Projektowanie płytek. Prowadzenie masy, zasilania, montaż obwodu w obudowie. cz. 3

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