7 regras para projetar placas de circuito impresso

Saudações! Durante a discussão do artigo do camarada KSVl , foi manifestada a necessidade de um pequeno manual sobre o design de placas de circuito impresso. Muitas vezes, vejo artigos no estilo de "5 regras para o design do código" ou "5 etapas para um projeto bem-sucedido", ou seja, coleções muito convenientes de resumos sobre um tópico específico. Infelizmente, existem poucos artigos sobre o desenvolvimento de eletrônicos e isso é ruim ...

Prometi ao usuário do KSVl e a outros leitores um artigo com os princípios básicos do design de placas de circuito impresso (PCBs). Convido também todos os fãs a beberem uma xícara de café para se familiarizarem!

Prólogo

Todas as regras descritas no artigo são as mais básicas e focam-se exclusivamente em desenvolvedores completamente iniciantes, para quem a eletrônica é apenas um hobby. Quero observar imediatamente que este artigo não afirma ser verdade absoluta e que todas as explicações são dadas de forma livre.

Certamente haverá pessoas que dizem: "Sim, e assim funciona, por que mudar alguma coisa?" E aqui, infelizmente, não estou pronto para desperdiçar minhas forças e convencê-lo. Alguns querem fazer tudo bem, de forma eficiente e confiável, enquanto outros não precisam entender esse desejo.

Fontes de informação nas quais as regras descritas no artigo se baseiam:

1. Curso geral de física e engenharia elétrica. Tudo dentro do 1º curso da universidade
2. Howard Jones Books Projetando Dispositivos Digitais de Alta Velocidade: Um Curso Inicial de Magia Negra e Transmissão de Dados Digitais de Alta Velocidade: O Curso Definitivo de Magia Negra
3. Padrões IPC, por exemplo, IPC-2221A. Há uma tradução em russo (versão antiga) e o original das últimas versões em inglês
4. Experiência própria

Regra número 1 - A largura do condutor

Erro - muitas vezes desenvolvedores iniciantes usam a largura dos condutores (trilhas), que é o padrão no sistema CAD usado. No artigo mencionado anteriormente, o autor utilizou o EasyEDA e o valor básico da largura é de 6 mils, ou seja, cerca de 0,15 mm. Essa largura de condutores é usada em quase todos os lugares e isso é ruim, porque leva a vários problemas.

O problema número 1 é a queda de tensão. Todos nos lembramos da lei de Ohm, da qual se conclui que, quanto menor a área da seção transversal do condutor, maior sua resistência. Quanto maior a resistência do condutor, mais tensão cairá sobre ele.

Problema número 2 - aquecimento do condutor. Aqui está a mesma lei de Ohm, a potência liberada no condutor é proporcional à sua resistência, ou seja, quanto maior a resistência, mais calor será liberado no condutor. A estrada de corrente de 0,15 mm em 5-10A evapora-se facilmente.

Problema número 3 - indutância parasitária. Esse momento dificilmente está relacionado aos básicos, mas você precisa saber sobre isso. Quanto menor a seção transversal do condutor, maior a sua indutância. Ou seja, qualquer condutor na verdade não é apenas um "pedaço de cobre", é um componente composto de resistência, indutância e capacitância dispersa. Se esses parâmetros forem muito altos, eles começarão a afetar negativamente a operação do circuito. Mais frequentemente, eles aparecem em frequências maiores que 10 MHz, por exemplo, ao trabalhar com SPI.

Problema nº 4 - baixa resistência mecânica. Penso que não há necessidade de explicar que uma faixa com 2 mm de largura está mais firmemente fixada a uma base textolite do que uma faixa de 0,15 mm. Por diversão, pegue a placa desnecessária de fábrica e escolha-a.

Solução - use a largura máxima possível dos condutores. Se o condutor puder ser desenhado com uma largura de 0,6 mm, é melhor do que segurá-lo com uma largura de 0,15 mm.

Um exemplo:

1) Ruim


2) Bom

Regra número 2 - Conexão com conclusões

As conclusões significam a área de contato do componente (pad), vias (via) e outros objetos que conectamos à placa usando condutores (trilhas).

Erro - existem dois extremos. Em um, o desenvolvedor comete um erro da regra n ° 1 e conecta a faixa de 0,15 mm à saída do resistor smd 1206. No outro caso, pelo contrário, usa um condutor cuja largura é igual à largura do bloco de contato. Ambas as opções são ruins.

Problema número 1 - baixa resistência mecânica. Com várias tentativas de soldar o componente, o bloco ou faixa simplesmente descasca a base textolite da placa de circuito impresso.

Problema número 2 - problemas tecnológicos com a instalação da placa. Embora isso se torne um problema se você começar a pedir não apenas placas na China, mas também montagem. É claro que eles vão buscá-lo, mas a% do casamento cresce.

