Projektowanie płytek. Prowadzenie połączeń elektrycznych. cz. 4

61ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 9/2009 Projektowanie płytek Dodatkowe materiały na CD Trasowanie automatyczne czy ręczne? Po właściwym rozmieszczeniu elementów następnym krokiem jest tak zwany routing (inaczej: trasowanie połączeń), czyli łączenie ze sobą doprowadzeń poszczególnych kompo- nentów za pomocą ścieżek. Trasowanie może być wykonane automatycznie bądź ręcznie. Routing automatyczny polega na uruchomie- niu programu automatu łączącego poszcze- gólne piny ze sobą. Największą zaletą takiej metody jest oczywiście jej szybkość, natomiast najpoważniejszą wadą to, że połączenia wyko- nane za pomocą autoroutera są często popro- wadzone chaotycznie, w różnych kierunkach, można powiedzieć ? bez głowy. Trzeba jednak wiedzieć, że autorouter kieruje się pewnymi zadanymi regułami prowadzenia ścieżek, któ- re (w dużym uproszczeniu) np. nakazują mu prowadzenie ścieżek ?pionowych? na jednej warstwie, a  ?poziomych? na drugiej. Metoda ta nadaje się do bardzo prostych projektów bądź do projektów o dużym stopniu złożono- ści, gdzie automat łączy odpowiednio zdefi- niowane fragmenty obwodu. Niektóre pakiety programów CAD wyposażone są w opcję Route track lub Route connection, dzięki której można wskazać i połączyć automatycznie tylko jedną ze ścieżek. Czasami jest to duże udogodnienie dla projektanta mającego do przeprowadzenia ścieżkę poprzez gąszcz innych połączeń i nie- mogącego dostrzec możliwości przebicia się. Oczywiście najczęściej później trzeba tak po- prowadzoną ścieżkę poprawić ręcznie, jednak można potraktować to narzędzie jako swego rodzaju wspomaganie pomysłowości i  wy- obraźni. Projektowanie płytek (4) Prowadzenie połączeń elektrycznych Istotnym zagadnieniem w  sztuce projektowania obwodów drukowanych jest właściwe prowadzenie połączeń elektrycznych, zwanych inaczej ścieżkami. Ścieżki są mozaiką połączeń, która musi spełnić szereg wymagań, zarówno mechanicznych, jak i elektrycznych. Tylko dobrze zaprojektowane połączenia pozwalają na uzyskanie zadowalającej jakości sygnałów, co w  efekcie pozwala budowanemu urządzeniu działać niezawodnie w  każdych warunkach. I  odwrotnie: niezachowanie pewnych ogólnie przyjętych wytycznych może spowodować, że urządzenie nie da się uruchomić lub będzie funkcjonowało źle, ponieważ sygnały nie będą spełniały wymaganych standardów. W  tej części cyklu postaram się omówić problemy pojawiające się w  czasie tak zwanego routingu. Druga metoda łączenia, czyli routing ręczny, jest często stosowana. W  tej meto- dzie projektant prowadzi połączenia ręcznie, a jego praca wspomagana jest przez program. Pomoc programu polega np. na wskazywa- niu koniecznych do wykonania połączeń, miejsc łamania reguł podczas prowadzenia ścieżki, podświetlaniu łączonych pinów/ padów elementu, obliczaniu długości połą- czeń, obliczaniu impedancji. Wadą tej me- tody jest niewątpliwie czas, który projektant musi poświęcić na wykonanie obwodu, nato- miast niewątpliwą zaletą jest fakt, iż obwód taki jest wykonany optymalnie, logicznie i precyzyjnie. Edytory PCB zazwyczaj zawierają sze- reg autorskich udogodnień, które ułatwiają bądź przyśpieszają pracę projektanta. Pod- czas zapoznawania się z oprogramowaniem, w pierwszej kolejności należałoby zapoznać się z  