7 règles pour concevoir des cartes de circuits imprimés

Salutations! Au cours de la discussion de l' article du camarade KSVl , la nécessité d'un petit manuel sur la conception des cartes de circuits imprimés a été exprimée. Très souvent, je vois des articles dans le style de «5 règles pour la conception du code» ou «5 étapes pour un projet réussi», c'est-à-dire des collections très pratiques de résumés sur un sujet spécifique. Malheureusement, il existe peu d'articles de ce type sur le développement de l'électronique et c'est mauvais ...

J'ai promis à l'utilisateur de KSVl et à quelques autres lecteurs un article sur les principes de base de la conception des circuits imprimés (PCB), j'invite également tous les fans à boire un café pour se familiariser!

Prologue

Toutes les règles décrites dans l'article sont les plus élémentaires et s'adressent exclusivement aux développeurs complètement débutants pour qui l'électronique n'est qu'un loisir. Je veux tout de suite noter que cet article ne prétend pas être une vérité absolue et toutes les explications sont données sous forme libre.

Il y aura sûrement des gens qui diront: "Oui, et donc ça marche, pourquoi changer quelque chose?" Et ici, hélas, je ne suis pas prêt à gaspiller mes forces et à vous convaincre. Certains veulent tout faire bien, efficacement et de manière fiable, tandis que d'autres ne sont pas donnés pour comprendre ce désir.

Sources d'informations sur lesquelles se fondent les règles décrites dans l'article:

1. Cours de physique générale et de génie électrique. Tout dans le 1er cours de l'université
2. Howard Jones Books Designing High-Speed ​​Digital Devices: A Initial Course in Black Magic and High-Speed ​​Digital Data Transmission: The Ultimate Course in Black Magic
3. Normes IPC, par exemple IPC-2221A. Il y a une traduction en russe (ancienne version) et l'original des dernières versions en anglais
4. Expérience personnelle

Règle numéro 1 - La largeur du conducteur

Erreur - très souvent, les développeurs novices utilisent la largeur des conducteurs (pistes), qui est la valeur par défaut dans le système de CAO utilisé. Dans l'article mentionné précédemment, l'auteur a utilisé EasyEDA et la valeur de base de la largeur est de 6 mils, soit environ 0,15 mm. Cette largeur de conducteurs est utilisée presque partout et c'est mauvais, car cela conduit à un certain nombre de problèmes.

Le problème numéro 1 est la chute de tension. Nous nous souvenons tous de la loi d'Ohm dont il résulte que plus la section transversale du conducteur est petite, plus sa résistance est grande. Plus la résistance du conducteur est élevée, plus la tension chute à travers lui.

Problème numéro 2 - chauffage des conducteurs. Ici, c'est la même loi d'Ohm, la puissance libérée sur le conducteur est proportionnelle à sa résistance, c'est-à-dire que plus la résistance est élevée, plus la chaleur sera libérée sur le conducteur. La route de 0,15 mm de courant en 5-10A s'évapore facilement.

Problème numéro 3 - inductance parasite. Ce moment n'est guère lié aux moments de base, mais vous devez le savoir. Plus la section du conducteur est petite, plus son inductance est grande. Autrement dit, tout conducteur n'est en fait pas seulement un «morceau de cuivre», c'est un composant composite de résistance, d'inductance et de capacité parasite. Si ces paramètres sont trop élevés, ils commencent à affecter négativement le fonctionnement du circuit. Plus souvent, ils apparaissent à des fréquences supérieures à 10 MHz, par exemple, lorsque vous travaillez avec SPI.

Problème n ° 4 - faible résistance mécanique. Je pense qu'il n'est pas nécessaire d'expliquer qu'une piste de 2 mm de large est plus fermement attachée à une base textolite qu'une piste de 0,15 mm. Pour le plaisir, prenez la planche inutile de l'usine et choisissez-la.

Solution - utilisez la largeur maximale possible des conducteurs. Si le conducteur peut être tiré avec une largeur de 0,6 mm, c'est mieux que de le maintenir avec une largeur de 0,15 mm.