Solução - a largura do condutor conectado à almofada de contato deve ser aproximadamente 80% da largura dessa almofada.

Um exemplo:

1) Ruim


2) Bom


O tamanho da almofada do capacitor 1206 neste caso é de 1,6 x 1 mm . Por conseguinte, para resumir o sinal de baixo, é usada uma faixa igual a 80% da largura da plataforma, ou seja, 0,8 mm (80% de 1 mm). Para resumir o sinal à direita, é usada uma faixa com 1,2 mm de espessura (aproximadamente 80% de 1,6 mm). A largura da plataforma para o microcircuito no pacote SOIC-8 é de 0,6 mm, portanto, você precisa fornecer um sinal com uma faixa de cerca de 0,5 mm.

Deve-se entender que essa opção é ideal. Você provavelmente não gostará da transição de 1,2 mm para 0,5 mm - um barulho extra. Isso pode ser evitado. Para fazer isso, geralmente use a largura da pista em relação ao pad mínimo (pad), ou seja, nesse caso, você pode fazer o seguinte:



Como você pode ver, escolhi a largura do condutor na área mínima, ou seja, na área de saída do microcircuito no pacote SOIC-8. Essa simplificação é aceitável, mas deve ser usada com sabedoria.

Regra No. 3 - Cadeias de Poder

Agora, considere o caso em que a simplificação em relação à regra nº 2 é simplesmente inaceitável, a saber, o design de circuitos de potência. Essa regra é baseada nas duas anteriores e é um caso especial, mas talvez o mais crítico.

Erro - negligência das regras nº 1 e nº 2 ao projetar circuitos de potência.

Problema número 1 - a saída do seu regulador de tensão é estritamente + 3,3V. Você liga o dispositivo e observa que o microcircuito se comporta de maneira inadequada, o ADC não mede com precisão e é desligado periodicamente. Você mede a tensão nas pernas do consumidor (microcircuito) e encontra em vez de + 3,3V apenas + 2,6V.

Problema nº 2 - o conversor DC-DC não inicia ou apresenta grandes ondulações na saída.

Problema número 3 - ao tentar encontrar um mau funcionamento, você coloca a sonda do osciloscópio na linha + 3.3V e encontra algumas ondulações e ruídos terríveis em vez de uma tensão constante.

Solução - observamos as regras especialmente estritas e fanáticas nº 1 e nº 2. As faixas são as mais largas possíveis. A energia deve chegar ao chip através de um capacitor de cerâmica, que, se possível, é colocado mais próximo da saída desse chip.

Um exemplo:

1) Ruim


2) Bom


O que eu fiz para torná-lo bom:

1) O trilho de força VCC3V3 agora é adequado, não contornando o capacitor, mas através dele. Ou seja, primeiro ao capacitor e depois à saída do microcircuito

2) Usei um orifício passante (via) com um tamanho de 1,2 / 0,6 mm. Sim, de acordo com os requisitos para a classe de precisão 4 (padrão), posso usar um orifício de vias de tamanho 0,7 / 0,3 mm, mas não fiz isso e apliquei uma transição maior. Isso tornou possível reduzir sua resistência e permitir a passagem de mais corrente.

3) O barramento de força que vem do estabilizador agora não é de 0,3 mm, mas de 2 mm! Não tenha medo de fazer guias largos. Essa abordagem minimiza a queda de tensão no circuito e reduz a indutância do condutor.

Regra No. 4 - Terra

Você pode falar sobre o impacto da qualidade no Earth Bus Design (GND) para sempre, mas qualquer conversa se resume a um ponto simples: a estabilidade e a operacionalidade de um dispositivo na maior parte das vezes dependem do design da terra . Este problema é muito volumoso e requer um estudo profundo, por isso darei as recomendações mais básicas.

O erro é o traçado do circuito GND (terra) com um condutor comum e até a largura mínima. É apenas um k-to-k-k-combo!

O problema nº 1 é a instabilidade do dispositivo e forte interferência nos circuitos, especialmente nos circuitos de potência.

Problema nº 2 - aquecimento e freqüentemente a quebra de um condutor fino, porque tem uma grande corrente.

A solução é usar o polígono para rotear o circuito GND e, idealmente, uma camada separada totalmente alocada para esse circuito, por exemplo, a camada inferior.

Um exemplo:

1) Ruim


2) bom


Como você pode ver, em vez do condutor usual, apliquei um preenchimento de polígono sólido. Essa solução me proporcionou uma enorme área transversal, porque o aterro é apenas um condutor muito grande. Às vezes, essa solução tem uma desvantagem, por exemplo, quando a densidade de montagem é alta e outros condutores quebram um polígono sólido, como aqui o circuito LED1..3 quebra o caminho mais curto entre a saída do microcircuito e o capacitor (GND):



Aqui seremos ajudados pela camada GND separada mencionada anteriormente. Em uma placa de duas camadas, idealmente, abaixo dela, selecione a camada inferior e, em uma placa de várias camadas, uma das camadas internas:



Assim, restauramos o caminho mais curto para a corrente através do circuito GND e, nesse caso, ajudamos a camada inferior (cor azul), que é completamente um polígono de terra. Vias (via) perto das pastilhas proporcionavam a menor conexão possível à camada inferior da terra.

