site logo

Основные проблемы и навыки улучшения дизайна печатных плат

При разработке печатных плат мы обычно полагаемся на опыт и навыки, которые обычно находим в Интернете. Каждый дизайн печатной платы может быть оптимизирован для конкретного приложения. Как правило, его правила разработки применимы только к целевому приложению. Например, правила ADC PCB не применяются к RF PCB и наоборот. Однако некоторые рекомендации можно считать общими для любой конструкции печатной платы. Здесь, в этом руководстве, мы познакомимся с некоторыми основными проблемами и навыками, которые могут значительно улучшить дизайн печатной платы.
Распределение энергии – ключевой элемент в любом электрическом проекте. Все ваши компоненты полагаются на питание для выполнения своих функций. В зависимости от вашей конструкции некоторые компоненты могут иметь разные соединения питания, в то время как некоторые компоненты на одной плате могут иметь плохие соединения питания. Например, если все компоненты питаются от одной проводки, каждый компонент будет иметь разный импеданс, что приведет к нескольким опорным заземлениям. Например, если у вас есть две схемы АЦП, одна в начале, а другая в конце, и оба АЦП считывают внешнее напряжение, каждая аналоговая схема будет считывать разный потенциал относительно себя.
Мы можем резюмировать распределение мощности тремя возможными способами: одноточечный источник, звездообразный источник и многоточечный источник.
(а) Одноточечный источник питания: источник питания и заземляющий провод каждого компонента отделены друг от друга. Разводка питания всех компонентов встречается только в одной контрольной точке. Единая точка считается подходящей для питания. Однако это невозможно для сложных или крупных / средних проектов.
(b) Звездный источник: Звездный источник можно рассматривать как усовершенствование одноточечного источника. Из-за своих основных характеристик он отличается: длина маршрута между компонентами одинакова. Соединение звездой обычно используется для сложных высокоскоростных сигнальных плат с различными часами. В печатной плате высокоскоростного сигнала сигнал обычно идет от края, а затем достигает центра. Все сигналы могут передаваться из центра в любую область печатной платы, а задержка между областями может быть уменьшена.
(c) Многоточечные источники: в любом случае считаются плохими. Однако его легко использовать в любой схеме. Многоточечные источники могут приводить к разнице опорных значений между компонентами и общим импедансным соединением. Этот стиль дизайна также позволяет схемам с высоким уровнем коммутации, тактовым сигналам и РЧ-схемам вносить шум в соседние схемы, использующие соединения.
Конечно, в нашей повседневной жизни не всегда будет единый тип распределения. Компромисс, который мы можем сделать, – это смешать одноточечные источники с многоточечными источниками. Вы можете разместить аналоговые чувствительные устройства и высокоскоростные / радиочастотные системы в одной точке, а все другие менее чувствительные периферийные устройства в одной точке.
Вы когда-нибудь задумывались, стоит ли использовать силовой самолет? Ответ положительный. Плата питания – это один из способов передачи мощности и уменьшения шума любой цепи. Плоскость питания сокращает путь заземления, снижает индуктивность и улучшает характеристики электромагнитной совместимости (ЭМС). Это также связано с тем, что развязывающий конденсатор с параллельными пластинами также генерируется в плоскостях источника питания с обеих сторон, чтобы предотвратить распространение шума.
Плата питания также имеет очевидное преимущество: благодаря своей большой площади она пропускает больше тока, тем самым увеличивая диапазон рабочих температур печатной платы. Но учтите: силовой слой может улучшить рабочую температуру, но нужно учитывать и проводку. Правила отслеживания задаются ipc-2221 и ipc-9592.
Для печатной платы с источником RF (или любого приложения высокоскоростного сигнала) у вас должна быть полная заземляющая пластина, чтобы улучшить производительность печатной платы. Сигналы должны быть расположены в разных плоскостях, и практически невозможно удовлетворить оба требования одновременно, используя два слоя пластин. Если вы хотите сконструировать антенну или любую ВЧ-плату невысокой сложности, вы можете использовать два слоя. На следующем рисунке показано, как ваша печатная плата может лучше использовать эти плоскости.
В конструкции со смешанными сигналами производители обычно рекомендуют отделить аналоговую землю от цифровой. На чувствительные аналоговые схемы легко влияют высокоскоростные переключатели и сигналы. Если аналоговое и цифровое заземление различаются, плоскость заземления будет разделена. Однако у него есть следующие недостатки. Следует обратить внимание на площадь перекрестных помех и петель разделенного заземления, вызванную в основном неоднородностью заземляющего слоя. На следующем рисунке показан пример двух отдельных плоскостей заземления. С левой стороны обратный ток не может проходить непосредственно по сигнальному маршруту, поэтому будет область петли вместо того, чтобы быть спроектированной в правой области петли.
Электромагнитная совместимость и электромагнитные помехи (EMI)
Для высокочастотных конструкций (например, радиочастотных систем) электромагнитные помехи могут быть серьезным недостатком. Пластина заземления, о которой говорилось ранее, помогает снизить электромагнитные помехи, но, согласно вашей печатной плате, пластина заземления может вызвать другие проблемы. В ламинате с четырьмя или более слоями очень важно расстояние до самолета. Когда емкость между плоскостями мала, электрическое поле будет расширяться на плате. В то же время сопротивление между двумя плоскостями уменьшается, позволяя обратному току течь в сигнальную плоскость. Это создаст электромагнитные помехи для любого высокочастотного сигнала, проходящего через самолет.
Простое решение, позволяющее избежать электромагнитных помех, – не допустить прохождения высокоскоростными сигналами нескольких слоев. Добавьте развязывающий конденсатор; И поместите заземляющие переходные отверстия вокруг сигнальной проводки. На следующем рисунке показана хорошая конструкция печатной платы с высокочастотным сигналом.
Фильтр шума
Шунтирующие конденсаторы и ферритовые бусины – это конденсаторы, используемые для фильтрации шума, создаваемого любым компонентом. По сути, при использовании в любом высокоскоростном приложении любой вывод ввода / вывода может стать источником шума. Чтобы лучше использовать это содержимое, нам необходимо обратить внимание на следующие моменты:
Всегда размещайте ферритовые бусины и байпасные конденсаторы как можно ближе к источнику шума.
Когда мы используем автоматическое размещение и автоматическую маршрутизацию, мы должны учитывать расстояние для проверки.
Избегайте переходных отверстий и любых других маршрутов между фильтрами и компонентами.
Если есть заземляющий слой, используйте несколько сквозных отверстий, чтобы правильно заземлить его.