SamsPcbGuide भाग 1: सर्किट बोर्ड टोपोलॉजी तत्वों का अनिच्छा मूल्यांकन

प्रस्तावना

मुद्रित सर्किट बोर्डों के डिजाइन में उत्पन्न होने वाले प्रश्नों के उत्तर की तलाश में, मैंने एक बड़ी मात्रा में साहित्य - दोनों बड़े मोनोग्राफ और व्यक्तिगत तकनीकी लेखों का अध्ययन किया है। कुछ लेखों के संभावित अपवाद के साथ, यह अंग्रेजी भाषा का साहित्य था। मैंने सोचा, क्यों न एक व्यावहारिक गाइड के रूप में संचित अनुभव को भर दिया जाए जो शुरुआती और दोनों के लिए उपयोगी हो सकता है, मुझे आशा है, अधिक अनुभवी घरेलू डेवलपर्स। शुरू करते हुए, मैंने मूल्यवान जानकारी के प्रसार, और मेरे विचारों के किनारे और समग्र रूप से उद्योग में योगदान के बारे में सोचा। यह प्रकाशन लेखों की एक पूरी श्रृंखला खोलता है, जिसमें व्यावहारिक दृष्टिकोण से, मुद्रित सर्किट बोर्डों के विकास में उत्पन्न होने वाले मुख्य कार्यों पर विचार किया जाएगा, और प्रमुख सिफारिशों को उनके भौतिक आधार और प्रयोज्यता की शर्तों के अनिवार्य संकेत के साथ एक व्यवस्थित तरीके से प्रस्तुत किया जाता है। अंतिम दो कारक बहुत महत्वपूर्ण हैं, अकेले सिफारिश के बाद से, अपने आप में, अच्छे से अधिक नुकसान कर सकता है। बाजार पर इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों के लॉन्च में तेजी लाने के संदर्भ में, चिप निर्माता उपभोक्ताओं को डिबगिंग और मूल्यांकन बोर्डों, प्रलेखन में निर्देशों के रूप में तैयार समाधान देने की कोशिश कर रहे हैं, और संक्षिप्त विवरण (उदाहरण के लिए, टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स से [1] डेवलपर्स के लिए सिफारिशों का एक सेट युक्त मैनुअल भी जारी करते हैं)। ये सिफारिशें नेतृत्व से नेतृत्व तक पहुंचती हैं, अपने मूल सिद्धांतों और प्रयोज्यता की सीमाओं को खो देती हैं और परिणामस्वरूप, LearnEMC वेबसाइट पर लेखों में से एक [2] कहते हैं:

सबसे खराब मुद्रित सर्किट बोर्ड जिन्हें हमने देखा था, इंजीनियरों द्वारा विकसित किए गए थे, जिन्होंने मुद्रित सर्किट बोर्डों की ईएमसी को बढ़ाने के लिए सिफारिशों की सूची के सभी बिंदुओं के अनुपालन को सुनिश्चित करने का प्रयास किया था।

कई सिफारिशें एक दूसरे के विरोधाभासी हैं, और कुछ का उपयोग जारी है, इस तथ्य के बावजूद कि वे पुराने हैं। यही कारण है कि मैं विशेषज्ञ समुदाय से मुद्रित सर्किट बोर्डों के डिजाइन में वास्तविक अनुभव के आधार पर रचनात्मक आलोचना, सकारात्मक और नकारात्मक दोनों पर चर्चा करने का आग्रह करता हूं। एक सामान्य अधिकतम लक्ष्य के साथ - सत्य की तह तक जाने के लिए, मूल व्यावहारिक सिद्धांतों तक।

प्रेरण और विद्युत चुम्बकीय प्रेरण

पहला प्रकाशन गलती से अधिष्ठापन के लिए समर्पित नहीं है। इंडक्शन की भौतिक बुनियादी बातों को समझना महत्वपूर्ण है, क्योंकि EMR और EMC की कई समस्याएं प्रिंटेड सर्किट बोर्ड टोपोलॉजी के इंडक्शन (या बल्कि आवारा इंडक्शन) से संबंधित हैं, जिनकी चर्चा श्रृंखला के बाद के लेखों में की जाएगी। समस्या की जटिलता का अंदाजा तब लगाया जा सकता है जब शब्द "इंडक्शन" से तात्पर्य मात्राओं से होता है, हालांकि संबंधित, जिसमें पूरी तरह से अलग गणितीय और भौतिक अर्थ होते हैं: केस की लीडिंग, कॉइल का इंडक्शन, ESL कैपेसिटर का आवेग इंडक्शन, लूप इंडक्शन आदि।