Un exemple:

1) Mauvais


2) Bon

Règle numéro 2 - Lien avec les conclusions

Les conclusions signifient la zone de contact du composant (pad), des vias (via) et d'autres objets que nous connectons à la carte à l'aide de conducteurs (pistes).

Erreur - il y a deux extrêmes. Dans l'un, le développeur fait une erreur de la règle n ° 1 et connecte la piste de 0,15 mm à la sortie de la résistance smd 1206. Dans l'autre cas, au contraire, il utilise un conducteur dont la largeur est égale à la largeur de la plage de contact. Les deux options sont mauvaises.

Problème numéro 1 - faible résistance mécanique. Après plusieurs tentatives de soudage du composant, le tampon ou la piste décolle simplement la base textolite de la carte de circuit imprimé.

Problème numéro 2 - problèmes technologiques avec l'installation de la carte. Bien que cela devienne un problème si vous commencez à commander non seulement des cartes en Chine, mais aussi l'assemblage. Bien sûr, ils vous chercheront, mais le% du mariage augmente.

Solution - la largeur du conducteur connecté au plot de contact doit être d'environ 80% de la largeur de ce plot.

Un exemple:

1) Mauvais


2) Bon


La taille du plot de condensateur 1206 dans ce cas est de 1,6 x 1 mm . En conséquence, pour résumer le signal par le bas, une piste égale à 80% de la largeur de la plate-forme, soit 0,8 mm (80% de 1 mm), est utilisée. Pour résumer le signal à droite, une piste de 1,2 mm d'épaisseur est utilisée (environ 80% de 1,6 mm). La largeur de la plate-forme pour le microcircuit dans le boîtier SOIC-8 est de 0,6 mm, vous devez donc fournir un signal avec une piste d'environ 0,5 mm.

Il faut comprendre que cette option est idéale. Vous n'aimerez probablement pas la transition de 1,2 mm à 0,5 mm - un problème supplémentaire. Cela peut être évité. Pour ce faire, prenez généralement la largeur de la piste par rapport au pad minimum (pad), c'est-à-dire que dans ce cas, vous pouvez faire comme ceci:



Comme vous pouvez le voir, j'ai choisi la largeur du conducteur dans la zone minimale, c'est-à-dire dans la zone de sortie du microcircuit dans le boîtier SOIC-8. Cette simplification est acceptable, mais elle doit être utilisée à bon escient.

Règle n ° 3 - Chaînes de puissance

Considérons maintenant le cas où la simplification par rapport à la règle n ° 2 est tout simplement inacceptable, à savoir la conception des circuits de puissance. Cette règle est basée sur les deux précédentes et est un cas spécial, mais peut-être le plus critique.

Erreur - négligence des règles n ° 1 et n ° 2 lors de la conception des circuits de puissance.

Problème numéro 1 - la sortie de votre régulateur de tension est strictement + 3,3V. Vous allumez l'appareil et observez que le microcircuit se comporte de manière inappropriée, l'ADC ne mesure pas avec précision et s'éteint périodiquement. Vous mesurez la tension sur les jambes du consommateur (microcircuit) et vous trouvez au lieu de + 3,3V seulement + 2,6V.

Problème n ° 2 - votre convertisseur DC-DC ne démarre pas ou a de grandes ondulations à la sortie.

Problème numéro 3 - en essayant de trouver un dysfonctionnement, vous placez la sonde de l'oscilloscope sur la ligne + 3,3 V et y trouvez des ondulations et du bruit terribles au lieu d'une tension constante.

Solution - nous observons des règles n ° 1 et n ° 2 particulièrement strictes et fanatiques. Les pistes sont aussi larges que possible. La puce doit être alimentée par un condensateur en céramique qui, si possible, est placé plus près de la sortie de cette puce.

Un exemple:

1) Mauvais


2) Bon


Ce que j'ai fait pour le rendre bon:

1) La piste d' alimentation VCC3V3 convient désormais non plus en contournant le condensateur, mais à travers lui. Autrement dit, d'abord au condensateur, puis à la sortie du microcircuit

2) J'ai utilisé un trou traversant (via) d'une taille de 1,2 / 0,6 mm. Oui, conformément aux exigences de la classe de précision 4 (standard), je peux utiliser un trou de vias de 0,7 / 0,3 mm, mais je ne l'ai pas fait et j'ai appliqué une transition plus importante. Cela a permis de réduire sa résistance et de laisser passer plus de courant.

