Посібник з основних схем друкованих плат для кожного дизайнера

Нерідко інженери надають пріоритет схемам, складним компонентам та коду в електронних проектах, тоді як компонування друкованої плати — вирішальний елемент — іноді ігнорується. Неправильне компонування друкованої плати може призвести до проблем із функціональністю та надійністю. У цій статті пропонуються практичні поради щодо гарантування оптимального функціонування та надійності ваших проектів з друкованими платами.

Визначення розміру трасування

Мідні доріжки мають природний опір, який може спричиняти падіння напруги, розсіювання потужності та підвищення температури під час протікання струму через них. Розробники друкованих плат вирішують цю проблему, коригуючи довжину, товщину та ширину доріжок. Враховуючи, що фізичні властивості міді є фіксованими, важливо оптимізувати розмір доріжок, щоб ефективно контролювати опір.

Товщина доріжки друкованої плати вимірюється в унціях міді. Наприклад, одна унція міді еквівалентна товщині 1,4 тисячних дюйма, за умови рівномірного розподілу на площі в один квадратний фут. Хоча багато розробників використовують 1 унцію або 2 унції міді, деякі виробники друкованих плат можуть забезпечити товщину до 6 унцій. Важливо зазначити, що виробництво дрібних елементів, таких як близько розташовані контакти, може бути складним завданням з товстішою міддю. Рекомендується проконсультуватися з виробником друкованої плати, щоб зрозуміти його можливості.

Щоб визначити оптимальну товщину та ширину ваших доріжок, ми рекомендуємо використовувати калькулятор ширини доріжок на друкованій платі, виходячи з вашого конкретного застосування. Метою є досягнення підвищення температури приблизно на 5°C. Якщо на платі достатньо місця, рекомендується вибрати ширші доріжки, оскільки вони є економічно ефективними. Слід зазначити, що для багатошарових плат доріжки на зовнішніх шарах мають краще охолодження порівняно з доріжками на внутрішніх шарах. Це пов'язано з тим, що тепло від внутрішніх шарів має пройти через кілька шарів міді та матеріалу друкованої плати, перш ніж розсіюватися або відводитися.

Зберігайте невеликі цикли

Бажано, щоб петлі, особливо на високих частотах, були якомога компактнішими. Зменшення розміру петлі призводить до зменшення як індуктивності, так і опору. Розміщення петель над площиною заземлення служить для подальшої мінімізації індуктивності, що, у свою чергу, допомагає знизити високочастотну напругу. Крім того, компактні петлі мінімізують індуктивний зв'язок від зовнішніх джерел та мовлення від вузла, що є перевагою в більшості випадків, за винятком проектування антени. Надзвичайно важливо підтримувати малі петлі в схемах операційних підсилювачів, щоб запобігти потраплянню шуму в схему.

Розміщення розділових конденсаторів

Рекомендується розміщувати розділові конденсатори якомога ближче до контактів живлення та заземлення інтегральних схем, щоб оптимізувати характеристики розв'язки. Розміщення компонентів на більшій відстані може призвести до появи розсіювальної індуктивності.

Зв'язки Кельвіна

Чотириполюсне вимірювання, також відоме як вимірювання Кельвіна, отримало свою назву від Вільяма Томсона, лорда Кельвіна, який розробив міст Кельвіна у 1861 році для точного вимірювання дуже низьких опорів. У цьому методі кожна пара проводів називається з'єднанням Кельвіна.

Кельвінівські з'єднання є важливими для точних вимірювань, оскільки вони розміщуються в точних точках, щоб мінімізувати розсіювання опору та індуктивності. Наприклад, під час вимірювання резистора для вимірювання струму важливо розташовувати з'єднання безпосередньо на контактних площадках резистора, а не в довільних точках на доріжках. Хоча схема може виглядати однаково, незалежно від того, чи з'єднання виконані на контактних площадках чи в інших місцях, важливо зазначити, що реальні доріжки мають індуктивність та опір, які можуть впливати на точність вимірювання, якщо не використовуються кельвінівські з'єднання.

Відокремлення цифрових та шумних трас від аналогових трас

Важливо зазначити, що паралельні доріжки або провідники можуть створювати ємність, що може призвести до ємнісного зв'язку між сигналами, особливо на високих частотах. Щоб уникнути будь-яких потенційних проблем із небажаним шумом, важливо чітко розмежовувати високочастотні та шумні доріжки від тих, що є чутливими.

Земля не є землею

Важливо зазначити, що заземлення не є ідеальним провідником. Як наслідок, для підтримки оптимальної якості сигналу вкрай важливо прокладати зашумлені заземлення подалі від чутливих сигналів. Важливо забезпечити доріжки заземлення достатньої ширини для забезпечення очікуваного потоку струму. Розташування заземлювальної площини безпосередньо під сигнальними доріжками є ефективним методом зменшення імпедансу, що корисно для підтримки цілісності сигналу.

Через розмір та кількість

Перехідні отвори впливають на загальну індуктивність та опір кола. У випадках, коли доріжку необхідно прокласти через друковану плату (PCB) і потрібна низька індуктивність або опір, доцільно розглянути можливість використання кількох перехідних отворів. Більші перехідні отвори зменшують опір, що робить їх безцінним активом для заземлення фільтруючих конденсаторів та вузлів з високим струмом.

Використання друкованої плати як радіатора

Рекомендується додавати додаткову мідь навколо компонентів поверхневого монтажу, щоб збільшити площу поверхні для ефективнішого розсіювання тепла. Зазвичай у технічних описах компонентів, особливо тих, що стосуються силових діодів, MOSFET або регуляторів напруги, наводяться рекомендації щодо використання площі поверхні друкованої плати як радіатора.

Теплові переходні отвори

Перехідні отвори сприяють передачі тепла з одного боку друкованої плати на інший, що є перевагою, коли друкована плата встановлена ​​на радіаторі або шасі для покращеного розсіювання тепла. Ефективніше використовувати більші перехідні отвори для теплопередачі, ніж менші. Крім того, використання кількох перехідних отворів, як правило, ефективніше, ніж покладання на один. Це призводить до зниження робочої температури компонентів, що, у свою чергу, підвищує їхню надійність.

Теплове полегшення

Термічний розвантаження – це техніка паяння, яка використовує невеликі з'єднання між доріжкою або заливкою та виводом компонента для оптимізації процесу паяння. Ці з'єднання робляться короткими, щоб мінімізувати електричний опір, що є вигідним з інженерної точки зору. Без теплового розвантаження, хоча компоненти можуть досягти кращого розсіювання тепла завдяки більш прямому з'єднанню з теплорозсіюючими доріжками або заливками, паяння та розпаювання компонента може стати складнішим.

Відстань між доріжками та монтажними отворами

Важливо підтримувати відповідну відстань між мідними доріжками або заливками та монтажними отворами, щоб зменшити ризик ураження електричним струмом. Важливо зазначити, що паяльна маска не забезпечує надійної ізоляції. Тому важливо забезпечити достатню відстань між мідними ділянками та монтажними елементами.

Теплочутливі компоненти

Важливо забезпечити, щоб термочутливі компоненти зберігалися окремо від тих, що виділяють тепло. Прикладами термочутливих компонентів є термопари та електролітичні конденсатори. Важливо зазначити, що розміщення термопар поблизу джерел тепла може призвести до неточних показників температури, тоді як розміщення електролітичних конденсаторів поблизу компонентів, що виділяють тепло, може негативно вплинути на їхній термін служби. До компонентів, що виділяють тепло, належать мостові випрямлячі, діоди, MOSFET, індуктори та резистори. Кількість тепла, що виробляється цими компонентами, залежить від струму, що протікає через них.

Висновок

У цій статті представлені важливі поради щодо компонування друкованих плат, які можуть значно покращити функціональність та надійність вашого проекту. Будь ласка, переконайтеся, що ці принципи застосовуються у вашій роботі.