शास्त्रीय परिभाषा [3] के अनुसार, इस सर्किट के माध्यम से एक पतली बंद चालन सर्किट में प्रत्यक्ष वर्तमान ताकत और चुंबकीय प्रवाह के बीच आनुपातिकता का गुणांक गुणांक है। पहली चीज जिस पर आपको ध्यान देने की आवश्यकता है, वह है बंद लूप के लिए निर्धारित इंडक्शन। परिभाषा पूर्ण चुंबकीय प्रवाह के बारे में भी कहती है, हम इससे निपटेंगे। एक गतिमान विद्युत आवेश एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है, और विद्युत प्रवाह के चारों ओर एक चुंबकीय क्षेत्र व्यक्तिगत आवेशों के चुंबकीय क्षेत्र का एक सुपरपोजिशन (वेक्टर योग) होता है। चुंबकीय क्षेत्रों के दृश्य के लिए, बल रेखाओं का उपयोग किया जाता है। प्रत्येक बिंदु पर बल रेखा की स्पर्शरेखा की दिशा इस बिंदु पर चुंबकीय क्षेत्र वेक्टर की दिशा के साथ मेल खाती है। उदाहरण के लिए, एक लंबी सीधी तार में करंट के लिए, बल की रेखाएँ संकेंद्रित वृत्त होती हैं जिनका तल तार से लंबवत होता है, और दिशा अच्छी तरह से ज्ञात "राइट-हैंड नियम" (छवि 1) द्वारा निर्धारित की जाती है। बल की रेखाओं का उपयोग करते हुए, कोई भी चुंबकीय क्षेत्र की सापेक्ष शक्ति का न्याय कर सकता है - जितना अधिक होगा, बल की रेखाओं का घनत्व उतना अधिक होगा (उनके लिए लंबवत प्रति इकाई क्षेत्र की संख्या)। इसके अलावा, चुंबकीय प्रवाह B चुंबकीय क्षेत्र की सतह अभिन्न अंग है:


जहां सतह S वर्तमान लूप द्वारा निर्धारित की जाती है। इसलिए, चुंबकीय क्षेत्र प्रवाह सतह एस के माध्यम से चुंबकीय क्षेत्र लाइनों की संख्या के लिए आनुपातिक है , और प्रेरण के निर्धारण को व्यावहारिक दृष्टिकोण से अधिक सुविधाजनक रूप में कम किया जा सकता है:

इंडक्शनेंस चुंबकीय क्षेत्र के बल की लाइनों की संख्या के लिए आनुपातिक है जो वर्तमान सर्किट द्वारा परिभाषित सतह को 1 ए के वर्तमान मूल्य पर प्रतिच्छेद करता है।

वर्तमान ताकत में बदलाव से चुंबकीय क्षेत्र की ताकत में आनुपातिक परिवर्तन होता है, जिसे कंडक्टर के चारों ओर बल की लाइनों की संख्या में बदलाव के रूप में सशर्त रूप से दर्शाया जा सकता है। एरिक बोगैटिन [४, ५] द्वारा वर्णित समझदारी के इस दृष्टिकोण की आलोचना की गई थी, जो कि कम लेखक नहीं, क्लेटन पॉल [६,।] थे। वास्तव में, बल की रेखाएं एक अमूर्तता हैं और कोई भी उनकी संख्या (जो स्पष्ट रूप से अनंत है) की गणना करके अधिष्ठापन का निर्धारण नहीं करता है। हालांकि, इस तरह के एक दृश्य प्रतिनिधित्व चुंबकीय क्षेत्र से संबंधित कई कानूनों की समझ को सरल करता है। जबकि सैद्धांतिक भौतिकी एक सार्वभौमिक समीकरण खोजने की कोशिश करती है जो सभी इंटरैक्शन का वर्णन करती है, व्यावहारिक उद्देश्यों के लिए, अनुमानित विश्लेषणात्मक संबंधों की मांग की जाती है, जिसमें कम कम्प्यूटेशनल जटिलता होती है। व्यवहार में, कोई भी अपने अनुभागों के लिए मैक्सवेल के समीकरणों को संकलित करके एक विद्युत सर्किट का विश्लेषण शुरू नहीं करता है। कम्प्यूटेशनल जटिलता के मुद्दे को हटाने वाले सीएडी सिस्टम के उभरने के बावजूद, सरलीकृत संबंधों की आवश्यकता बनी हुई है, क्योंकि वे बुनियादी कानूनों की गुणात्मक समझ प्रदान करते हैं और आपको प्रारंभिक मूल्यांकन इंजीनियरिंग गणना करने की अनुमति देते हैं।