Obviamente, esse é um caso ideal e, às vezes, não será possível implementá-lo sem aumentar o preço do conselho, portanto a decisão é sua. Às vezes, não é necessário "super" confiabilidade, é importante encontrar um meio termo entre valor e qualidade para sua tarefa.

Regra nº 5 - Largura da lacuna

O valor mínimo da lacuna entre os condutores de cobre na placa de circuito impresso, os requisitos tecnológicos ditam para nós. Para a quarta classe (padrão), o valor é 0,15 / 0,15 mm ou 6/6 mils. A largura máxima é limitada apenas pela sua imaginação, dimensões da placa e bom senso.

Erro - a folga não é grande o suficiente, geralmente deixe o valor padrão de cerca de 0,15 mm.

Problema número 1 - falha elétrica. Um curto-circuito ocorre quando dois condutores com potenciais diferentes são fechados, por exemplo, com um objeto de metal e a corrente aumenta acentuadamente. Infelizmente, não existem materiais dielétricos ideais e, em algum momento, qualquer material começa a conduzir corrente. Um exemplo disso são os isoladores nas linhas de energia, às vezes perfurando-os. Este fenômeno ocorre quando a tensão de ruptura crítica é excedida. Pelo mesmo motivo, a fibra de vidro, que é a maioria das placas de circuito impresso, em algum momento pode começar a passar corrente.

A solução é aumentar a distância entre os condutores. A tensão de ruptura depende do tipo de material e da espessura / largura do isolador. No caso de placas de circuito impresso - a distância (espaço) entre os condutores é exatamente aquele parâmetro que afeta o valor crítico da tensão de ruptura. Quanto maior a distância entre os condutores, maior a tensão necessária para quebrá-lo .

Também quero dizer que a quebra da fibra de vidro nem sempre é o problema mais urgente. O ar que circunda a placa também é um isolador, mas sob certas condições, ele se torna um condutor, lembre-se de uma tempestade. A avaria elétrica no ar é um grande problema na eletrônica, especialmente quando você considera que o ar pode estar seco ou pode ter uma umidade de 90 a 100%, por exemplo, nos trópicos ou no norte.

Um exemplo:

Vamos concordar que neste exemplo existem 3 condutores: uma tensão de rede retificada + 310V, uma linha de baixa tensão para o microcontrolador + 3,3V e um barramento de terra (GND).

1) Ruim


2) bom


Por que 0,3 mm é ruim e 0,8 mm já está bem, você pergunta e, como resposta, eu vou lhe dar duas fontes:

1) Física comum e engenharia elétrica. Os dados neles variam devido a diferentes métodos de medição e outras coisas, mas o valor mais realista para o ar seco é 2 kV / mm . Aqui, muitos terão medo dos números e pensam: "Eu não tenho essas tensões" e isso será um erro. Este valor é característico apenas para o ar seco, que raramente é encontrado em condições reais. E aqui os números são muito mais modestos, por exemplo, a uma umidade de 100%, a tensão de ruptura do ar é de apenas 250 V / mm ! E também o conteúdo de poeira do ar e da placa, bem como a pressão atmosférica (curva de Paschen e lei) afeta o valor da tensão de ruptura.

2) IPC-2221 padrão, o link que eu dei no início. Estamos interessados ​​na tabela 6-1, que se parece com isso:



Como você pode ver na tabela para um grande número de valores, mesmo para o nosso caso específico, 301-500V . Se olharmos, veremos o valor de 0,25 mm para condutores fechados nas camadas internas, ou seja, em condições "ideais" sem acesso a poeira, sujeira e umidade. Se o dispositivo funcionar em algum lugar nas montanhas e o condutor estiver nas camadas externas (todos os condutores no caso de uma placa de duas camadas) a uma altitude de até 3000 metros, a folga mínima já será de 2,5 mm, ou seja, 10 vezes mais. Se operar o dispositivo a uma altura mais alta, a folga já é necessária em 12,5 mm! Vale a pena fazer um comentário - uma lacuna tão grande é necessária se o nosso painel não estiver coberto de compostos de proteção, por exemplo, verniz ou composto. Assim que o revestimento protetor aparece, já vemos valores mais adequados: 0,8 e 1,5 mm.

Portanto, em um exemplo “bom”, além de fornecer uma folga de 0,8 mm, também é necessário cobrir a placa com um composto de proteção, por exemplo, verniz após a instalação do dispositivo, sua lavagem e secagem. Caso contrário, aumente a folga!

Regra nº 6 - Liberação galvânica

Erro - equiparando o intervalo dielétrico a galvânico. Na verdade, eles são muito semelhantes, mas os requisitos são mais rigorosos no que diz respeito ao isolamento galvânico. Um caso marcante é o desacoplamento do circuito de controle e da unidade de potência usando um relé ou acoplador óptico, quando o espaço entre os lados desacoplados também é escolhido 0,8 ou 1,5 mm.

Problema número 1 - quebra de isolamento, falha do sistema de controle e outros equipamentos caros.

A solução é aumentar o limiar de falha elétrica. Os valores padrão são geralmente 1,5 kV, 2,5 kV e 4 kV. Se o seu dispositivo funcionar com tensão de rede, mas a pessoa não interagir diretamente com ele, uma tensão de isolamento de 1,5 kV será suficiente. Se a interação humana com o dispositivo é suposta, por exemplo, através de botões e outros controles, recomendo o uso de isolamento com tensão de 2,5 kV ou mais.

Um exemplo:

1) Ruim


Você pergunta o quão ruim, porque existem lacunas no quadro, elas também podem ser feitas de 1,5 mm. O fato é que, mesmo que seja feito um espaço de 2 mm, isso não será suficiente para garantir o isolamento. O ponto mais fraco deve ser a distância entre os terminais de controle do relé (1-2) e os terminais de potência (3-8). Também deve-se ter em mente que a quebra pode ocorrer não apenas entre os condutores na mesma camada, mas também em diferentes - através e através da placa através de fibra de vidro.

2) bom




O que foi feito para melhorar a situação:

a) Existe um limite claro entre as partes de baixa e alta tensão. Agora, o condutor + 3.3V não passa na região de alta tensão + 310V, a faixa GND não ultrapassa a borda da parte de baixa tensão, respectivamente, e não haverá avarias. Além disso, não deve haver nada na zona / limite de isolamento galvânico.

b) A zona de isolamento é liberada da máscara de solda. A máscara também é um ponto fraco e, dependendo da qualidade, penetrará mais cedo que a fibra de vidro. Isso não é necessário no caso geral, mas se as pessoas interagirem com o dispositivo, eu o recomendo.

c) Como escrevi acima, o ponto fraco é a distância entre os terminais de controle e de potência do relé. Em todos os lugares eu era capaz de fazer uma zona isolante de 4 mm, e aqui apenas 2,5 mm. Também limpamos a máscara dos condutores, e a única coisa através da qual uma falha no painel pode ocorrer é a fibra de vidro. Portanto, também removemos, fiz um recorte sob o relé de 2,5 mm de largura e removi a mensagem textolite entre os terminais. Esta operação também não é necessária, mas aumenta significativamente a confiabilidade e a segurança do seu dispositivo.

Regra nº 7 - vias

Erro - muitas vezes vejo uma foto quando em uma placa de circuito impresso de duas camadas, para conectar duas pastilhas de contato, uso 3..4 ... ou até 5 vias.

Problema nº 1 - há muitas vias (via) na placa e isso limita o espaço para os condutores, o que leva ao alongamento dos circuitos e, portanto, ao aumento de sua resistência. Reduz a imunidade ao ruído de circuitos e sinais.

Solução - use o número mínimo de vias: se você precisar conectar 2 pinos em camadas diferentes, não use mais de 1 vias. Se 2 pinos estiverem na mesma camada e você não puder conectá-los diretamente, use no máximo 2 vias. Se você precisar de mais transições para a conexão, estará fazendo algo errado - treine a lógica e recrie a parte do quadro que levou ao problema.

Um exemplo:

1) Ruim


2) Bom


O número mínimo de vias (via) foi utilizado para a conexão, o que fornece mais espaço livre para outros condutores e fornece parâmetros parasitários mínimos do condutor.

Algumas dicas gerais

• Não use autorouters! De uma forma "bruta", não sintonizada, eles dão um resultado terrível, que transformará até a idéia mais brilhante em um guano. Para que o autorouter funcione bem, ele precisa prescrever certas regras que lhe dirão que as estradas não precisam de 0,15, mas de 1 mm e assim por diante. Para obter um resultado adequado, mesmo em cartões simples, é necessário registrar cem ou mesmo duas dessas regras. No Altium Designer, uma seção inteira é destacada embaixo deles, por exemplo. Se você é amador e não tem a tarefa de projetar sua placa-mãe para laptop, encolha a placa com as mãos - ela sairá mais rápida e a qualidade estará no topo
• Não tenha preguiça de refazer o quadro. , 90%, «» . , ,
• , open source , , hackaday.
• , — .

Conclusão

. , . , 4 1- , .

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