Хабрахабр

7 правил проектирования печатных плат

Приветствую! В процессе обсуждения статьи товарища KSVl была озвучена необходимость небольшого пособия по проектированию печатных плат. Очень часто на хабре я вижу статьи в стиле «5 правил оформления кода» или «5 шагов к успешному проекту», то есть очень удобные собрания тезисов по определенной теме. К сожалению подобных статей по разработке электроники мало и это плохо…

Я обещал пользователю KSVl и некоторым другим читателям, статью с базовыми принципами проектирования печатных плат (ПП), так же приглашаю к ознакомлению всех любителей попаять за чашечкой кофе!

Пролог

Все описанные в статье правила, являются самыми базовыми и ориентированы исключительно на совсем начинающих разработчиков для которых электроника просто хобби. Сразу хочу отметить, что данная статья не претендует на абсолютную истину и все объяснения даны в вольной форме.

И вот тут увы, я не готов тратить силы и переубеждать вас. Наверняка найдутся люди, которые скажут: «Да и так ведь работает, зачем что-то менять?». Одни хотят все делать хорошо, качественно и надежно, другим же не дано понять этого желания.

Источники информации на которых базируются описанные в статье правила:

  1. Курс общей физики и электротехники. Все в пределах 1-го курса ВУЗа
  2. Книги Говарда Джонса «Конструирование высокоскоростных цифровых устройств: начальный курс черной магии» и «Высокоскоростная передача цифровых данных: высший курс черной магии»
  3. Стандарты IPC, например, IPC-2221A. Бывает перевод на русском (старая версия) и оригинал последних версий на английском
  4. Собственный опыт

Правило №1 — Ширина проводника

Ошибка — очень часто начинающие разработчики используют ту ширину проводников (дорожек), которая стоит по умолчанию в используемой САПР. В упомянутой ранее статье, автор использовал EasyEDA и там базовое значение ширины стоит 6 mils, то есть около 0.15 мм. Данная ширина проводников использована практически везде и это плохо, ибо ведет к ряду проблем.

Все мы помни закон Ома из которого следует, что чем меньше площадь сечения проводника, тем больше его сопротивление. Проблема №1 — падение напряжения. Чем больше сопротивление проводника, тем больше на нем упадет напряжение.

Тут все тот же закон Ома, мощность выделяемая на проводнике пропорциональна его сопротивлению, то есть чем больше сопротивление, тем больше тепла выделится на проводнике. Проблема №2 — нагрев проводника. 15 мм ток в 5-10А легко испарит. Дорогу 0.

Этот момент к базовым вряд ли уже относится, но знать про него надо. Проблема №3 — паразитная индуктивность. То есть любой проводник на самом деле не просто «кусок меди», это составной компонент из активного сопротивления, индуктивности и паразитной емкости. Чем меньше сечение проводника, тем больше его индуктивность. Чаще они проявляются частотах больше 10 МГц, например, при работе с SPI. Если эти параметры слишком высоки, то они начинают негативно отражаться на работе схемы.

Думаю не надо объяснять, что дорожка шириной 2 мм более прочно прикреплена к текстолитовой основе, чем дорожка 0. Проблема №4 — низкая механическая прочность. Ради интереса возьмите заводскую ненужную плату и поковыряйте ее. 15 мм.

Если проводник можно провести с шириной 0. Решение — используйте максимально возможную ширину проводников. 15 мм. 6 мм, то это лучше, чем провести его шириной 0.

Пример:

1) Плохо

2) Хорошо

Правило №2 — Подключение к выводам

Под выводами подразумевается контактная площадка компонента (pad), переходные отверстия (via) и прочие объекты, которые на плате мы соединяем с помощью проводников (дорожек).

В одной, разработчик совершает ошибку из правила №1 и подключает дорожку 0. Ошибка — бывают две крайности. В другом случае наоборот, использует проводник ширина которого равна ширине контактной площадки. 15 мм к выводу smd резистора 1206. Оба варианта плохие.

При нескольких попытках перепайки компонента, площадка или дорожка просто отслоятся от текстолитовой основы печатной платы. Проблема №1 — низкая механическая прочность.

Хотя это станет проблемой, если вы начнете заказывать в Китае не только платы, но и сборку. Проблема №2 — технологические проблемы с монтажом платы. Вам конечно соберут, но % брака вырастает.

Решение — ширина проводника, подключаемого к контактной площадке, должна составлять примерно 80% от ширины этой площадки.

Пример:

1) Плохо

2) Хорошо

6 х 1 мм. Размер площадки конденсатора 1206 в данном случае составляет 1. 8 мм (80% от 1 мм). Соответственно для подведения сигнала снизу используется дорожка равная 80% от ширины площадки, то есть 0. 2 мм (примерно 80% от 1. Для подведения сигнала справа используется дорожка толщиной 1. Ширина площадки у микросхемы в корпусе SOIC-8 равна 0. 6 мм). 5 мм. 6 мм, поэтому подводить нужно сигнал с помощью дорожки около 0.