3) Le bus d'alimentation qui provient du stabilisateur n'est désormais plus de 0,3 mm, mais de 2 mm! N'ayez pas peur de faire de larges guides. Cette approche minimise la chute de tension dans le circuit et réduit l'inductance du conducteur.

Règle n ° 4 - Terre

Vous pouvez parler de l'impact de la qualité sur la conception du bus terrestre (GND) pour toujours, mais toute conversation se résume à un point simple: la stabilité et le fonctionnement d'un appareil dépendent dans une large mesure de la conception de la terre . Ce problème est très volumineux et nécessite une étude approfondie, je vais donc donner les recommandations les plus élémentaires.

L'erreur est la trace du circuit GND (masse) avec un conducteur ordinaire, et même la largeur minimale. C'est juste un combo k-to-k-k!

Le problème n ° 1 est l'instabilité de l'appareil et les fortes interférences dans les circuits, en particulier dans les circuits de puissance.

Problème n ° 2 - le chauffage et souvent la rupture d'un conducteur mince, car il a un grand courant.

La solution consiste à utiliser le polygone pour router le circuit GND, et idéalement une couche distincte qui est entièrement allouée à ce circuit, par exemple la couche inférieure.

Un exemple:

1) Mauvais


2) bon


Comme vous pouvez le voir, au lieu du conducteur habituel, j'ai appliqué un remplissage de polygone solide. Cette solution m'a donné une énorme section transversale, car la décharge n'est qu'un très gros conducteur. Ce n'est que parfois qu'une telle solution présente un inconvénient, par exemple, lorsque la densité de montage est élevée et que d'autres conducteurs cassent un polygone solide, car ici le circuit LED1..3 rompt le chemin le plus court entre la sortie du microcircuit et le condensateur (GND):



Ici, nous serons aidés par la couche GND séparée mentionnée précédemment. Dans un panneau à deux couches, idéalement, sous celui-ci, sélectionnez la couche inférieure et dans un panneau multicouche, l'une des couches internes:



Ainsi, nous avons restauré le chemin le plus court pour le courant à travers le circuit GND, et dans ce cas, nous avons aidé la couche inférieure (couleur bleue), qui est complètement un polygone de terre. Des vias (via) près des plots leur ont fourni la connexion la plus courte possible à la couche inférieure de la terre.

Bien sûr, c'est un cas idéal et parfois il ne sera pas possible de le mettre en œuvre sans augmenter le prix de la carte, donc la décision vous appartient. Parfois, une «super» fiabilité n'est pas nécessaire, il est important de trouver un juste milieu entre valeur et qualité pour votre tâche.

Règle n ° 5 - Largeur de l'espace

La valeur minimale de l'écart entre les conducteurs en cuivre sur la carte de circuit imprimé, les exigences technologiques nous dictent. Pour la 4e classe (standard), la valeur est de 0,15 / 0,15 mm ou 6/6 mils. La largeur maximale n'est limitée que par votre imagination, les dimensions de la planche et le bon sens.

Erreur - l'écart n'est pas assez grand, laissez généralement la valeur par défaut d'environ 0,15 mm.

Problème numéro 1 - panne électrique. Un court-circuit se produit lorsque 2 conducteurs de potentiels différents sont fermés, par exemple avec un objet métallique et que le courant augmente fortement. Malheureusement, les matériaux diélectriques idéaux n'existent pas et à un moment donné, tout matériau commence à conduire le courant. Un exemple de ceci est les isolateurs sur les lignes électriques, parfois les perforant. Ce phénomène se produit lorsque la tension critique de claquage est dépassée. Pour la même raison, la fibre de verre, qui est la majorité des circuits imprimés, peut à un moment donné commencer à passer le courant.

La solution est d'augmenter la distance entre les conducteurs. La tension de claquage dépend du type de matériau et de l'épaisseur / largeur de l'isolant. Dans le cas des cartes de circuits imprimés - la distance (écart) entre les conducteurs est juste ce paramètre qui affecte la valeur critique de la tension de claquage. Plus la distance entre les conducteurs est grande, plus la tension nécessaire pour la rompre est grande .