dokumentacją określającą zakres tych udogodnień. Podstawy Zwykle w  projektowanym obwodzie może znajdować się kilka rodzajów sieci, w zależności od których przyjmujemy różne parametry połączeń, takie jak: grubość war- stwy miedzi, szerokość i styl ścieżki, kształt czy też długość prowadzonego połączenia. Parametry te zależą od przepływu prądu, napięcia, częstotliwości sygnału. Dodatkowo są one ograniczane wymaganiami technolo- gicznymi stawianymi przez wytwórców ob- wodów. Ograniczenia te w aplikacjach EDA najczęściej implementowane są za pomocą definiowanych reguł projektowych. Aby jed- nak wykonać obwód w  sposób optymalny, należy zapoznać się z  typowymi parame- trami i  rodzajami połączeń, które omówię w dalszej części artykułu. Maksymalna obciążalność prądowa połączenia Parametr ten jest związany z rezystancją połączeń. Prąd o dużym natężeniu, przepły- wając przez połączenie nawet o niewielkiej rezystancji, spowoduje wzrost temperatury, co może w  efekcie doprowadzić do uszko- dzenia lub przepalenia ścieżki. Z  reguły, większość połączeń w obwodach jest jednak niskoprądowa, a szerokości ścieżek determi- nowane są przez możliwość ich poprowa- dzenia, a nie maksymalny płynący przez nie prąd (szerokość to praktycznie jedyny para- metr dostępny projektantowi, który może być zmieniany dość swobodnie podczas pracy nad płytką drukowaną). Jednak np. w ukła- dach zasilających czy też stopniach mocy prądy płynące w  obwodzie mogą osiągnąć dość znaczne wartości i w takich wypadkach należy prowadzić odpowiednio dobrane po- łączenia. W celu uniknięcia nagrzewania się połączeń, jak już wspominałem w  pierw- szym artykule cyklu, należy przyjąć, iż ob- ciążalność miedzianego połączenia (ścieżki) o szerokości 1 mm wynosi 3 A. Zasady projektowania obwodów wielkiej częstotliwości Osobną grupę zagadnień tworzą obwody pracujące w  zakresie wielkich częstotliwo- ści. Dla częstotliwości rzędu MHz lub GHz połączenia elektryczne w postaci ścieżek na laminacie to nie tylko rezystancja. W takim wypadku mamy do czynienia z impedancją połączeń. Wpływ na impedancję ma rezy- stancja, pojemność oraz indukcyjność dane- go połączenia. Dodatkowo należy brać pod uwagę impedancję źródła i odbiornika. Istnieje mnóstwo literatury dotyczącej zagadnień projektowania obwodów pracu- jących w  zakresie wielkich częstotliwości. Poniżej zaprezentuję jedynie podstawowe wskazówki dotyczące projektowania takich obwodów. Z reguły producenci podzespołów elektronicznych umieszczają w  dokumen- tacji produktu informację, jak projektować obwód drukowany do danego rozwiązania, NotatNik koNstruktora 62 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 9/2009 Notatnik konstruktora bądź wręcz podają szkic płytki referencyjnej. W takim przypadku należy zastosować się do propozycji producenta. Projektując płytkę dla zakresów w.cz., należy przestrzegać następujących, ogólnych zasad: ? Prowadzić możliwie jak najkrótsze po- łączenia, o  jak najprostszym kształcie. Długie połączenia o  skomplikowanym kształcie przy przewodzeniu prądów wielkiej częstotliwości mogą powodo- wać powstawanie niepożądanych zja- wisk typu odbicia i interferencje. Ponad- to istnieje wyższe ryzyko indukowania się zakłóceń. Często stosowaną techniką jest trasowanie zgięć ścieżek jako łuki, a nie załamania (rys. 25). ? Nie prowadzić połączeń