Переход из 1. Стоит понимать, что данный вариант является идеальным. 5 мм вам наверняка не понравится — лишняя возня. 2 мм в 0. Для этого обычно принимают ширину дорожки относительно минимального pad-а (площадки), то есть в данном случае можно сделать вот так: Его можно избежать.

Такой упрощение допустимо, но его стоит применять с умом. Как видите, я выбрал ширину проводника по минимальной площадке, то есть по площадке вывода микросхемы в корпусе SOIC-8.

Правило №3 — Цепи питания

Теперь рассмотрим случай, когда упрощение в отношение правила №2 просто недопустимо, а именно — проектирование цепей питания. Данной правило опирается на два предыдущих и является частным, но пожалуй самым критичным случаем.

Ошибка — пренебрежение правилами №1 и №2 при проектирование цепей питания.

3В. Проблема №1 — на выходе вашего стабилизатора напряжения строго +3. Вы измеряете напряжение на ногах потребителя (микросхемы) и обнаруживаете вместо +3. Вы включаете устройство и наблюдаете, что микросхема ведет себя неадекватно, АЦП измеряет не точно и периодически выключается. 6В. 3В всего лишь +2.

Проблема №2 — ваш DC-DC преобразователь не запускается, либо на выходе имеет большие пульсации.

3В и обнаруживаете там вместо постоянного напряжения какие-то страшные пульсации и помехи. Проблема №3 — в попытках найти неисправность, вы ставите щуп осциллографа на линию +3.

Дорожки максимально широкие. Решение — соблюдаем особо строго и фанатично правила №1 и №2. Питание должно приходить на микросхему через керамический конденсатор, который по возможности ставят ближе к выводу этой микросхемы.

Пример:

1) Плохо

2) Хорошо

Что я сделал чтобы стало хорошо:

То есть сначала на конденсатор, а затем уже на вывод микросхемы 1) Дорожка питания VCC3V3 теперь подходит не в обход конденсатора, а через него.

2/0. 2) Переходное отверстие (via) я использовал размером 1. Да, согласно требованиям для 4 класса точности (стандартного), я могу использовать переходное отверстие размером 0. 6 мм. 3 мм, но делать этого не стал и применил более габаритный переход. 7/0. Это позволило уменьшить его сопротивление и пропустить больший ток

3 мм, а 2 мм! 3) Шина питания, которая приходит от стабилизатора у меня теперь не 0. Такой подход минимизирует падение напряжения в цепи и уменьшит индуктивность проводника Не бойтесь делать широкие проводники.

Правило №4 — Земля

О влияние качества проектирование земляной шины (GND) можно говорить вечно, но любой разговор сводится к простой сути: стабильно и работоспособность устройства в наибольшей степени зависит именно от проектирование земли. Данная проблема очень объемная и требует глубокого изучения, поэтому я дам самые базовые рекомендации.

Это просто к-к-к-комбо! Ошибка — трассировка цепи GND (земли) обычным проводником, да еще и минимальной ширины.

Проблема №1 — нестабильность работы устройства и сильные помехи в цепях, особенно в цепях питания.

в нем действует большой ток. Проблема №2 — нагрев и часто обрыв тонкого проводника, т.к.

Решение — использовать полигон для разводки цепи GND, а в идеале отдельный слой, который полностью выделен для данной цепи, например, нижний слой.

Пример:

1) Плохой

2) Хороший

Такое решение обеспечило мне огромную площадь сечения, ведь полигон это просто очень большой проводник. Как видите, вместо обычного проводника я применил заливку сплошным полигоном. 3 разрывают кротчайший путь между выводом микросхемы и конденсатора (GND): Только иногда такое решение имеет недостаток, например, когда плотность монтажа высокая и другие проводники разрывают сплошной полигон, как тут цепи LED1..

В двухслойной плате в идеале под него выделить нижний слой, а в многослойной плате — один из внутренних слоев: Тут нам поможет, упомянутый ранее, отдельный слой GND.

Переходные отверстия (via) около контактных площадок обеспечили для них максимально короткое соединение с нижним слоем земли. Таким образом мы восстановили кратчайший путь для тока по цепи GND, а помог в данном случае нижний слой (синий цвет), который из себя полностью представляет земляной полигон.

Порой «супер» надежность и не нужна, тут важно найти для своей задачи золотую середину между стоимостью и качеством. Конечно это идеальный случай и иногда не получится его реализовать без удорожания платы, поэтому тут решение за вами.

