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

Projektowanie płytek. Prowadzenie masy, zasilania, montaż obwodu w obudowie. cz. 3
Pobierz PDF Download icon
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
Artykuł ukazał się w
Sierpień 2009
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik wrzesień 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio wrzesień 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

Automatyka Podzespoły Aplikacje wrzesień 2020

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna wrzesień 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich sierpień 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów