Saludos! Durante la discusión del
artículo del compañero
KSVl , se
expresó la necesidad de un pequeño manual sobre el diseño de placas de circuito impreso. Muy a menudo veo artículos en el estilo de "5 reglas para el diseño del código" o "5 pasos para un proyecto exitoso", es decir, colecciones muy convenientes de resúmenes sobre un tema específico. Desafortunadamente, hay pocos artículos sobre el desarrollo de la electrónica y esto es malo ...
Le prometí al usuario de
KSVl y a algunos otros lectores un artículo con los principios básicos del diseño de placas de circuito impreso (PCB), ¡también invito a todos los fanáticos a tomar una taza de café para familiarizarse!
Prologo
Todas las reglas descritas en el artículo son las más básicas y se centran exclusivamente en desarrolladores completamente principiantes para quienes la electrónica es solo un hobby. Quiero señalar de inmediato que este artículo no pretende ser una verdad absoluta y todas las explicaciones se dan en forma gratuita.
Seguramente habrá personas que digan: "Sí, y así funciona, ¿por qué cambiar algo?" Y aquí, por desgracia, no estoy listo para malgastar mi fuerza y convencerte. Algunos quieren hacer todo bien, de manera eficiente y confiable, mientras que otros no se dan a entender este deseo.
Fuentes de información en las que se basan las reglas descritas en el artículo:- Curso de física general e ingeniería eléctrica. Todo dentro del 1er curso de la universidad.
- Howard Jones Books Diseño de dispositivos digitales de alta velocidad: un curso inicial de magia negra y transmisión de datos digitales de alta velocidad: el curso definitivo de magia negra
- Estándares IPC, por ejemplo, IPC-2221A. Hay una traducción al ruso (versión antigua) y el original de las últimas versiones al inglés.
- Experiencia propia
Regla número 1 - El ancho del conductor
Error : muy a menudo, los desarrolladores novatos usan el ancho de los conductores (pistas), que es el valor predeterminado en el sistema CAD utilizado. En el artículo mencionado anteriormente, el autor usó EasyEDA y allí el valor básico del ancho es de 6 milésimas de pulgada, es decir, aproximadamente 0,15 mm. Este ancho de conductores se usa en casi todas partes y esto es malo, ya que conduce a una serie de problemas.
El problema número 1 es la caída de voltaje. Todos recordamos la ley de Ohm de la cual se deduce que cuanto menor es el área de la sección transversal del conductor, mayor es su resistencia. Cuanto mayor sea la resistencia del conductor, más voltaje caerá a través de él.
Problema número 2 : calentamiento del conductor. Aquí es la misma ley de Ohm, la potencia liberada en el conductor es proporcional a su resistencia, es decir, cuanto mayor sea la resistencia, más calor se liberará en el conductor. El camino de 0.15 mm de corriente en 5-10A se evapora fácilmente.
Problema número 3 : inductancia parasitaria. Este momento apenas está relacionado con los básicos, pero debes saberlo. Cuanto más pequeña es la sección transversal del conductor, mayor es su inductancia. Es decir, cualquier conductor en realidad no es solo una "pieza de cobre", es un componente compuesto de resistencia, inductancia y capacitancia parásita. Si estos parámetros son demasiado altos, comienzan a afectar negativamente el funcionamiento del circuito. Más a menudo aparecen en frecuencias superiores a 10 MHz, por ejemplo, cuando se trabaja con SPI.
Problema No. 4 - baja resistencia mecánica. Creo que no hay necesidad de explicar que una pista de 2 mm de ancho está más firmemente unida a una base de textolita que una pista de 0,15 mm. Por diversión, toma la tabla innecesaria de fábrica y recógela.
Solución : utilice el ancho máximo posible de los conductores. Si el conductor se puede dibujar con un ancho de 0.6 mm, entonces es mejor que sostenerlo con un ancho de 0.15 mm.
Un ejemplo:1) malo
2) bueno
Regla número 2 - Conexión a conclusiones
Las conclusiones significan el área de contacto del componente (almohadilla), vías (vía) y otros objetos que conectamos a la placa mediante conductores (pistas).
Error : hay dos extremos. En uno, el desarrollador comete un error de la regla No. 1 y conecta la pista de 0.15 mm a la salida de la resistencia smd 1206. En el otro caso, por el contrario, usa un conductor cuyo ancho es igual al ancho de la almohadilla de contacto. Ambas opciones son malas.
Problema número 1 : baja resistencia mecánica. Con varios intentos de soldar el componente, la almohadilla o la pista simplemente se despega de la base de textolita de la placa de circuito impreso.
Problema número 2 : problemas tecnológicos con la instalación de la placa. Aunque esto se convertirá en un problema si comienza a ordenar no solo tableros en China, sino también ensamblajes. Por supuesto que te recogerán, pero el porcentaje de matrimonio aumenta.
Solución : el ancho del conductor conectado a la almohadilla de contacto debe ser aproximadamente el 80% del ancho de esta almohadilla.
Un ejemplo:1) malo
2) bueno
El tamaño de la almohadilla del condensador 1206 en este caso es
1,6 x 1 mm . En consecuencia, para resumir la señal desde abajo, se utiliza una pista igual al 80% del ancho de la plataforma, es decir, 0,8 mm (80% de 1 mm). Para resumir la señal a la derecha, se utiliza una pista de 1,2 mm de espesor (aproximadamente el 80% de 1,6 mm). El ancho de la plataforma para el microcircuito en el paquete SOIC-8 es de 0.6 mm, por lo que debe suministrar una señal con una pista de aproximadamente 0.5 mm.
Debe entenderse que esta opción es ideal. Probablemente no le gustará la transición de 1.2 mm a 0.5 mm, un alboroto adicional. Se puede evitar Para hacer esto, generalmente tome el ancho de la pista en relación con el pad mínimo (pad), es decir, en este caso, puede hacer lo siguiente:
Como puede ver, elegí el ancho del conductor en el área mínima, es decir, en el área de salida del microcircuito en el paquete SOIC-8. Esta simplificación es aceptable, pero debe usarse con prudencia.
Regla No. 3 - Cadenas de poder
Ahora, considere el caso donde la simplificación en relación con la regla No. 2 es simplemente inaceptable, a saber, el diseño de circuitos de potencia. Esta regla se basa en las dos anteriores y es un caso especial, pero quizás el más crítico.
Error : descuido de las reglas No. 1 y No. 2 al diseñar circuitos de alimentación.
Problema número 1 : la salida de su regulador de voltaje es estrictamente + 3.3V. Enciende el dispositivo y observa que el microcircuito se comporta de manera inapropiada, el ADC no mide con precisión y se apaga periódicamente. Mide el voltaje en las piernas del consumidor (microcircuito) y encuentra en lugar de + 3.3V solo + 2.6V.
Problema No. 2 : su convertidor DC-DC no se inicia o tiene grandes ondas en la salida.
Problema número 3 : al tratar de encontrar un mal funcionamiento, coloca la sonda del osciloscopio en la línea de + 3.3V y encuentra algunas ondas y ruidos terribles en lugar de un voltaje constante.
Solución : observamos las reglas especialmente estrictas y fanáticas No. 1 y No. 2. Las pistas son lo más anchas posible. La energía debe llegar al chip a través de un condensador de cerámica, que, si es posible, se coloca más cerca de la salida de este chip.
Un ejemplo:1) malo
2) bueno
Lo que hice para que sea bueno:1) La
pista de potencia
VCC3V3 ahora
es adecuada, sin pasar por alto el condensador, sino a través de él. Es decir, primero al condensador y luego a la salida del microcircuito
2) Utilicé un orificio pasante (vía) con un tamaño de 1.2 / 0.6 mm. Sí, de acuerdo con los requisitos para la clase de precisión 4 (estándar), puedo usar un agujero de vias de 0.7 / 0.3 mm de tamaño, pero no hice esto y apliqué una transición más grande. Esto hizo posible reducir su resistencia y permitir el paso de más corriente.
