Salam! Selama pembahasan
artikel oleh kawan
KSVl , kebutuhan akan manual kecil tentang desain papan sirkuit tercetak disuarakan. Sangat sering saya melihat artikel dengan gaya "5 aturan untuk desain kode" atau "5 langkah untuk proyek yang sukses", yaitu, koleksi abstrak yang sangat nyaman tentang topik tertentu. Sayangnya, ada beberapa artikel tentang perkembangan elektronik dan ini buruk ...
Saya berjanji kepada pengguna
KSVl dan beberapa pembaca lain sebuah artikel dengan prinsip dasar desain papan sirkuit cetak (PCB), saya juga mengundang semua penggemar untuk minum secangkir kopi untuk membiasakan diri dengan!
Prolog
Semua aturan yang dijelaskan dalam artikel ini adalah yang paling dasar dan difokuskan secara eksklusif pada pengembang pemula sepenuhnya untuk siapa elektronik hanyalah hobi. Saya ingin segera mencatat bahwa artikel ini tidak mengklaim sebagai kebenaran absolut dan semua penjelasan diberikan dalam bentuk bebas.
Tentunya akan ada orang yang mengatakan: "Ya, dan itu berhasil, mengapa mengubah sesuatu?" Dan di sini, sayangnya, saya tidak siap untuk menyia-nyiakan kekuatan saya dan meyakinkan Anda. Beberapa ingin melakukan semuanya dengan baik, efisien dan andal, sementara yang lain tidak diberikan untuk memahami keinginan ini.
Sumber informasi yang menjadi dasar aturan dalam artikel ini:- Fisika umum dan kursus teknik elektro. Semuanya dalam program pertama universitas
- Howard Jones Books Mendesain Perangkat Digital Berkecepatan Tinggi: Kursus Awal dalam Ilmu Hitam dan Transmisi Data Digital Berkecepatan Tinggi: Kursus Utama dalam Ilmu Hitam
- Standar IPC, mis. IPC-2221A. Ada terjemahan dalam bahasa Rusia (versi lama) dan asli dari versi terbaru dalam bahasa Inggris
- Pengalaman sendiri
Peraturan nomor 1 - Lebar konduktor
Kesalahan - sangat sering pengembang pemula menggunakan lebar konduktor (trek), yang merupakan standar dalam sistem CAD yang digunakan. Dalam artikel yang disebutkan sebelumnya, penulis menggunakan EasyEDA dan di sana nilai dasar lebarnya adalah 6 mil, yaitu sekitar 0,15 mm. Lebar konduktor ini digunakan hampir di mana-mana dan ini buruk, karena menyebabkan sejumlah masalah.
Masalah nomor 1 adalah drop tegangan. Kita semua ingat hukum Ohm yang mengikutinya bahwa semakin kecil luas penampang konduktor, semakin besar resistannya. Semakin besar resistansi konduktor, semakin banyak tegangan jatuh di atasnya.
Masalah nomor 2 - pemanasan konduktor. Ini adalah hukum Ohm yang sama, daya yang dilepaskan pada konduktor sebanding dengan resistansi, yaitu, semakin besar resistansi, semakin banyak panas akan dilepaskan pada konduktor. Jalan arus 0,15 mm pada 5-10A mudah menguap.
Masalah nomor 3 - induktansi parasit. Momen ini hampir tidak berhubungan dengan momen dasar, tetapi Anda perlu mengetahuinya. Semakin kecil penampang konduktor, semakin besar induktansinya. Artinya, setiap konduktor sebenarnya bukan hanya "sepotong tembaga", itu adalah komponen komposit resistansi, induktansi dan kapasitansi liar. Jika parameter ini terlalu tinggi, maka mereka mulai mempengaruhi operasi sirkuit secara negatif. Lebih sering muncul pada frekuensi lebih besar dari 10 MHz, misalnya, ketika bekerja dengan SPI.
Masalah No. 4 - kekuatan mekanik rendah. Saya pikir tidak perlu menjelaskan bahwa lebar track 2 mm lebih melekat kuat pada basis textolite daripada track 0,15 mm. Untuk bersenang-senang, ambil papan pabrik yang tidak perlu dan ambil.
Solusi - gunakan lebar maksimum konduktor. Jika konduktor dapat ditarik dengan lebar 0,6 mm, maka ini lebih baik daripada memegangnya dengan lebar 0,15 mm.
Contoh:1) Buruk
2) Bagus
Peraturan nomor 2 - Koneksi ke kesimpulan
Kesimpulannya adalah area kontak dari komponen (pad), vias (via) dan objek lain yang kami sambungkan ke papan menggunakan konduktor (trek).
Kesalahan - ada dua ekstrem. Dalam satu, pengembang membuat kesalahan dari aturan No. 1 dan menghubungkan jalur 0,15 mm ke output dari smd resistor 1206. Dalam kasus lain, sebaliknya, ia menggunakan konduktor yang lebarnya sama dengan lebar pad kontak. Kedua opsi itu buruk.
Masalah nomor 1 - kekuatan mekanik rendah. Dengan beberapa upaya untuk menyolder komponen, pad atau track dengan mudah melepas dasar textolite dari papan sirkuit cetak.
Masalah nomor 2 - masalah teknologi dengan pemasangan papan. Meskipun ini akan menjadi masalah jika Anda mulai memesan tidak hanya papan di Cina, tetapi juga perakitan. Tentu saja mereka akan menjemput Anda, tetapi% pernikahan tumbuh.
Solusi - lebar konduktor yang terhubung ke panel kontak harus sekitar 80% dari lebar panel ini.
Contoh:1) Buruk
2) Bagus
Ukuran kapasitor pad 1206 dalam hal ini adalah
1,6 x 1 mm . Dengan demikian, untuk meringkas sinyal dari bawah, digunakan lintasan yang sama dengan 80% dari lebar platform, yaitu 0,8 mm (80% dari 1 mm). Untuk meringkas sinyal di sebelah kanan, trek setebal 1,2 mm digunakan (sekitar 80% dari 1,6 mm). Lebar platform untuk rangkaian mikro dalam paket SOIC-8 adalah 0,6 mm, jadi Anda perlu memasok sinyal dengan trek sekitar 0,5 mm.
Harus dipahami bahwa opsi ini ideal. Anda mungkin tidak akan menyukai transisi dari 1,2 mm ke 0,5 mm - kerepotan tambahan. Itu bisa dihindari. Untuk melakukan ini, biasanya ambil lebar track relatif terhadap pad minimum (pad), yaitu, dalam hal ini, Anda dapat melakukan seperti ini:
Seperti yang Anda lihat, saya memilih lebar konduktor di area minimum, yaitu, di area output dari rangkaian mikro dalam paket SOIC-8. Penyederhanaan ini dapat diterima, tetapi harus digunakan dengan bijak.
Peraturan No. 3 - Rantai Daya
Sekarang, pertimbangkan kasus di mana penyederhanaan dalam kaitannya dengan aturan No. 2 sama sekali tidak dapat diterima, yaitu, desain sirkuit daya. Aturan ini didasarkan pada dua yang sebelumnya dan merupakan kasus khusus, tetapi mungkin yang paling kritis.
Kesalahan - mengabaikan aturan No. 1 dan No. 2 saat mendesain rangkaian daya.
Masalah nomor 1 - output dari regulator tegangan Anda benar-benar +3,3V. Anda menghidupkan perangkat dan mengamati bahwa sirkuit mikro berperilaku tidak tepat, ADC tidak mengukur secara akurat dan berkala dimatikan. Anda mengukur tegangan pada kaki konsumen (sirkuit mikro) dan Anda menemukan bukannya + 3.3V saja + 2.6V.
Masalah No. 2 - konverter DC-DC Anda tidak mulai, atau memiliki riak besar di output.
Masalah nomor 3 - dalam mencoba menemukan kerusakan, Anda meletakkan probe osiloskop pada garis + 3.3V dan menemukan ada beberapa riak dan kebisingan yang mengerikan, bukannya tegangan konstan.
Solusi - kami mematuhi aturan ketat dan fanatik No. 1 dan No. 2. Jejak selebar mungkin. Daya harus datang ke chip melalui kapasitor keramik, yang, jika mungkin, ditempatkan lebih dekat ke output chip ini.
Contoh:1) Buruk
2) Bagus
Apa yang saya lakukan untuk menjadikannya baik:1) Power
track VCC3V3 sekarang cocok tidak melewati kapasitor, tetapi melewatinya. Yaitu, pertama ke kapasitor, dan kemudian ke output dari rangkaian mikro
2) Saya menggunakan lubang tembus (via) dengan ukuran 1,2 / 0,6 mm. Ya, sesuai dengan persyaratan untuk akurasi kelas 4 (standar), saya dapat menggunakan lubang vias ukuran 0,7 / 0,3 mm, tapi saya tidak melakukan ini dan menerapkan transisi yang lebih besar. Ini memungkinkan untuk mengurangi resistansi dan memungkinkan lebih banyak arus melewatinya.
3) Bus daya yang berasal dari stabilizer sekarang bukan 0,3 mm, tetapi 2 mm! Jangan takut untuk membuat panduan lebar. Pendekatan ini meminimalkan penurunan tegangan dalam rangkaian dan mengurangi induktansi konduktor.
Peraturan No. 4 - Bumi
Anda dapat berbicara tentang dampak kualitas pada Earth Bus Design (GND) selamanya, tetapi percakapan apa pun turun ke titik sederhana:
stabil dan operabilitas perangkat sejauh mungkin tergantung pada desain bumi . Masalah ini sangat banyak dan membutuhkan studi mendalam, jadi saya akan memberikan rekomendasi paling dasar.
Kesalahannya adalah jejak sirkuit GND (ground) dengan konduktor biasa, dan bahkan lebar minimum. Itu hanya k-to-k-k-combo!
Masalah No. 1 adalah ketidakstabilan perangkat dan interferensi yang kuat di sirkuit, terutama di sirkuit daya.
Masalah No 2 -. Pemanasan dan sering kerusakan konduktor tipis, karena ia memiliki arus besar.
Solusinya adalah dengan menggunakan poligon untuk merutekan sirkuit GND, dan idealnya lapisan terpisah yang sepenuhnya dialokasikan untuk rangkaian ini, misalnya, lapisan bawah.
Contoh:1) Buruk
2) bagus
Seperti yang Anda lihat, alih-alih konduktor yang biasa, saya menerapkan poligon padat. Solusi ini memberi saya area penampang yang luas, karena TPA hanyalah konduktor yang sangat besar. Hanya kadang-kadang solusi semacam itu memiliki kelemahan, misalnya, ketika kepadatan pemasangan tinggi dan konduktor lain memecahkan poligon padat, seperti di sini sirkuit
LED1..3 memecah jalur terpendek antara output dari rangkaian mikro dan kapasitor (GND):
Di sini kita akan dibantu oleh lapisan GND terpisah yang disebutkan sebelumnya. Dalam papan dua lapis, idealnya, di bawahnya, pilih lapisan bawah, dan di papan multi-lapisan, salah satu lapisan dalam:
Dengan demikian, kami mengembalikan jalur terpendek untuk arus melalui sirkuit GND, dan dalam hal ini, kami membantu lapisan bawah (warna biru), yang sepenuhnya merupakan poligon tanah. Vias (via) di dekat bantalan memberi mereka koneksi sesingkat mungkin ke lapisan bawah bumi.
Tentu saja, ini adalah kasus yang ideal dan kadang-kadang tidak mungkin untuk menerapkannya tanpa menaikkan harga papan, jadi keputusan ada di tangan Anda. Terkadang keandalan “super” tidak diperlukan, penting untuk menemukan jalan tengah antara nilai dan kualitas untuk tugas Anda.
Peraturan No. 5 - Lebar Celah
Nilai minimum kesenjangan antara konduktor tembaga pada papan sirkuit tercetak, persyaratan teknologi menentukan bagi kami. Untuk kelas 4 (standar), nilainya 0,15 / 0,15 mm atau 6/6 mil. Lebar maksimum hanya dibatasi oleh imajinasi Anda, dimensi papan dan akal sehat.
Kesalahan - jaraknya tidak cukup besar, biasanya meninggalkan nilai standar sekitar 0,15 mm.
Masalah nomor 1 - gangguan listrik. Hubung singkat terjadi ketika 2 konduktor dengan potensial berbeda ditutup, misalnya, dengan benda logam dan arus meningkat tajam. Sayangnya, bahan dielektrik yang ideal tidak ada dan pada titik tertentu bahan apa pun mulai melakukan arus. Contoh dari ini adalah isolator pada kabel listrik, kadang-kadang menusuk mereka. Fenomena ini terjadi ketika
tegangan rusak kritis terlampaui. Untuk alasan yang sama, fiberglass, yang merupakan mayoritas utama papan sirkuit cetak, di beberapa titik mungkin mulai melewati arus.
Solusinya adalah menambah jarak antar konduktor. Tegangan rusak tergantung pada jenis bahan dan pada ketebalan / lebar isolator. Dalam kasus papan sirkuit tercetak - jarak (celah) antara konduktor hanyalah parameter yang mempengaruhi nilai kritis dari tegangan tembus.
Semakin besar jarak antara konduktor, semakin besar tegangan yang diperlukan untuk memutusnya .
Saya juga ingin mengatakan bahwa pemecahan fiberglass tidak selalu merupakan masalah yang paling mendesak. Udara yang mengelilingi papan juga merupakan insulator, tetapi dalam kondisi tertentu itu menjadi konduktor, ingat badai petir. Kerusakan listrik di udara merupakan masalah besar dalam elektronik, terutama ketika Anda menganggap bahwa udara bisa kering, atau memiliki kelembaban 90-100%, misalnya, di daerah tropis atau di Utara.
Contoh:Mari kita sepakat bahwa dalam contoh ini ada 3 konduktor: tegangan jaringan yang diperbaiki + 310V, saluran listrik bertegangan rendah untuk mikrokontroler + 3.3V dan ground bus (GND).
1) Buruk
2) bagus
Mengapa 0,3 mm buruk dan 0,8 mm sudah baik Anda bertanya dan sebagai jawaban saya akan memberi Anda 2 sumber:
1) Fisika biasa dan teknik listrik. Data di dalamnya bervariasi karena metode pengukuran yang berbeda dan hal-hal lain, tetapi angka paling realistis
untuk udara kering adalah
2 kV / mm . Di sini, banyak orang akan takut dengan angka-angka dan berpikir: "Saya tidak memiliki ketegangan seperti itu" dan ini akan menjadi kesalahan. Nilai ini hanya untuk karakteristik udara kering, yang jarang ditemui dalam kondisi nyata. Dan di sini angkanya jauh lebih sederhana, misalnya, pada kelembaban 100%, tegangan tembus udara hanya
250 V / mm ! Dan juga kandungan debu udara dan papan, serta tekanan atmosfer (kurva dan hukum Paschen) mempengaruhi nilai tegangan tembus.
2) standar IPC-2221, tautan yang saya berikan di awal. Kami tertarik pada tabel 6-1, yang terlihat seperti ini:
Seperti yang dapat Anda lihat di tabel untuk sejumlah besar nilai, bahkan untuk kasus khusus kami,
301-500V . Jika kita melihat, kita akan melihat nilai 0,25 mm untuk konduktor tertutup pada lapisan dalam, yaitu, dalam kondisi "ideal" tanpa akses ke debu, kotoran dan kelembaban. Jika perangkat akan bekerja di suatu tempat di pegunungan dan konduktor berada di lapisan luar (semua konduktor dalam kasus papan 2-lapisan) pada ketinggian hingga 3000 meter, maka jarak minimum sudah ada 2,5 mm, yaitu, 10 kali lebih banyak. Jika kami mengoperasikan perangkat pada ketinggian yang lebih tinggi, maka jarak sudah dipersyaratkan 12,5 mm! Perlu berkomentar - celah yang begitu besar diperlukan jika papan kita tidak ditutupi dengan senyawa pelindung, misalnya pernis atau senyawa. Segera setelah lapisan pelindung muncul, kita melihat nilai yang sudah lebih memadai:
0,8 dan
1,5 mm.
Oleh karena itu, dalam contoh "baik", selain memberikan jarak bebas 0,8 mm, juga perlu untuk menutupi papan dengan senyawa pelindung, misalnya, pernis setelah pemasangan perangkat, pencucian dan pengeringannya selesai. Jika tidak, tambah izin!
Peraturan No. 6 - Galvanic clearance
Kesalahan - menyamakan kesenjangan dielektrik dengan galvanik. Bahkan, mereka sangat mirip, tetapi persyaratannya lebih ketat ketika datang ke isolasi galvanik. Kasus mencolok adalah decoupling dari rangkaian kontrol dan unit daya menggunakan relay atau optocoupler, ketika celah antara sisi yang dipisahkan juga dipilih 0,8 atau 1,5 mm.
Masalah nomor 1 - kerusakan isolasi, kegagalan sistem kontrol dan peralatan mahal lainnya.
Solusinya adalah meningkatkan ambang gangguan listrik. Nilai default biasanya 1,5 kV, 2,5 kV dan 4 kV. Jika perangkat Anda bekerja dengan tegangan listrik, tetapi orang tersebut tidak berinteraksi langsung dengannya, maka tegangan isolasi 1,5 kV akan cukup. Jika interaksi manusia dengan perangkat seharusnya, misalnya, melalui tombol dan kontrol lainnya, maka saya sarankan menggunakan isolasi dengan tegangan 2,5 kV atau lebih.
Contoh:1) Buruk
Anda bertanya apa yang buruk, karena ada celah di papan tulis, mereka juga bisa dibuat 1,5 mm. Faktanya adalah bahwa meskipun celah dibuat 2 mm, ini tidak akan cukup untuk memastikan isolasi. Titik terlemah adalah jarak antara terminal kontrol relai (1-2) dan terminal daya (3-8). Juga harus diingat bahwa kerusakan tidak hanya antara konduktor pada lapisan yang sama, tetapi juga pada yang berbeda - melalui dan melalui papan melalui fiberglass.
2) bagus
Apa yang telah dilakukan untuk memperbaiki situasi:a) Ada batas yang jelas antara bagian tegangan rendah dan tegangan tinggi. Sekarang konduktor + 3.3V tidak lulus di wilayah bertegangan tinggi + 310V, kisaran GND tidak melampaui batas dari bagian bertegangan rendah, masing-masing, dan tidak akan ada kerusakan. Juga, seharusnya tidak ada sama sekali di zona isolasi / batas galvanik.
b) Zona isolasi bebas dari topeng patri. Topeng juga merupakan titik lemah dan, tergantung pada kualitas, itu akan menembus lebih awal dari fiberglass. Ini tidak perlu dalam kasus umum, tetapi jika orang berinteraksi dengan perangkat, saya sangat merekomendasikannya.
c) Seperti yang saya tulis di atas, titik lemah adalah jarak antara kontrol dan terminal daya dari relay. Di mana-mana saya bisa membuat zona isolasi 4 mm, dan di sini hanya 2,5 mm. Kami membersihkan topeng, dari konduktor juga, dan satu-satunya hal yang dapat menyebabkan kerusakan pada papan adalah fiberglass. Oleh karena itu, kami menghapusnya juga, saya membuat guntingan di bawah lebar 2,5 mm relay dan menghapus pesan textolite antara terminal. Operasi ini juga tidak perlu, tetapi secara signifikan meningkatkan keandalan dan keamanan perangkat Anda.
Peraturan No. 7 - vias
Kesalahan - sangat sering saya melihat gambar ketika di papan sirkuit cetak 2-lapisan untuk menghubungkan 2 bantalan kontak, saya menggunakan 3..4 ... atau bahkan 5 vias.
Masalah No. 1 - ada terlalu banyak vias (via) di papan tulis dan ini membatasi ruang untuk konduktor, yang mengarah pada pemanjangan sirkuit, dan karenanya meningkatkan resistensi mereka. Mengurangi kekebalan noise dari sirkuit dan sinyal.
Solusi - gunakan jumlah minimum vias: jika Anda harus menghubungkan 2 pin pada lapisan yang berbeda, maka jangan gunakan lebih dari 1 vias. Jika 2 pin berada pada lapisan yang sama dan Anda tidak dapat menghubungkannya secara langsung, maka gunakan maksimal 2 vias. Jika Anda memerlukan lebih banyak transisi untuk koneksi, maka Anda melakukan sesuatu yang salah - latih logika dan kembangkan kembali bagian papan yang menyebabkan masalah.
Contoh:1) Buruk
2) Bagus
Jumlah minimum vias (via) digunakan untuk koneksi, yang memberikan lebih banyak ruang bebas untuk konduktor lain dan memberikan parameter parasit minimum dari konduktor.
Beberapa tips umum
- Jangan gunakan autorouter! Dalam bentuk "mentah", bukan disetel, mereka memberikan hasil yang mengerikan, yang bahkan akan mengubah ide paling cemerlang menjadi guano. Agar autorouter bekerja dengan baik, ia perlu meresepkan aturan tertentu yang akan memberitahunya bahwa jalan tidak perlu 0,15, tetapi 1 mm dan seterusnya. Untuk hasil yang memadai, bahkan pada kartu sederhana, Anda harus mendaftarkan seratus, atau bahkan dua, dari aturan ini sendiri. Di Altium Designer, seluruh bagian disorot di bawah mereka, misalnya. Jika Anda seorang amatir dan Anda tidak memiliki tugas untuk mendesain motherboard Anda untuk laptop, maka angkat papan dengan tangan Anda - papan akan keluar lebih cepat dan kualitasnya akan menjadi yang terbaik.
- Jangan malas untuk membuat ulang papan. , 90%, «» . , ,
- , open source , , hackaday.
- , — .
Kesimpulan
. , . , 4 1- , .
, — IPC , , « » . , . - , 2018 , , SPI .