o długości będą- cej wielokrotnością długości fali płyną- cego przezeń prądu. Jeżeli długość po- łączenia i długość fali pokrywałyby się, to wówczas utworzona zostanie antena nadawcza promieniująca zakłócenia. Długość fali obliczamy ze wzoru: l = v/f, gdzie: l ? długość fali, v ? prędkość fazowa propagacji fali w danym ośrodku, f ? częstot- liwość fali. Prosty wzór inżynierski, umożli- wiający szacowanie długości fali t l[m]=300/ f[MHz]. Przepięcia W obwodach, w których są linie transmi- syjne, mogą pojawiać się na poszczególnych liniach bądź wręcz całej magistrali ? przepię- cia. Poprzez przepięcie rozumiemy gwałtow- ny i najczęściej krótkotrwały wzrost napięcia ponad jego normalną wartość. Przepięcia mogą mieć następujące przyczyny: ? Przepięcia powstające wewnątrz magi- strali, wynikające z błędnej konstrukcji. Najczęściej powstają wtedy, gdy magi- strala ma silny charakter RLC. Przy pew- nej prędkości transmisji może wówczas dojść do rezonansu, w którym napięcie może nawet znacznie przekraczać war- tość znamionową, przy której normalnie pracuje magistrala. ? Przepięcia powstające w wyniku stanów nieustalonych w  obwodzie. Najczęściej pojawiają się w  momencie załącze- nia urządzenia lub obciążenia. Wtedy na liniach zasilających pojawiają się oscylacje, które mogą być przyczyną powstawania przepięć na liniach sy- gnałowych. ? Przepięcia powstające w wyniku od- działywania czynników zewnętrznych. Są one indukowane na skutek oddzia- ływania innych napięć obecnych w ob- wodzie, zmiennych pól elektromagne- tycznych, zakłóceń wnoszonych z  ze- wnątrz bądź są skutkiem wyładowania elektrostatycznego. Utrata integralności sygnałowej Pojęcie to oznacza utratę bądź zafałszo- wanie informacji determinujących stan linii odbiorczych urządzenia. Informacja prze- syłana na poszczególnych liniach danych może docierać do odbiornika w  różnych momentach czasowych. Problem pojawia się w sytuacji, gdy układ taktowny jest sygnałem zegarowym o  stosunkowo dużej częstotli- wości, co powoduje, że informacja trafia do odbiornika w niewłaściwych taktach zegaro- wych. Skutkuje to utratą prawidłowej infor- macji. Aby zapobiegać temu zjawisku, należy dążyć do wyrównania długości wszystkich linii danej magistrali. Najczęściej taki zabieg przeprowadza się, wstawiając do danego połączenia dodatkowe segmenty o kształcie sinusoidy o zmiennej amplitudzie. Przykład tak wykonanego połączenia przedstawiono na rys. 26. Teoria stratnych linii transmisyjnych Wydawać by się mogło, iż technika cy- frowa jest odporna na wszelkiego rodzaju zakłócenia. Niestety tak nie jest. Im wyższa częstotliwość pracy, tym bardziej przypo- mina o  sobie charakter analogowy wszel- kich sygnałów. Linię transmisyjną można przedstawić za pomocą obwodu zastępczego RLCG, gdzie elementy R, L, C tworzą czwór- niki, natomiast G jest parametrem oznaczają- cą przewodność związaną ze stratami sygna- łu w izolacji. Istotnym parametrem linii transmisyj- nej jest jej impedancja. Impedancja linii jest niezależna od impedancji wejścia układu odbiorczego. Jak wiemy, linia transmisyjna składa się z szeregu czwórników i od strony wejścia ma swoją impedancję. Oznacza to, że musi upłynąć jakiś czas, aby zasilić prądem z  urządzenia nadawczego wszystkie pojem- ności i indukcyjności pasożytnicze wchodzą- ce w  skład linii