3) ¡El bus de energía que viene del estabilizador ahora no es 0.3 mm, sino 2 mm! No tengas miedo de hacer guías anchas. Este enfoque minimiza la caída de voltaje en el circuito y reduce la inductancia del conductor.
Regla No. 4 - Tierra
Puede hablar sobre el impacto de la calidad en Earth Bus Design (GND) para siempre, pero cualquier conversación se reduce a un punto simple: la
estabilidad y la operatividad de un dispositivo dependen en gran medida del diseño de la tierra . Este problema es muy voluminoso y requiere un estudio profundo, por lo que daré las recomendaciones más básicas.
El error es la traza del circuito GND (tierra) con un conductor ordinario, e incluso el ancho mínimo. ¡Es solo un combo de k a k!
El problema número 1 es la inestabilidad del dispositivo y la fuerte interferencia en los circuitos, especialmente en los circuitos de alimentación.
Problema No. 2 : calentamiento y, a menudo, la rotura de un conductor delgado, porque Tiene una gran corriente.
La solución es usar el polígono para enrutar el circuito GND, e idealmente una capa separada que esté completamente asignada para este circuito, por ejemplo, la capa inferior.
Un ejemplo:1) malo
2) bueno
Como puede ver, en lugar del conductor habitual, apliqué un relleno de polígono sólido. Esta solución me proporcionó una gran área de sección transversal, porque el vertedero es solo un conductor muy grande. Solo a veces dicha solución tiene un inconveniente, por ejemplo, cuando la densidad de montaje es alta y otros conductores rompen un polígono sólido, ya que aquí el circuito
LED1..3 rompe el camino más corto entre la salida del microcircuito y el condensador (GND):
Aquí seremos ayudados por la capa GND separada mencionada anteriormente. En un tablero de dos capas, idealmente, debajo de él, seleccione la capa inferior y, en un tablero de varias capas, una de las capas internas:
Por lo tanto, restauramos el camino más corto para la corriente a través del circuito GND, y en este caso, ayudamos a la capa inferior (color azul), que es completamente un polígono de tierra. Vias (vía) cerca de las almohadillas les proporcionó la conexión más corta posible a la capa inferior de la tierra.
Por supuesto, este es un caso ideal y, a veces, no será posible implementarlo sin aumentar el precio del tablero, por lo que la decisión es suya. A veces no se necesita una "super" fiabilidad, es importante encontrar un punto medio entre el valor y la calidad para su tarea.
Regla No. 5 - Ancho de espacio
El valor mínimo de la brecha entre los conductores de cobre en la placa de circuito impreso, los requisitos tecnológicos nos dictan. Para la cuarta clase (estándar), el valor es 0.15 / 0.15 mm o 6/6 mils. El ancho máximo está limitado solo por su imaginación, las dimensiones del tablero y el sentido común.
Error : el espacio no es lo suficientemente grande, por lo general, deja el valor predeterminado de aproximadamente 0,15 mm.
Problema número 1 : avería eléctrica. Se produce un cortocircuito cuando se cierran 2 conductores con diferentes potenciales, por ejemplo, con un objeto metálico y la corriente aumenta bruscamente. Desafortunadamente, los materiales dieléctricos ideales no existen y en algún momento cualquier material comienza a conducir corriente. Un ejemplo de esto son los aislantes en las líneas eléctricas, que a veces las perforan. Este fenómeno ocurre cuando
se excede el
voltaje crítico de ruptura . Por la misma razón, la fibra de vidrio, que es la mayoría principal de las placas de circuito impreso, en algún momento puede comenzar a pasar corriente.
La solución es aumentar la distancia entre los conductores. El voltaje de ruptura depende del tipo de material y del grosor / ancho del aislante. En el caso de las placas de circuito impreso, la distancia (espacio) entre los conductores es solo ese parámetro que afecta el valor crítico del voltaje de ruptura.
Cuanto mayor sea la distancia entre los conductores, mayor será el voltaje necesario para romperlo .
También quiero decir que la descomposición de la fibra de vidrio no siempre es el problema más urgente. El aire que rodea el tablero también es un aislante, pero bajo ciertas condiciones se convierte en un conductor, recuerde una tormenta eléctrica. La avería eléctrica en el aire es un gran problema en la electrónica, especialmente cuando se considera que el aire puede estar seco o puede tener una humedad del 90-100%, por ejemplo, en los trópicos o en el norte.
Un ejemplo:Acordemos que en este ejemplo hay 3 conductores: un voltaje de red rectificado + 310V, una línea de alimentación de bajo voltaje para el microcontrolador + 3.3V y un bus de tierra (GND).
1) malo
2) bueno
¿Por qué 0.3 mm es malo y 0.8 mm ya está bien? Pregunte y como respuesta le daré 2 fuentes:
1) Física ordinaria e ingeniería eléctrica. Los datos en ellos varían debido a los diferentes métodos de medición y otras cosas, pero la cifra más realista
para el aire seco es de
2 kV / mm . Aquí, muchos tendrán miedo de los números y pensarán: "No tengo tales tensiones" y esto será un error. Este valor es característico solo para el aire seco, que rara vez se encuentra en condiciones reales. Y aquí los números son mucho más modestos, por ejemplo, con una humedad del 100%, ¡el voltaje de ruptura del aire es de solo
250 V / mm ! Y también el contenido de polvo del aire y el tablero, así como la presión atmosférica (curva de Paschen y ley) afectan el valor del voltaje de ruptura.
2) estándar IPC-2221, el enlace al que di al principio. Estamos interesados en la tabla 6-1, que se ve así:
Como puede ver en la tabla para una gran cantidad de valores, incluso para nuestro caso específico,
301-500V . Si observamos, veremos el valor de 0.25 mm para conductores cerrados en las capas internas, es decir, en condiciones "ideales" sin acceso al polvo, la suciedad y la humedad. Si el dispositivo funcionará en algún lugar de las montañas y el conductor está en las capas externas (todos los conductores en el caso de una placa de 2 capas) a una altitud de hasta 3000 metros, entonces el espacio libre mínimo ya es de 2.5 mm, es decir, 10 veces más. Si operamos el dispositivo a una altura más alta, ¡entonces el espacio ya se requiere a 12.5 mm! Vale la pena hacer un comentario: se requiere un espacio tan grande si nuestra placa no está cubierta con compuestos protectores, por ejemplo, barniz o compuesto. Tan pronto como aparece la capa protectora, vemos valores más adecuados:
0.8 y
1.5 mm.
Por lo tanto, en un "buen" ejemplo, además de proporcionar un espacio libre de 0,8 mm, también es necesario cubrir el tablero con un compuesto protector, por ejemplo, barniz después de la instalación del dispositivo, su lavado y secado se han completado. De lo contrario, aumente el espacio libre.
Regla n. ° 6 - Separación galvánica
Error : equiparar la separación dieléctrica con la galvánica. De hecho, son muy similares, pero los requisitos son más estrictos cuando se trata de aislamiento galvánico. Un caso sorprendente es el desacoplamiento del circuito de control y la unidad de potencia mediante un relé u optoacoplador, cuando el espacio entre los lados desacoplados también se elige 0,8 o 1,5 mm.
Problema número 1 : ruptura del aislamiento, falla del sistema de control y otros equipos costosos.
