Projektowanie płytek. Prowadzenie połączeń elektrycznych. cz. 4

Projektowanie płytek. Prowadzenie połączeń elektrycznych. cz. 4
Pobierz PDF Download icon
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.
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
Artykuł ukazał się w
Wrzesień 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 październik 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 wrzesień 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów