U dizajnu štampanih pločica (PCB) ruteranje se može posmatrati na tri široka nivoa. Prvi nivo je osnovna povezanost. To je najosnovniji zahtjev u dizajnu PCB-a. Ako mreže nisu povezane, ploča nema osnovnu funkciju. Tada je ploča otpad. Ne govorimo o drugim stvarima.
Drugi nivo je performanse. To je mjera koliko je dobra štampana pločica. Nakon rutiranja moramo razmisliti o tome kako postići najbolje performanse. Moramo izbjegavati različite vrste smetnji. Također moramo održavati signale stabilnim i čistim.
Treći nivo je izgled. Tragovi se mogu povezati i ploča može pokazati dobre električne performanse, ali raspored i dalje može izgledati neuredno. U tom slučaju trebamo učiniti da je ruteiranje uredno. Uredno ruteiranje pomaže pri kasnijem testiranju i popravci. Uredno ruteiranje također pokazuje vještine iskusnog inženjera.
Kako dobro usmjeriti
Metode rutiranja mogu se znatno razlikovati. Da bismo izbjegli probleme poput reflektovanih signala kada ulazne i izlazne staze idu blizu i paralelno, te da bismo izbjegli parazitsko povezivanje kada staze na dva susjedna sloja idu paralelno, moramo razmotriti mnoge faktore. Ako je interferencija dovoljno jaka, ploča možda neće raditi uopće. Ispod su neka preporučena pravila za rutiranje PCB-a. Pravilo “pet-pet” (pravilo izbora sloja)
Ovo pravilo pomaže pri odabiru broja slojeva PCB-a. Kada frekvencija takta dostigne 5 MHz ili vrijeme porasta impulsa bude manje od 5 ns, PCB treba biti višeslojna ploča. Ovo je opće pravilo.
Ponekad ljudi i dalje biraju dvostruku ploču zbog troškova. Ako koristite dvije strane, pokušajte iskoristiti jednu cijelu stranu kao čvrstu zemljanu ravan. To poboljšava performanse.
Miješane digitalne i analogne pravila o uzemljenju
Sada mnoge štampane pločice imaju i digitalne i analogne sklopove. Prilikom rasporeda tragova razmislite o međusobnim smetnjama, posebno o šumu na uzemljenju. Digitalni sklopovi rade na visokim frekvencijama. Analogni sklopovi su često osjetljivi.
Za signale držite visokofrekventne tragove podalje od osjetljivih analognih dijelova. Za uzemljenje cijela tiskanica ima jedan čvor prema vanjskom svijetu. Stoga morate pažljivo tretirati digitalno i analogno uzemljenje unutar ploče.
Unutar ploče digitalna masa i analogna masa često su odvojene i nisu međusobno povezane. Spajaju se samo na mjestu gdje se PCB povezuje s vanjskim svijetom, na primjer putem konektora. Pobrinite se da digitalna masa i analogna masa budu kratko spojene na jednom mjestu. Neki sistemi mogu odlučiti da ne dijele masu na ploči. Slijedite odluku o dizajnu sistema.
Rukovanje vodovima komponenti na velikim bakrenim površinama
Velika bakrena tlačna ili napojna područja često se susreću s brojnim vodovima komponenti. Za rukovanje vodovima komponenti moramo uravnotežiti električne performanse i montažu.
Sa električnog aspekta, pad bi trebao biti potpuno povezan sa bakrom za najbolje performanse. Ali potpuni bakreni padovi stvaraju probleme pri lemljenju. Problemi uključuju:
Za lemljenje je potrebno mnogo toplote iz lemne žaruljice.
Lakše je dobiti hladne ili slabe lemne spojeve.
Da biste uravnotežili električne potrebe i proizvodnju, napravite termičke odvodne podloge. Uobičajeni oblik je podloga u obliku križa. To se naziva termička odvodna podloga ili termička podloga. Ona pomaže pri lemljenju tako što termički izoluje podlogu od velikih bakrenih ravni. Termičke podloge smanjuju rizik od hladnih lemnih spojeva. U višeslojnoj ploči tretirajte viae koje povezuju slojeve napajanja i uzemljenja na isti način.
Pravila mrežnog sistema
Mrežni uzemljivački sistem ili mreža uzemljenja pomaže smanjiti induktansu tragova i osigurava dobar povratni put za RF struje. Ali budite oprezni s gustoćom mreže.
Ako je mreža pregušta, bit će mnogo malih koraka mreže. To generiše mnogo podataka o rasporedu. To zahtijeva više prostora za pohranu i usporava CAD alate. Također, neki putevi mreže su beskorisni jer ih zauzimaju padovi komponenti ili montažne rupe. Ako je mreža prerijetka, usmjeravanje postaje teško i uspješnost usmjeravanja opada.
Dakle, odaberite razumnu gustoću mreže. Standardni razmak međusobnih spojeva komponenti iznosi 0,1 inča (2,54 mm). Stoga je uobičajena osnovna mreža od 0,1 inča ili neki njezin jednostavan podudijel. Primjeri: 0,05 inča, 0,025 inča, 0,02 inča i tako dalje.
Kako provjeriti nakon usmjeravanja
Nakon završetka rutiranja PCB-a, provjerite da li dizajn poštuje pravila i da li zadovoljava ograničenja proizvodnje. Ispod su uobičajene provjere.
Područja koja treba provjeriti uključuju: opće stavke crteža dizajna PCB-a, električne provjere PCB-a, fizičke provjere PCB-a, faktore mehaničkog dizajna, zahtjeve za montažu PCB-a, potrebe za razdvajanjem ploče, mehanička razmatranja, električne aspekte, rute i raspored, širine i debljine tragova, razmak tragova, provjere oblika tragova i popis stavki dizajna.
Praktična kontrolna lista
Provjerite je li udaljenost između via razumna.
Provjerite odgovaraju li širine tragova za napajanje i masu trenutnim potrebama.
Provjerite koriste li ključni signalni tragovi najbolje mjere (kratki put, kontrolirana impedanca, oklopljenje).
Provjerite imaju li analogni i digitalni dijelovi odvojene uzemljive veze ako je potrebno.
Provjerite da li bi dodani bakreni uzorci na ploči mogli izazvati kratki spoj signala.
Provjerite ima li ploča potrebne proizvodne linije ili oznake za fabriku.
Provjerite imaju li rubovi napojne i masne ravnine na višeslojnoj ploči potreban urez.
Studija slučaja rutiranja i ključna pravila
Routing je važan dio dizajna štampanih pločica. Routing često oduzima najviše vremena. Inženjeri bi trebali slijediti osnovna pravila pri routingu, kao što su pravila za zaobljavanje ivica i pravilo 3W.
Pravilo o zemaljskoj petlji
Pravilo najmanje petlje znači da površina obuhvaćena signalom i njegovim povratnim vodom treba biti što manja. Što je manja površina petlje, to ploča manje zrači i manje prima vanjsku buku.
Prilikom dijeljenja zemaljskih ravni razmislite o tome kako se oblik ravni i važne signalne staze usklađuju. Spriječite probleme uzrokovane prorezima u zemaljskoj ravni koji povećavaju površinu petlje.
Na dvoslojnim dizajnima ostavite dovoljno prostora za napajanje. Ostali prostor popunite referentnim bakrenim uzemljenjem. Dodajte potrebne via-puteve za uzemljenje kako biste povezali obje strane ploče. Za ključne signale koristite izolaciju uzemljenja. Za visokofrekventne dizajne koristite višeslojne ploče.
Pravilo o zaštiti i odbrani
Zaštita je još jedan način za smanjenje površine petlje i smanjenje zračenja. Koristite zaštitu za važne signale, kao što su signali takta i sinhronizacije.
Za vrlo kritične ili vrlo visokofrekventne signale možete koristiti bakreni štit ili dizajn nalik koaksu. Okružite trasu na svim stranama masom. Također isplanirajte kako se masa štita povezuje s glavnom ravni mase.
Pravilo kontrole kros-talka
Krosstalk označava interferenciju između različitih mreža na štampanoj pločici. Nastaje uslijed dugog paralelnog ožičenja. Uzrok su distribuirana kapacitivnost i indukativnost između paralelnih tragova.
Glavni načini za borbu protiv unakrsnog govora: • Povećajte razmak između paralelnih tragova. Slijedite pravilo 3W. • Ubacite uzemljene zaštitne tragove između kritičnih paralelnih tragova. • Smanjite udaljenost između sloja za rute i uzemljene ravni.
Podsjetnik na pravilo 3W
Da biste smanjili križni govor, održavajte veliko razmaknjenje tragova. Ako je središnja udaljenost tri puta veća od širine traga, izolirano je otprilike 70% polja. Za 98% izolaciju koristite 10W.
Upravljanje smjerom tragova
Održavajte smjer susjednih slojeva okomitim. Izbjegavajte vođenje tragova u istom smjeru na susjednim slojevima. To smanjuje povezivanje slojeva. Ako struktura ploče nameće paralelno vođenje, posebno u visokobrzinskim dizajnima, koristite uzemljene ravnine između slojeva za rutiranje kako biste ih izolirali. Također koristite uzemljene zaštitne tragove između signalnih tragova.
Pravilo za provjeru visećeg traga
Nemojte ostavljati nijedan kraj mreže da lebdi nepovezan. Lebdeći vodovi mogu djelovati kao antene. Uzrokuju dodatno zračenje i mogu upijati šum. Izbjegavajte to.
Pravilo provjere zatvorene petlje
Spriječite da signal formira petlju između različitih slojeva. Na višeslojnim pločama petlje uzrokuju zračenje. Obratite pažnju na to i prilagodite rute.
Pravilo za kosinu
Izbjegavajte oštre ili izrazito oštre uglove u kutovima traga. Oštri kutovi mogu uzrokovati neželjeno zračenje. Također mogu biti nepovoljni za proizvodnju. Koristite blage zavoje ili kutove od 45 stepeni.
Pravilo o razdvajanju komponenti
Dodajte razdjelne kondenzatore po potrebi. Razdjelni kondenzatori filtriraju šum na napojnim vodovima. Postavite razdjelni kondenzator blizu pin-a za napajanje uređaja nakon filtera za napajanje.
Integritet napojnih i masenih ravni
U područjima s mnogo via, nemojte dopustiti da via presijecaju ploču tako da se ploča razdijeli na manje dijelove. Presijecanja ploče povećavaju površinu petlje i uzrokuju probleme s povratnim putem signala. Kada radite fanout, održavajte razmak između via tako da i dalje možete provući barem jednu stazu između via.
Pravilo preklapanja ravni snage
Izbjegavajte preklapanje različitih napojnih ravni u prostoru. To smanjuje smetnje između napajanja, posebno kada različita napajanja imaju velike razlike u naponu. Ako preklapanje nije moguće izbjeći, razmislite o dodavanju uzemljene ravni između njih.
Ponovljeno pravilo 20H
Zapamtite efekt ivice. Razmak između napojne i uzemljene ploče utječe na zračenje na ivicama. Uvučite napojnu ploču kako biste zadržali polje unutar uzemljene ploče. Uvučenje od 20H ograničava na otprilike 70% polja. Uvučenje od 100H ograničava na otprilike 98% polja.
Detaljnija pravila usmjeravanja i provjere
Kontrola povratnog puta
Uvijek planirajte put povratka signala. Signal mora imati niskoimpedantni povratni vod ispod sebe. Držite putanje povratka zemlje kratkim.
Planiranje fanouta i via-puta
Za guste BGA ili fine-pitch komponente, planirajte fanout rano. Održavajte razmak via tako da ostane prostor za usmjeravanje signala. Za fanout koristite mikrovie ili slijepe via ako je potrebno u naprednim dizajnima.
Kontrola impedanse
Za visokobrzinske single-ended trase ili diferencijalne parove kontrolirajte širinu trase i razmak kako biste postigli ciljanu impedanciju. Koristite PCB stack-up i dielektrik za izračunavanje geometrije trase.
Ručanje diferencijalnog para
Raspoređujte diferencijalne parove jednakih dužina. Održavajte stabilnu razdaljinu. Izbjegavajte stubove. Održavajte glatke zavoje.
Podešavanje dužine i kašnjenje
Za buseve i interfejse kojima je potreban usklađeni tajming, uskladite dužinu ruta. Koristite serpentin trase za podešavanje dužine. Održavajte serpentin obrasce glatkim i niskim.
Temperaturna razlika i toplotni podmetači
Prilikom pričvršćivanja padova na veliku bakarnu ploču koristite termičko rasterećenje. Neka pad bude povezan s masom pomoću radijalnih provodnika. To olakšava lemljenje.
Maska za lemljenje i pasta maska
Provjerite otvore na maski za lemljenje. Poravnajte masku za pastu za SMD dijelove. Provjerite da mali padovi imaju ispravnu površinu za pastu.
Dizajn za testiranje i montažu
Ostavite testne tačke i oznake za sklapanje. Ostavite prostor za sonde. Osigurajte raspored koji omogućava lemljenje i inspekciju.
Konačna kontrolna lista za rutiranje (kratka lista)
• Provjerite je li sve povezano. • Pokrenite DRC i ERC provjere. • Provjerite širinu traga i struju. • Provjerite razmak za krosstalk i napon. • Provjerite dekuplažne i glavne kondenzatore. • Provjerite podjele ravni i povratne puteve. • Provjerite termička olakšanja i oblike padova. • Provjerite montažu i pristup za testiranje.
Uobičajene greške koje treba izbjegavati
• Ostavljanje praznih slotova na referentnoj ravnini ispod kritičnih signala.• Provođenje brzorutnih tragova pored bučnih napojnih tragova.• Korištenje mnogo kuteva od 90 stepeni.• Ne dodavanje dekupliranja u blizini pinova integrisanih kola.• Dopuštanje da viae loše dijele ravnine.• Ne planiranje fanouta za guste čipove.
Završne napomene
Routing je ključni dio dizajna štampane pločice. Dobar routing osigurava ispravne veze, dobre performanse i dobar izgled. Slijedite jednostavna pravila. Držite petlje male. Kontrolirajte kros-talk i povratne putanje. Koristite insete ravni za kontrolu ivica. Koristite dekupiranje za smanjenje šuma napajanja. Koristite termičke reljefe za lemljenje. Koristite razuman raspored rešetke za routing. Pažljivo provjerite pločicu nakon routinga.
Ako slijedite ova osnovna pravila, smanjit ćete EMI, poboljšati kvalitetu signala i olakšati izradu i održavanje ploče. Ruteranje zahtijeva pažnju. Posvetite vrijeme planiranju i rasporedu. Dobar raspored se isplati uštedom vremena pri testiranju i popravku te kvalitetom konačnog proizvoda.