Je veux également dire que la dégradation de la fibre de verre n'est pas toujours le problème le plus urgent. L'air qui entoure la planche est également un isolant, mais dans certaines conditions il devient conducteur, souvenez-vous d'un orage. La panne électrique aéroportée est un gros problème en électronique, surtout si l'on considère que l'air peut être sec, ou qu'il peut avoir une humidité de 90 à 100%, par exemple sous les tropiques ou dans le Nord.

Un exemple:

Convenons que dans cet exemple, il y a 3 conducteurs: une tension de réseau redressée + 310V, une ligne d'alimentation basse tension pour le microcontrôleur + 3,3V et un bus de terre (GND).

1) Mauvais


2) bon


Pourquoi est-ce que 0,3 mm est mauvais et 0,8 mm déjà bien vous demandez et comme réponse je vais vous donner 2 sources:

1) Physique ordinaire et génie électrique. Les données qu'ils contiennent varient en raison de différentes méthodes de mesure et d'autres choses, mais le chiffre le plus réaliste pour l'air sec est de 2 kV / mm . Ici, beaucoup auront peur des chiffres et penseront: "Je n'ai pas de telles tensions" et ce sera une erreur. Cette valeur n'est caractéristique que pour l'air sec, rarement rencontré en conditions réelles. Et ici les chiffres sont beaucoup plus modestes, par exemple, à une humidité de 100%, la tension de claquage de l'air n'est que de 250 V / mm ! De plus, la teneur en poussière de l'air et du carton, ainsi que la pression atmosphérique (courbe et loi de Paschen) affectent la valeur de la tension de claquage.

2) Norme IPC-2221, le lien auquel j'ai donné au début. Nous sommes intéressés par le tableau 6-1, qui ressemble à ceci:



Comme vous pouvez le voir dans le tableau pour un grand nombre de valeurs, même pour notre cas spécifique, 301-500V . Si nous regardons, nous verrons la valeur de 0,25 mm pour les conducteurs fermés sur les couches internes, c'est-à-dire dans des conditions "idéales" sans accès à la poussière, la saleté et l'humidité. Si l'appareil fonctionne quelque part dans les montagnes et que le conducteur se trouve sur les couches externes (tous les conducteurs dans le cas d'une carte à 2 couches) à une altitude pouvant atteindre 3000 mètres, alors le dégagement minimum est déjà de 2,5 mm, soit 10 fois plus. Si nous utilisons l'appareil à une hauteur plus élevée, l'écart est déjà requis à 12,5 mm! Cela vaut la peine de faire un commentaire - un écart aussi important est nécessaire si notre planche n'est pas recouverte de composés protecteurs, par exemple de vernis ou de composé. Dès que le revêtement protecteur apparaît, nous voyons des valeurs déjà plus adéquates: 0,8 et 1,5 mm.

Par conséquent, dans un «bon» exemple, en plus de prévoir un jeu de 0,8 mm, il est également nécessaire de couvrir la planche avec un composé protecteur, par exemple du vernis après l'installation de l'appareil, son lavage et son séchage sont terminés. Sinon, augmentez le jeu!

Règle n ° 6 - Dégagement galvanique

Erreur - assimiler l'écart diélectrique à galvanique. En fait, ils sont très similaires, mais les exigences sont plus strictes en matière d'isolation galvanique. Un cas frappant est le découplage du circuit de commande et du bloc d'alimentation à l'aide d'un relais ou d'un optocoupleur, lorsque l'écart entre les côtés découplés est également choisi de 0,8 ou 1,5 mm.

Problème numéro 1 - rupture de l'isolation, défaillance du système de contrôle et d'autres équipements coûteux.

La solution est d'augmenter le seuil de panne électrique. Les valeurs par défaut sont généralement de 1,5 kV, 2,5 kV et 4 kV. Si votre appareil fonctionne avec une tension secteur, mais que la personne n'interagit pas directement avec lui, une tension d'isolement de 1,5 kV sera suffisante. Si une interaction humaine avec l'appareil est supposée, par exemple, via des boutons et d'autres commandes, je recommande d'utiliser une isolation avec une tension de 2,5 kV ou plus.

Un exemple:

1) Mauvais


Vous demandez ce qui est mauvais, car il y a des lacunes sur la planche, elles peuvent également être faites 1,5 mm. Le fait est que même si un écart de 2 mm est réalisé, cela ne sera pas suffisant pour assurer l'isolation. Le point le plus faible doit être la distance entre les bornes de commande du relais (1-2) et les bornes de puissance (3-8). Il convient également de garder à l'esprit que la rupture peut être non seulement entre les conducteurs sur la même couche, mais également sur différents - à travers et à travers la carte à travers la fibre de verre.

2) bon




Ce qui a été fait pour améliorer la situation:

a) Il existe une frontière claire entre les parties basse tension et haute tension. Maintenant, le conducteur + 3,3 V ne passe pas dans la région haute tension + 310 V, la plage GND ne dépasse pas la frontière de la partie basse tension, respectivement, et il n'y aura pas de panne. De plus, il ne devrait rien y avoir du tout dans la zone / limite d'isolation galvanique.

b) La zone isolante est libérée du masque de soudure. Le masque est également un point faible et, selon la qualité, il pénétrera plus tôt que la fibre de verre. Ce n'est pas nécessaire dans le cas général, mais si des personnes interagissent avec l'appareil, je le recommande vivement.

c) Comme je l'ai écrit plus haut, le point faible est la distance entre les bornes de commande et d'alimentation du relais. Partout j'ai pu réaliser une zone isolante de 4 mm, et ici seulement 2,5 mm. Nous avons également nettoyé le masque des conducteurs et la seule chose à travers laquelle une panne de la carte peut se produire est la fibre de verre. Par conséquent, nous le supprimons aussi, j'ai fait une découpe sous le relais de 2,5 mm de large et supprimé le message textolite entre les bornes. Cette opération n'est pas non plus nécessaire, mais augmente considérablement la fiabilité et la sécurité de votre appareil.

Règle n ° 7 - vias

Erreur - très souvent, je vois une image sur une carte de circuit imprimé à 2 couches afin de connecter 2 plots de contact, j'utilise 3..4 ... ou même 5 vias.

Problème n ° 1 - il y a trop de vias (via) sur la carte et cela limite l'espace pour les conducteurs, ce qui entraîne un allongement des circuits, et donc une augmentation de leur résistance. Réduit l'immunité au bruit des circuits et des signaux.

Solution - utilisez le nombre minimum de vias: si vous devez connecter 2 broches sur des couches différentes, n'utilisez pas plus de 1 vias. Si 2 broches sont sur le même calque et que vous ne pouvez pas les connecter directement, utilisez au maximum 2 vias. Si vous avez besoin de plus de transitions pour la connexion, vous faites quelque chose de mal - entraînez la logique et re-reproduisez la partie de la carte qui a conduit au problème.

Un exemple:

1) Mauvais


2) Bon


Le nombre minimum de vias (via) a été utilisé pour la connexion, ce qui donne plus d'espace libre pour les autres conducteurs et fournit des paramètres parasites minimaux du conducteur.

Quelques conseils généraux

• N'utilisez pas d'autorouteurs! Sous une forme "brute" et non réglée, ils donnent un résultat terrible, qui transformera même l'idée la plus brillante en guano. Pour que l'autorouteur fonctionne bien, il doit prescrire certaines règles qui lui diront que les routes n'ont pas besoin de 0,15, mais de 1 mm et ainsi de suite. Pour un résultat adéquat, même sur des cartes simples, vous devez enregistrer une centaine, voire deux, de ces règles elles-mêmes. Dans Altium Designer, une section entière est mise en surbrillance sous eux, par exemple. Si vous êtes un amateur et que vous n'avez pas de tâche pour concevoir votre carte mère pour un ordinateur portable, alors hausser les épaules avec la main - elle sortira plus rapidement et la qualité sera à son meilleur
• Ne soyez pas paresseux pour refaire la planche. , 90%, «» . , ,
• , open source , , hackaday.
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Conclusion

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, — IPC , , « » . , . - , 2018 , , SPI .