne i niepoprawne
podłączenie masy
Rys. 12. Sposób podłączenia
kondensatora odsprzęgającego do masy
Rys. 13. Umieszczenie płytki w stosunku
do chassis
forum.ep.com.pl
69ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 8/2009
Projektowanie płytek
przez co obwód może wpaść w rezonans, sta-
jąc się swego rodzaju anteną. Aby zminima-
lizować możliwość powstania takiego zjawi-
ska, należy odpowiednio rozmieścić otwory
montażowe łączące płytkę drukowaną z obu-
dową. Odległości pomiędzy poszczególnymi
łączeniami powinny wynosić ? podobnie
jak w przypadku łączenia płaszczyzn masy
? przynajmniej: L/10, a najlepiej L/20, gdzie
L ? długość fali (rys. 14)
Zapewne wielu Czytelników zauważyło
pętle masy utworzone przez punkty jej łą-
czenia z chassis. Otóż nowoczesne podejście
do projektowania zaleca takie rozwiązanie.
Dlaczego? Przekonanie o szkodliwości pętli
masy jest głównie istotne dla sygnałów niskiej
częstotliwości. W takich układach faktycznie
powodują one wiele szkodliwych zjawisk,
znanych w szczególności miłośnikom sprzę-
tu audio. Badania opisanych wyżej technik
montażu potwierdzają, iż są one jak najbar-
dziej skuteczne i zalecają ich stosowanie.
Podsumowanie
Opisane w artykule techniki pozwalają
na uzyskanie bardzo wysokiego poziomu
kompatybilności elektromagnetycznej płyt-
ki drukowanej. Nie są jednak recepturą na-
kazującą ich stosowanie w każdej sytuacji
projektowej. Jak zawsze, w głównej mierze
od projektanta zależy implementacja omó-
wionych wcześniej metod, jak również ich
prawidłowe zastosowanie.
Powoli zbliżamy się do końca cyklu.
W następnym odcinku omówię zasady pra-
widłowego trasowania połączeń, a w ostat-
nim nieco odbiegającym od tematyki, podam
ogólne zalecenia dla projektantów obwodów.
inż. Tomasz Świontek
tomekfx@o2.pl
R E K L A M A
Zobacz więcej w kategorii Notatnik konstruktora