एक महत्वपूर्ण टिप्पणी की जानी चाहिए: प्रेरण वर्तमान की भयावहता से स्वतंत्र है और कंडक्टर में वर्तमान लाइनों के विन्यास से निर्धारित होता है। अक्सर इस तरह के सूत्रीकरण में, कंडक्टर ज्यामिति के परिभाषित मूल्य का उल्लेख किया जाता है, लेकिन इस तरह के सूत्रीकरण में इस बात का ध्यान नहीं रखा जाता है कि कंडक्टर में वर्तमान वितरण हमेशा समान नहीं होता है - यह वर्तमान आवृत्ति (त्वचा प्रभाव) और वर्तमान के साथ अन्य कंडक्टर की निकटता से प्रभावित होता है। विश्लेषणात्मक संबंधों को प्राप्त करने के लिए सबसे सरल मामला कंडक्टर के क्रॉस सेक्शन पर वर्तमान का समान वितरण है, और सभी ज्ञात विश्लेषणात्मक संबंध इस धारणा को ध्यान में रखते हुए प्राप्त किए जाते हैं। व्यवहार में, इन प्रभावों का प्रेरण के मूल्य पर बहुत कम प्रभाव पड़ता है और प्रेरण की गणना के लिए इन सूत्रों का उपयोग व्यावहारिक कार्यों के लिए पर्याप्त सटीकता प्रदान करता है।

इंडक्शन के साथ जुड़ी भौतिक घटना पर विचार करें, जो ईएमसी और ईएमपी के मामलों में अपनी मौलिक भूमिका निर्धारित करता है। यह माइकल फैराडे द्वारा खोजा गया था और इसे विद्युत चुम्बकीय प्रेरण कहा जाता है। उसी नाम के नियम के अनुसार, जब चुंबकीय क्षेत्र फ्लक्स through _B एक बंद सर्किट के माध्यम से बदलता है, तो इसमें एक EMF दिखाई देता है:


बल की रेखाओं के संदर्भ में, इसका मतलब है (इस दृष्टिकोण के सम्मेलनों को याद रखें):

एक बंद सर्किट के माध्यम से बल की लाइनों की संख्या को बदलने से इसमें एक ईएमएफ वोल्टेज का उद्भव होता है।

यह परिवर्तन किसी भी कारण से हो सकता है: कंडक्टर में वर्तमान ताकत में परिवर्तन, आसन्न कंडक्टर में वर्तमान ताकत में परिवर्तन, सर्किट की ज्यामिति में परिवर्तन या चुंबकीय क्षेत्र में इसके अभिविन्यास, एक वैकल्पिक चुंबकीय क्षेत्र में सर्किट का स्थान, वर्तमान के साथ दूरी में एक और सर्किट में परिवर्तन, आदि। एन।

आंशिक प्रेरण - एक आसान उपकरण

फ़ार्मुलों पर आगे बढ़ने से पहले, हम विभिन्न प्रकार के "इंडक्शन" के बीच अंतर करते हैं और शब्दावली निर्दिष्ट करते हैं (चित्र 2)। यदि सर्किट के माध्यम से चुंबकीय प्रवाह की गणना की जाती है, जो केवल सर्किट में ही करंट के कारण होता है, तो वे लूप के अपने इंडक्शन एल (इंग्लिश लूप इंडक्शन, सेल्फ-इंडक्शन) की बात करते हैं। यदि सर्किट के माध्यम से चुंबकीय प्रवाह, केवल किसी अन्य सर्किट में वर्तमान के कारण होता है, तो इसे ध्यान में रखा जाता है, तो यह सर्किट एम (अंग्रेजी लूप म्यूचुअल इंडक्शन, म्यूचुअल इंडक्शन) का पारस्परिक अधिष्ठापन है। व्यावहारिक दृष्टिकोण से, यह सवाल महत्वपूर्ण है कि सर्किट सर्किट के एक विशेष खंड में इंडक्शन ईएमएफ का वोल्टेज क्या है। लेकिन इसके लिए इस खंड के साथ अधिष्ठापन मूल्य को जोड़ना आवश्यक है, और इस अर्थ में सर्किट का अधिष्ठापन अविभाज्य है। इसलिए, एक गणितीय उपकरण एक सर्किट L ^P के एक हिस्से (अंजीर में आंशिक आत्म-अधिष्ठापन) और एक या अलग सर्किट M ^P के दो वर्गों के आंशिक पारस्परिक अधिष्ठापन (अंशत: आंशिक पारस्परिक प्रेरण) की आंशिक आंतरिक अधिष्ठापन की गणना के लिए विकसित किया गया था। उनकी गणना की जाती है ताकि चुंबकीय क्षेत्र को ध्यान में रखा जाए, केवल इस खंड के कारण होता है, जैसे कि बाकी सर्किट मौजूद नहीं है। अन्यथा, इसे निम्नानुसार दर्शाया जा सकता है - शेष सर्किट को असीम रूप से लंबी आपूर्ति तारों से बदल दिया जाता है और जिस सर्किट के माध्यम से चुंबकीय प्रवाह की गणना की जाती है वह अंजीर में निर्धारित होता है। २ ।


सर्किट के व्यक्तिगत अनुभागों के आंशिक उचित और पारस्परिक प्रेरणों के मूल्यों को जानने के बाद, उनमें से किसी भी संयोजन के शामिल होने का मूल्य, पूरे सर्किट सहित, प्राप्त किया जा सकता है:


यहाँ L _i ^P , i-th सेक्शन का आंतरिक इंडक्शन है, M _ij ^P , i-th और j-th सेक्शन का म्यूचुअल इंडक्शन है, जिसका संकेत पॉजिटिव है अगर सेक्शन में करैडिव और नेगेटिव अन्यथा हैं। आपसी अधिष्ठापन में समरूपता का गुण है, अर्थात M _i ^{P P} = M _ji ^P , एक दूसरे के लिए लंबवत वर्गों के लिए, पारस्परिक अधिष्ठापन शून्य है। यदि गणना विचाराधीन घटक खंड की केवल वर्तमान को ध्यान में रखती है, तो यह सूत्र अपनी आंशिक उपपादन देता है, लेकिन यदि पूरे सर्किट के प्रभाव को दूसरी राशि में ध्यान में रखा जाता है, तो प्राप्त मूल्य अनुभाग की कुल अधिष्ठापन (अंग्रेजी उपखंड, शुद्ध अधिष्ठापन) (छवि 3) है।


यह कुल अधिष्ठापन है जो उस क्षेत्र में वोल्टेज में गिरावट को निर्धारित करता है जब सर्किट में वर्तमान I बदल जाता है:


छवि में आयताकार सर्किट L ₁ ^NET के अनुभाग की कुल प्रेरण के लिए सूत्र से। 3 यह देखा जा सकता है कि यह मान छोटा है, इस खंड का परस्पर प्रेरण M ₁₃ ^{P के} साथ बड़ा है ^। यही कारण है कि सिग्नल ट्रैक और संदर्भ परत के सन्निकटन को संदर्भ परत में शोर में कमी के उपाय के रूप में अनुशंसित किया जाता है।

दो वर्गों के समानांतर कनेक्शन के आंशिक अधिष्ठापन की गणना सूत्र द्वारा की जाती है:


जो केवल जब आपसी अधिष्ठापन नगण्य है (काफी दूरदराज के कंडक्टर), प्रेरणों के समानांतर कनेक्शन के लिए एक प्रसिद्ध सूत्र में बदल जाता है। समान कंडक्टर के मामले में (उदाहरण के लिए, दो समान vias), सूत्र फार्म लेता है:


यही है, केवल कंडक्टरों के लिए प्रेरण आधे से कम हो जाता है, जिसके बीच की दूरी उनके पारस्परिक अधिष्ठापन की उपेक्षा करने के लिए पर्याप्त है।

गणना के सूत्र

तालिका 1 में, योजनाबद्ध छवियों में, तीर वर्तमान की दिशा को इंगित करता है, जिसका वितरण क्रॉस सेक्शन में समान है। चूंकि यह वर्तमान वितरण है जो इंडक्शन को निर्धारित करता है, इसलिए तालिका में संकेतित सर्किट बोर्ड संरचना में वर्तमान वितरण को विचार के तहत सहसंबंधित करना महत्वपूर्ण है। सूत्रों की प्रयोज्यता के लिए एक और शर्त, जिसे भुलाया नहीं जाना चाहिए, यह आवश्यकता है कि कंडक्टर l की विशेषता आयाम तरंग दैर्ध्य λ (कम से कम l <λ / 10 ) की तुलना में छोटी हो, क्योंकि कंडक्टर के सभी बिंदुओं पर वर्तमान को समान माना जा सकता है। वैसे, एक ही प्रतिबंध गांठ वाले मापदंडों के साथ इलेक्ट्रिक सर्किट के मॉडल की प्रयोज्यता पर लगाया जाता है।

तालिका 1. सर्किट बोर्ड टोपोलॉजी तत्वों ¹ के अधिष्ठापन के मूल्यांकन के लिए सूत्र।

शीर्षक और योजनाबद्ध	सूत्र

तालिका 1 के लिए नोट्स:
1. सापेक्ष चुंबकीय पारगम्यता के साथ एक माध्यम के लिए μ _r = 1।
2. प्रति यूनिट लंबाई।
3. सूत्र का उपयोग कभी-कभी दो निरंतर परतों के बीच vias के आंतरिक प्रेरण के मूल्यांकन के लिए किया जाता है कि वापसी पूर्वाग्रह वर्तमान में समान रूप से वितरित किया जाता है।
4. सूत्र का उपयोग किसी vias की जोड़ी के आंतरिक प्रेरण का मूल्यांकन करने के लिए किया जा सकता है (उदाहरण के लिए, अवरुद्ध संधारित्र कनेक्शन प्रदान करना)।
5. सूत्र का उपयोग विस के आंतरिक प्रेरण का मूल्यांकन करने के लिए किया जा सकता है।
6. सूत्र का उपयोग समानांतर vias के पारस्परिक अधिष्ठापन के मूल्यांकन के लिए किया जा सकता है।
7. निरंतर प्रवाहकीय परतों के आयाम पर्याप्त बड़े होने चाहिए ताकि वायस के बीच वर्तमान के वितरण को सीमित न किया जा सके।

उदाहरण

सर्किट अनुभागों के आंशिक अधिष्ठापन और दिए गए अनुमानित विश्लेषणात्मक सूत्रों के गणितीय तंत्र का उपयोग करके, मुद्रित सर्किट बोर्ड के टोपोलॉजी के अनुभागों के अधिष्ठापन का मूल्यांकन करना संभव है और आवारा अधिष्ठापन को कम करने के लिए उनके ज्यामितीय मापदंडों में भिन्नता है। और इसके परिणामस्वरूप, सिग्नल विरूपण, शोर और विद्युत चुम्बकीय विकिरण की कमी - ऐसे मुद्दे जिन्हें चक्र के बाद के लेखों में माना जाएगा। मुद्रित सर्किट बोर्ड के टोपोलॉजी के विशिष्ट उपयोग किए गए तत्वों के लिए गणना करना भी उपयोगी है, ताकि बाद में, जब ट्रेसिंग हो, तो आवारा इंडक्शन का अनुमानित मूल्य उनके साथ जुड़ा हुआ है। उदाहरण के लिए, तालिका 2 विभिन्न ज्यामिति मापदंडों (छवि 4) के लिए बिजली सबसिस्टम के संधारित्र कनेक्शन के टोपोलॉजी के तत्वों के आवारा इंडक्शन को दर्शाता है।

साहित्य

[१] कम किए गए ईएमआई के लिए पीसीबी डिजाइन दिशानिर्देश। टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स, 1999।
[२] क्यों आपको EMC डिज़ाइन नियमों का उपयोग करने के बारे में सतर्क रहना चाहिए। LearnEMC, 2017।
[३] भौतिकी का सामान्य पाठ्यक्रम शिवुकिन डी। वी। टी। III। बिजली। एड। 4। एम ।: फ़िज़मैटलिट, 2004।
[४] बोगैटिन ई। इंडक्शन क्या है? मुद्रित सर्किट डिजाइन और निर्माण, 2007।
[५] बोगैटिन ई। सिग्नल और शक्ति अखंडता - सरलीकृत। 2 एन डी एड। पियर्सन, 2004।
[६] पॉल सीआर "इंडक्शन" से हमें क्या मतलब है? भाग I: लूप इंडक्शन। IEEE प्रैक्टिकल पेपर्स, 2007।
[[] पॉल सीआर इंडक्शन: पाश और आंशिक। विली, 2010।

यह लेख पहली बार जर्नल कंपोनेंट्स एंड टेक्नोलॉजीज 2017, नंबर 11 में प्रकाशित हुआ था। पत्रिका के संपादकों के साथ Geektimes पर प्रकाशन पर सहमति हुई है।