Правило №5 — Ширина зазора

Минимальное значение зазора между медными проводниками на печатной плате, нам диктуют технологические требования. Для 4-го (стандартного) класса значение составляет 0.15/0.15 мм или 6/6 mils. Максимальная ширина ограничена лишь вашей фантазией, габаритами платы и здравым смыслом.

15 мм. Ошибка — зазор недостаточно большой, обычно оставляют значение по умолчанию около 0.

Короткое замыкание возникает, когда 2 проводника с разным потенциалом замыкают, например, металлическим предметом и ток резко возрастает. Проблема №1 — электрический пробой. Пример тому — изоляторы на ЛЭП, иногда и их пробивает. К сожалению идеальных диэлектрических материалов не бывает и в какой-то момент любой материал начинает проводить ток. По этой же причине и стеклотекстолит, являющийся основной большинства печатных плат, в какой-то момент может начать пропускать ток. Данное явление происходит, когда превышено значение критического напряжения пробоя.

Напряжение пробоя зависит от типа материала и от толщины/ширины изолятора. Решение — увеличение расстояния между проводниками. Чем больше расстояние между проводниками, тем большее напряжение необходимо чтобы пробить его. В случае печатных плат — расстояние (зазор) между проводниками как раз является тем параметром, который влияет на критического значение напряжения пробоя.

Воздух, который окружает плату, тоже является диэлектриком, но при определенных условиях становится проводником, вспомните грозу. Так же хочется сказать, что пробой по стеклотекстолиту не всегда самая актуальная проблема. Воздушный электрический пробой большая проблема в электронике, особенно если учитывать, что воздух может быть сухой, а может и иметь влажность 90-100%, например, в тропиках или на Севере.

Пример:

3В и шина земли (GND). Условимся, что в данном примере есть 3 проводника: выпрямленное сетевое напряжение +310В, низковольтная линия питания для микроконтроллера +3.

1) Плохой

2) Хороший

3 мм плохо, а 0. Почему 0. 8 мм уже хорошо спросите вы и в качестве ответа приведу вам 2 источника:

Данные в них разнятся из-за различных методик измерений и прочего, но наиболее реалистичная цифра для сухого воздуха составляет 2 кВ/мм. 1) Обычные физика и электротехника. Данное значение характерно лишь для сухого воздуха, который встретить в реальных условиях удается редко. Тут многие испугаются цифры и подумают: «У меня же нет таких напряжений» и это будет ошибкой. А еще на значение напряжения пробоя влияет запыленность воздуха и платы, а так же атмосферное давление (кривая и закон Пашена). И тут цифры уже куда скромнее, например, при влажности 100% напряжение пробоя воздуха составляет всего 250 В/мм!

Интересует нас таблица 6-1, которая выглядит вот так: 2) Стандарт IPC-2221, ссылку на который я давал в начале.

Если посмотрим, то увидим значение 0. Как видите в таблице для большое количество значений даже для нашего конкретного случая 301-500В. Если устройство будет работать где-то в горах и проводник находится на внешних слоях (все проводники в случае 2-х слойной платы) на высоте до 3000 метров, то там минимальный зазор уже 2,5 мм, то есть в 10 раза больше. 25 мм для закрытых проводников на внутренних слоях, то есть в «идеальных» условиях без доступа пыли, грязи и влаги. 5 мм! Если же мы эксплуатируем устройство на большей высоте, то зазор необходим уже в 12. Как только появляется защитное покрытие, то мы видим уже более адекватные значения: 0. Стоит сделать замечание — такой большой зазор требуется если наша плата не покрыта защитными составами, например, лаком или компаундом. 5 мм. 8 и 1.

8 мм, необходимо так же покрыть плату защитных составом, например, лаком после завершения монтажа устройства, его отмывки и сушки. Поэтому в «хорошем» примере по мимо обеспечения зазора 0. В противном случае необходимо увеличить зазор!

Правило №6 — Гальванический зазор

Ошибка — приравнивание диэлектрического зазора к гальваническому. По сути они очень похожи, но по требованиям все строже, когда дело доходит до гальванической развязки. Ярким случаем является развязка схемы управления и силовой части с помощью реле или оптрона, когда зазор между развязанными сторонами выбирается так же 0.8 или 1,5 мм.

Проблема №1 — пробой изоляции, выход из строя системы управления и прочего дорогого оборудования.

Стандартными значениями обычно являются напряжения 1,5 кВ, 2,5 кВ и 4 кВ. Решение — увеличение порога электрического пробоя. Если предполагается взаимодействие человека с устройством, например, через кнопки и прочие органы управления, то рекомендую применить изоляцию с напряжением 2,5 кВ и более. Если ваше устройство работает с сетевым напряжением, но человек напрямую с ним не взаимодействует, то напряжение развязки в 1,5 кВ будет достаточным.