transmisyjnej. Do tego mo- mentu impedancja zależy tylko od wartości elementów linii transmisyjnej. Im dłuższa jest linia transmisyjna, tym więcej czwórni- ków RLCG, wchodzących w jej skład, a więc wydłuża się czas propagacji sygnału. Każda linia transmisyjna jest dołączo- na do nadajnika i  odbiornika, a  te również mają swoją impedancję. Należałoby dążyć do dopasowania wartości impedancji urzą- dzeń transmisyjnych oraz linii transmisyjnej w celu uniknięcia niekorzystnych odbić fali dla początku i końca linii. Jak wiemy z pod- staw fizyki, jeżeli fala dociera do ośrodka o innej impedancji, to pojawia się zjawisko odbicia fali. Fala odbita nakłada się na sygnał użytkowy, tworząc lokalne maksima i mini- ma silnie zniekształcające sygnał użytkowy. Niestety, dopasowanie impedancji ze względu na determinowaną długość linii transmisyjnej nie zawsze jest możliwe. W ta- kim wypadku musimy zastosować jedno z rozwiązań zastępczych, czyli: ? Zmniejszyć szybkości transmisji poprzez zmniejszenie częstotliwości pracy da- nej linii transmisyjnej. To rozwiązanie ma jednak zasadniczą wadę, mianowi- cie zmniejszając prędkość transmisji, zmniejszamy też ilość przesłanej infor- macji w  jednostce czasu, na co w  dzi- siejszych, zaawansowanych systemach często nie można sobie pozwolić. ? Zmniejszyć długości linii transmisyj- nej. Niestety, w  praktyce często jest to Rys. 25. Rys. 27. Rys. 26. 63ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 9/2009 Projektowanie płytek niemożliwe ze względu na już zdeter- minowane rozmieszczenie na płytce drukowanej poszczególnych elementów systemu. ? Zastosować obwody terminujące włączo- ne w  linie transmisyjne. Układy takie zapewniają dopasowanie impedancji urządzeń i linii transmisyjnej. Schematy takich układów najczęściej znajdują się w dokumentacjach projektów referencyj- nych urządzeń. Najczęściej są to układy złożone z rezystorów, takie jak na rys. 27. Podstawowe zalecenia trasowania szybkich sygnałów Z praktycznego punktu widzenia istotne jest spełnienie kilku podstawowych wyma- gań przedstawionych poniżej. Wskazówki te są istotne dla połączeń pracujących przy częstotliwości sięgającej 300 MHz i więcej. 1) Ważnym zadnieniem jest prawidłowe fil- trowanie zasilania układów cyfrowych. Każdy taki układ musi mieć właściwie podłączony kondensator odsprzęgający. Często początkujący projektanci lek- ceważą to zagadnienie, ustawiając taki kondensator w  przypadkowym miejscu, gdzie z  pewnością nie spełni on swojej funkcji. Przykład prawidłowo wykonane- go połączenia przedstawiono na rys. 28. 2) Właściwe prowadzenie masy omówio- ne szczegółowo w poprzednim artykule opublikowanym w EP 8/2009. 3) Prawidłowe prowadzenie połączeń. Na- leży unikać prowadzenia ścieżek pod kątem prostym, najczęściej należy je zaginać pod kątem 45° lub jeszcze lepiej (zwłaszcza przy wysokich częstotliwo- ściach pracy) stosować łuki. 4) Stosowanie odpowiednich układów za- bezpieczających przed wyładowaniami elektrostatycznymi ESD. Najczęściej używa się szybkich diod włączonych tak, jak na schemacie na rys. 29. Ograni- czają one zbyt wysokie napięcie mogące pojawić się na linii przesyłowej. Często przeszukując ofertę czołowych produ- centów, można znaleźć wiele ciekawych komponentów przeznaczonych do ta- kich zastosowań, np. dwie diody w jed- nej obudowie SOT23. 5) Stosowanie kontroli impedancji w zależ- ności od tego, czy mamy do czynienia z warstwą masy z jednej strony, czy też z obu stron połączenia, wyróżniamy od- powiednio: ? mikroklinie paskowe (microstrip) ? linie paskowe (stripline) W zależności od rodzaju linii, szero- kości połączenia, grubości miedzi, grubo- ści dielektryka, odległości pomiędzy war- stwami oraz stałej dielektrycznej materia- łu, należy z odpowiednich zależności wy- znaczyć impedancję takiego połączenia. Na szczęście nowoczesne pakiety EDA wyręczają nas w tym, oferując taką funk- cję wraz z odpowiednim symulatorem. 6) Wszelkie sygnały mocno zakłócające typu zegary powinny być trasowane ręcznie i umieszczane w pobliżu płasz- czyzn referencyjnych masy, najlepiej od- separowane dwoma takimi warstwami od sygnałów wrażliwych, co zniweluje ewentualne przesłuchy. Analogicznie sygnały wrażliwe powinny fizycznie być odseparowane od  sygnałów agre- sywnych. Na drodze kluczowych sygna- łów nie powinno być żadnych przerw w  strukturze masy. Połączenia najbar- dziej agresywne i najbardziej wrażliwe są kluczowe i powinny być tak krótkie, jak to tylko możliwe. Nie należy prowadzić połączeń w  pobliżu krawędzi obwodu, szerzej o  tym zagadnieniu wspomnia- łem w  poprzednim artykule. Wszelkie przewody dołączane do obwodu muszą mieć taką samą impedancję jak wtyczka i ścieżki znajdujące się na płytce. 7) Stosowanie płytek elastycznych bądź formowanych wszędzie tam, gdzie moż- na zapobiec łączeniu poszczególnych obwodów za pomocą złączy. Wszelkie połączenia przewodowe kablowe rów- nolegle muszą mieć odpowiednio wiele mas, ale i  tak maksymalna wydajność takich interfejsów zamyka się w pobliżu 200 MHz. Aby uzyskać dobre parametry EMC, należy zwiększyć liczbę warstw masy w  obwodzi. Inne rozwiązania, mimo iż mogą wydawać się bardziej ko- rzystne z  punktu widzenia ekonomicz- nego, na pewno nie przyniosą zadowala- jących rezultatów. 8) Umieszczanie wszelkich buforów da- nych w pobliżu złączy. 9) Stosowanie na interfejsach szeregowych filtrów usuwających wszelkie szumy, pozostawiających tylko informację pra- widłową. Szczególnie istotne przy magi- stralach np. CAN AUTOBUS. Nie należy trasować połączeń o  długości równej wielokrotności długości fali. 10) Stosowanie odpowiednich materia- łów produkcyjnych np. firmy ROGERS. Produkuje ona tak zwane laminaty spe- cjalne. Na stronie firmy można znaleźć szczegółowe informacje o  dostępnych rodzinach oraz ich zastosowaniu. Podsumowanie Na zakończenie chciałbym wspomnieć o  stosowaniu nowoczesnych aplikacji EDA. Zazwyczaj spotykamy się z taką sytuacją, iż w wielu firmach używane aplikacje są prze- starzałe. Co prawda pozwalają one uzyskać model obwodu drukowanego, jednak pozba- wione są nowoczesnych funkcji wspierają- cych nowe techniki projektowania. W  no- woczesnych EDA możemy przeprowadzać zaawansowaną symulację i kontrolę impe- dancji, dbać o zależności czasowe, uwzględ- niać mechanikę w  projektach. W  obecnych czasach kryzysu można wynegocjować sto- sunkowo dobre ceny takich aplikacji. A skoro elektronika ciągle się rozwija, to być może jest to dobry okres na taką inwestycję. Pro- jektowanie coraz bardziej zaawansowanych urządzeń i spełnienie właściwych norm sta- nie się wtedy łatwiejsze. inż. Tomasz Świontek tomekfx@o2.pl Rys. 28. Rys. 29. Rys. 30. forum.ep.com.pl