La solución es aumentar el umbral de avería eléctrica. Los valores predeterminados suelen ser 1,5 kV, 2,5 kV y 4 kV. Si su dispositivo funciona con voltaje de red, pero la persona no interactúa directamente con él, entonces un voltaje de aislamiento de 1.5 kV será suficiente. Si se supone que la interacción humana con el dispositivo, por ejemplo, a través de botones y otros controles, recomiendo usar aislamiento con un voltaje de 2.5 kV o más.
Un ejemplo:1) malo
Pregunta qué mal, porque hay espacios en el tablero, también se pueden hacer 1,5 mm. El hecho es que incluso si se hace un espacio de 2 mm, esto no será suficiente para garantizar el aislamiento. El punto más débil debe ser la distancia entre los terminales de control del relé (1-2) y los terminales de alimentación (3-8). También debe tenerse en cuenta que la descomposición puede ser no solo entre los conductores en la misma capa, sino también en los diferentes, a través y a través del tablero a través de fibra de vidrio.
2) bueno
Lo que se ha hecho para mejorar la situación:a) Existe un límite claro entre las partes de bajo y alto voltaje. Ahora el conductor + 3.3V no pasa en la región de alto voltaje + 310V, el rango de GND no va más allá del límite de la parte de bajo voltaje, respectivamente, y no habrá ruptura. Además, no debe haber nada en absoluto en la zona / límite de aislamiento galvánico.
b) La zona aislante se libera de la máscara de soldadura. La máscara también es un punto débil y, dependiendo de la calidad, penetrará antes que la fibra de vidrio. Esto no es necesario en el caso general, pero si las personas interactúan con el dispositivo, lo recomiendo encarecidamente.
c) Como escribí anteriormente, el punto débil es la distancia entre el control y los terminales de alimentación del relé. En todas partes pude hacer una zona aislante de 4 mm, y aquí solo 2.5 mm. También limpiamos la máscara, de los conductores, y la única cosa a través de la cual puede ocurrir una falla en el tablero es la fibra de vidrio. Por lo tanto, también lo eliminamos, hice un corte debajo del relé de 2.5 mm de ancho y eliminé el mensaje de textolita entre los terminales. Esta operación tampoco es necesaria, pero aumenta significativamente la confiabilidad y seguridad de su dispositivo.
Regla No. 7 - vias
Error : muy a menudo veo una imagen cuando estoy en una placa de circuito impreso de 2 capas para conectar 2 almohadillas de contacto, uso 3..4 ... o incluso 5 vías.
Problema No. 1 : hay demasiadas vías (vía) en el tablero y esto limita el espacio para los conductores, lo que conduce a un alargamiento de los circuitos y, por lo tanto, a un aumento de su resistencia. Reduce la inmunidad al ruido de circuitos y señales.
Solución : use el número mínimo de vías: si necesita conectar 2 pines en diferentes capas, no use más de 1 vía. Si hay 2 pines en la misma capa y no puede conectarlos directamente, use un máximo de 2 vías. Si necesita más transiciones para la conexión, está haciendo algo mal: capacite la lógica y vuelva a generar la parte de la placa que provocó el problema.
Un ejemplo:1) malo
2) bueno
Se usó el número mínimo de vías (vía) para la conexión, lo que proporciona más espacio libre para otros conductores y proporciona parámetros parásitos mínimos del conductor.
Algunos consejos generales
- ¡No use enrutadores automáticos! En una forma "cruda", no sintonizada, dan un resultado terrible, que convertirá incluso la idea más brillante en un guano. Para que la ruta automática funcione bien, debe prescribir ciertas reglas que le dirán que las carreteras no necesitan 0,15, sino 1 mm, etc. Para obtener un resultado adecuado, incluso en tarjetas simples, debe registrar cien o incluso dos de estas reglas. En Altium Designer, se resalta una sección completa debajo de ellos, por ejemplo. Si eres un aficionado y no tienes la tarea de diseñar tu placa base para una computadora portátil, encoge la placa con las manos: saldrá más rápido y la calidad será óptima
- No seas perezoso para rehacer el tablero. , 90%, «» . , ,
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Conclusión
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