Пример:

1) Плохой

Дело в том, что даже если сделать зазор 2 мм, то этого будет недостаточным для обеспечения изоляции. Что плохого спросите вы, ведь зазоры на плате есть, их можно сделать и 1,5 мм. Так же надо учитывать, что пробой может быть не только между проводниками на одном слое, но и на разных — насквозь плату через стеклотекстолит. Самым «слабым» местом должно быть расстояние между выводами управления реле (1-2) и выводами силовыми (3-8).

2) Хороший

Что было сделано для улучшения ситуации:

Теперь проводник +3. а) Появилась четка граница между низковольтной и высоковольтной частью. Так же в зоне/границе гальванической развязки не должно быть вообще ничего. 3В не проходит в высоковольтной области +310В, полигон GND не выходит за границу низковольтной часть, соответственно и пробоя не будет.

Маска — тоже слабое место и в зависимости от качества ее пробьет раньше, чем стеклотекстолит. б) Изолирующая зона освобождена от паяльной маски. Это делать не обязательно в общем случае, но если с устройством взаимодействуют люди, то настоятельно рекомендую.

Везде я смог сделать изолирующую зону 4 мм, а тут только 2. в) Как я выше писал, слабое место — расстояние между управляющими и силовыми выводами реле. От маски мы очистили, от проводников тоже и единственное через что может произойти пробой по плате — стеклотекстолит. 5 мм. 5 мм и убрал весть текстолит между выводами. Поэтому убираем и его, я сделал вырез под реле шириной 2. Данная операция тоже не обязательна, но существенно повышает надежность и безопасность вашего устройства.

Правило №7 — Переходные отверстия

Ошибка — очень часто наблюдаю картину, когда на 2-х слойной печатной плате для того, чтобы соединить 2 контактные площадки, использую 3..4… или даже 5 переходных отверстий.

Уменьшает устойчивость цепей и сигналов к помехам. Проблема №1 — переходных отверстий (via) становится слишком много на плате и это ограничивает место под проводники, что приводит к удлинению цепей, а следовательно и к увеличению их сопротивления.

Если 2 контакта находятся на одном слое и вы не можете соединить их напрямую, то используйте максимум 2 переходных отверстия. Решение — используйте минимальное количество переходных отверстий: если вам нужно соединить 2 контакта на разных слоях, то не используйте более 1-го переходного отверстия. Если вам нужно больше переходов для соединения, то что-то вы делаете не так — тренируйте логику и переразводите участок платы, который привел к проблеме.

Пример:

1) Плохо

2) Хорошо

Для соединения использовано минимальное количество переходных отверстий (via), что дает больше свободного места для других проводников и обеспечивает минимальные паразитные параметры проводника.

Несколько общих советов

  • Не используйте автотрассировщики! В «сыром» не настроенном виде они выдают ужасный результат, который даже самую светлую идею превратит в гуано. Для того, чтобы автотрассировщик работал хорошо, ему необходимо прописать определённые правила, которые скажут ему, что дороги надо не 0.15, а 1 мм и так далее. Для адекватного результат даже на простых платах приходится прописывать сотню, а то и две, этих самих правил. В Altium Designer под них выделен целый раздел, например. Если вы любитель и у вас не стоит задачи спроектировать свою плату для ноутбука, то разводите плату руками — выйдет быстрее и качество будет на высоте
  • Не ленитесь переделывать плату. Часто бывает, что вы сделали плату на 90%, но дальше все стало туго и вы начинаете нарушать «правила» и лепить гуано. Откатитесь назад, иногда приходится откатываться в самое начало, сделайте работу качественно и на этапе отладки устройства вы сэкономите очень много времени и нервов
  • Перед тем как начать проектировать плату, посмотрите несколько open source проектов, например, на хабре или hackaday. Главное не копируйте оттуда чужие очевидные ошибки
  • Если у вас есть знакомые разработчики электроники, пускай тоже любители — дайте им на проверку. Свежий взгляд на ваш проект позволит избежать очень много ошибок

Заключение

Надеюсь данная статья станет полезной для начинающих электронщиков и избавит их хотя бы от самых простых ошибок. Думаю не мало людей в данных правилах увидят и свои недочеты, но не стоит от этого правила слепо копировать. Всегда думайте головой и ищите лучший вариант, иногда и 4 переходных отверстия для 1-й цепи допустимы, если это позволяет вам улучшить конечный результат.

В ней разобраны и физические принципы проектирования, а так же приводится множество рекомендаций по проектированию стандартных цепей и интерфейсов. Те, кому данного материала мало — предлагаю ознакомиться со стандартами IPC по диагонали, сильно вчитываться смысла нет, а так же прочитать начальный курс «черной магии» от Говарда Джонса. Это раньше высокоскоростные цифровые цепи были чем-то магическим и возвышенным, но сегодня на дворе 2018 и с ними сталкиваются даже совсем новички, например, при подключение датчиков и памяти по SPI или дисплеев.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть