V návrhu desek plošných spojů lze směrování chápat ve třech základních rovinách. První úrovní je základní konektivita. Jedná se o nejzákladnější požadavek v návrhu DPS. Pokud se sítě nepropojí, nemá deska žádnou základní funkci. Pak je deska zmetkem. O dalších věcech se nebavíme.
Druhou úrovní je výkonnost. Ta je měřítkem toho, jak kvalitní je deska s plošnými spoji. Po směrování se musíme zamyslet nad tím, jak dosáhnout co nejlepšího výkonu. Musíme se vyhnout různým druhům rušení. Musíme také udržovat signály stabilní a čisté.
Třetí úrovní je vzhled. Stopy se mohou spojovat a deska může vykazovat dobré elektrické parametry, ale její rozložení může přesto vypadat chaoticky. V takovém případě bychom měli zajistit, aby směrování vypadalo úhledně. Úhledné směrování pomáhá pozdějšímu testování a opravám. Úhledné směrování také ukazuje dovednosti staršího inženýra.
Jak dobře směrovat
Metody směrování se mohou velmi lišit. Abychom se vyhnuli problémům, jako jsou odražené signály, když vstupní a výstupní stopy vedou blízko sebe a paralelně, a abychom se vyhnuli parazitní vazbě, když stopy na dvou sousedních vrstvách vedou paralelně, musíme myslet na mnoho faktorů. Pokud je rušení dostatečně silné, deska nemusí vůbec fungovat. Níže uvádíme několik doporučených pravidel pro směrování desek plošných spojů. pravidlo “pěti pětek” (pravidlo volby vrstev)
Toto pravidlo pomáhá zvolit počet vrstev desek plošných spojů. Pokud hodinová frekvence dosahuje 5 MHz nebo doba náběhu pulzu je kratší než 5 ns, měla by být deska plošných spojů vícevrstvá. Jedná se o běžné pravidlo.
Někdy lidé stále volí dvouvrstvou desku kvůli ceně. Pokud použijete dvě vrstvy, snažte se jednu celou stranu použít jako pevnou zemní rovinu. To pomáhá výkonu.
Smíšená digitální a analogová základní pravidla
Mnoho desek plošných spojů má nyní digitální i analogové obvody. Při jejich směrování myslete na vzájemné rušení, zejména na šum na zemi. Digitální obvody pracují na vysoké frekvenci. Analogové obvody jsou často citlivé.
U signálů udržujte vysokofrekvenční stopy daleko od citlivých analogových částí. Pro uzemnění má celá deska plošných spojů jeden uzel do okolního světa. Proto musíte s digitálním a analogovým uzemněním uvnitř desky zacházet opatrně.
Uvnitř desky jsou digitální a analogová zem často odděleny a nejsou vzájemně propojeny. Spojují se pouze v místě, kde se deska plošných spojů připojuje k vnějšímu světu, například ke konektoru. Ujistěte se, že digitální zem a analogová zem mají krátké spojení v jednom bodě. Některé systémy se mohou rozhodnout nesdílet zem na desce. Řiďte se rozhodnutím o návrhu systému.
Manipulace s přívody součástek ve velkých měděných plochách
Velké měděné zemnicí nebo napájecí plochy se často setkávají s mnoha vodiči součástek. Při manipulaci s vývody součástek musíme vyvážit elektrický výkon a montáž.
Z elektrického hlediska by měla být podložka plně spojena s mědí, aby měla co nejlepší výkon. Plně měděné podložky však způsobují problémy při pájení. Mezi problémy patří:
Pájení vyžaduje velké množství tepla z páječky.
Snadněji tak získáte studené nebo slabé pájecí spoje.
Pro vyvážení elektrických potřeb a výroby vyrobte tepelně odlehčovací podložky. Běžnou formou je podložka ve tvaru kříže. Ta se nazývá tepelná odlehčovací nebo tepelná podložka. Pomáhá pájení tím, že tepelně izoluje podložku od velkých měděných rovin. Tepelné podložky snižují možnost vzniku studených pájecích spojů. Stejným způsobem zacházejte s průchodkami připojujícími se k výkonovým a zemnicím vrstvám na vícevrstvé desce.
Pravidla systému mřížky
Mřížkový uzemňovací systém nebo uzemňovací síť pomáhá snížit indukčnost stopy a poskytuje dobrou zpětnou cestu pro VF proudy. Dávejte však pozor na hustotu mřížky.
Pokud je mřížka příliš hustá, vznikne mnoho malých kroků sítě. To generuje velké množství dat o rozvržení. To vyžaduje více úložného prostoru a zpomaluje nástroje CAD. Také některé cesty mřížky jsou zbytečné, protože je zabírají podložky součástek nebo montážní otvory. Pokud je mřížka příliš řídká, je směrování obtížné a úspěšnost směrování klesá.
Zvolte proto přiměřenou hustotu mřížky. Standardní rozteč vodičů součástek je 0,1 palce (2,54 mm). Běžná je tedy základní mřížka o velikosti 0,1 palce nebo její úhledný podnásobek. Příklady: 0,05 palce, 0,025 palce, 0,02 palce atd.
Jak zkontrolovat po směrování
Po dokončení trasování DPS zkontrolujte, zda návrh odpovídá pravidlům a zda splňuje výrobní limity. Níže uvedené kontroly jsou běžné.
Oblasti, které je třeba zkontrolovat, zahrnují: obecné položky výkresu návrhu PCB, elektrické kontroly PCB, fyzické kontroly PCB, mechanické faktory návrhu, požadavky na montáž PCB, potřeby rozdělení desky, mechanické aspekty, elektrické problémy, trasy a umístění tras, šířky a tloušťky stop, rozteče stop, kontroly tvaru stop a seznam položek návrhu.
Praktický kontrolní seznam
Zkontrolujte, zda je vzdálenost mezi průchodkami přiměřená.
Zkontrolujte, zda šířka napájecí a zemnicí stopy vyhovuje současným potřebám.
Zkontrolujte, zda klíčové signálové stopy používají nejlepší opatření (krátká cesta, řízená impedance, stínění).
Zkontrolujte, zda mají analogové a digitální části v případě potřeby oddělené uzemnění.
Zkontrolujte, zda přidané měděné vzory na desce nemohou zkratovat signály.
Zkontrolujte, zda má deska požadované výrobní čáry nebo označení pro továrnu.
Zkontrolujte, zda jsou hrany napájecí a zemnicí roviny na vícevrstvé desce opatřeny požadovanou vložkou.
Případová studie směrování a klíčová pravidla
Trasování je důležitou součástí návrhu desek plošných spojů. Trasování často zabere nejvíce času. Konstruktéři by měli při trasování dodržovat základní pravidla, jako jsou pravidla pro zkosení a pravidlo 3W.
Pravidlo zemní smyčky
Pravidlo nejmenší smyčky znamená, že plocha ohraničená signálem a jeho zpětnou cestou by měla být co nejmenší. Čím menší je plocha smyčky, tím méně bude deska vyzařovat a tím méně bude přijímat vnější šum.
Při rozdělování zemních rovin myslete na to, jak se vyrovná tvar roviny a důležité signálové cesty. Předcházejte problémům způsobeným štěrbinami v zemní rovině, které zvětšují plochu smyčky.
U dvouvrstvých konstrukcí zachovejte dostatečnou plochu pro napájení. Ostatní prostor vyplňte referenční mědí. Přidejte potřebné zemnicí průchodky pro propojení obou stran desky. Pro klíčové signály použijte zemní izolaci. U vysokofrekvenčních návrhů použijte vícevrstvé desky.
Pravidlo stínění a ochrany
Dalším způsobem, jak snížit plochu smyčky a snížit vyzařování, je stínění. Stínění používejte pro důležité signály, jako jsou hodinové a synchronizační signály.
Pro velmi kritické nebo vysokofrekvenční signály můžete použít měděné stínění nebo koaxiální provedení. Obklopte vedenou stopu ze všech stran zemí. Naplánujte také, jak se zem stínění připojí k hlavní zemnicí rovině.
Pravidlo kontroly přeslechů
Přeslechy znamenají rušení mezi různými sítěmi na desce plošných spojů. Vzniká při dlouhém paralelním vedení. Příčinou je rozložená kapacita a indukčnost mezi paralelními trasami.
Hlavní způsoby boje proti přeslechům:- Zvětšení vzdálenosti mezi paralelními stopami. Mezi kritické paralelní stopy vložte uzemněné ochranné stopy.- Zmenšete vzdálenost mezi směrovací vrstvou a zemní rovinou.
Připomenutí pravidla 3W
Chcete-li omezit přeslechy, dodržujte velké rozestupy mezi stopami. Je-li středová vzdálenost trojnásobkem šířky stopy, je izolováno přibližně 70% pole. Pro izolaci 98% použijte 10 W.
Řízení směru stop
Udržujte směr sousedních vrstev kolmý. Vyhněte se vedení stop ve stejném směru v sousedních vrstvách. Tím se sníží vazba mezi vrstvami. Pokud si struktura desky vynucuje paralelní vedení, zejména u vysokorychlostních návrhů, použijte k jejich izolaci zemní roviny mezi vrstvami trasování. Používejte také uzemněné ochranné stopy mezi signálními stopami.
Pravidlo kontroly visící stopy
Nenechávejte žádný konec sítě plovoucí bez připojení. Plovoucí stopy mohou fungovat jako antény. Způsobují dodatečné vyzařování a mohou zachycovat šum. Vyhněte se tomu.
Kontrolní pravidlo uzavřené smyčky
Zabraňuje vytvoření smyčky signálu v různých vrstvách. Ve vícevrstvých deskách způsobují smyčky vyzařování. Dávejte na to pozor a upravte směrování.
Pravidlo zkosení
Vyhněte se ostrým nebo ostrým úhlům v rozích stop. Ostré rohy mohou způsobit nežádoucí vyzařování. Mohou být také nevhodné pro výrobu. Používejte mírné zatáčky nebo úhly 45 stupňů.
Pravidlo pro oddělování složek
Podle potřeby přidejte oddělovací kondenzátory. Oddělení filtruje šum na napájecích vodičích. Oddělovací kondenzátor umístěte v blízkosti napájecího pinu zařízení za napájecí filtr.
Integrita výkonových a zemních rovin
V oblastech s mnoha průchodkami nenechte průchodky protnout rovinu tak, aby se rovina rozdělila na menší části. Rozdělení roviny zvyšuje plochu smyčky a způsobuje problémy se zpětnou cestou signálu. Při větvení dodržujte rozteč průchodek tak, abyste mezi průchodkami mohli vést alespoň jednu stopu.
Pravidlo překrývání výkonové roviny
Zamezte překrývání různých výkonových rovin v prostoru. Tím se sníží rušení mezi zdroji, zejména pokud mají různé zdroje velké rozdíly napětí. Pokud je překrývání nevyhnutelné, zvažte přidání zemnicí vrstvy mezi ně.
Opakování pravidla 20H
Nezapomeňte na efekt hrany. Vzdálenost mezi výkonem a zemní rovinou ovlivňuje vyzařování na hraně. Vložte výkonovou rovinu, aby pole zůstalo uvnitř zemní roviny. Vložka 20H omezuje přibližně 70% pole. Vložka 100H omezuje přibližně 98% pole.
Podrobnější pravidla a kontroly směrování
Řízení zpáteční cesty
Vždy si naplánujte zpětnou cestu signálu. Signál musí mít pod sebou nízkoimpedanční zpětnou cestu. Zpětné cesty k zemi udržujte krátké.
Fanout a prostřednictvím plánování
U hustě osazených součástek BGA nebo součástek s jemnou roztečí naplánujte fanout včas. Dodržujte rozteč průchodek, která ponechává prostor pro vedení signálů. V pokročilých návrzích používejte pro větrání mikropropusty nebo slepé průchodky, je-li to nutné.
Řízení impedance
U vysokorychlostních jednosměrných tras nebo diferenciálních párů kontrolujte šířku a rozteč tras tak, aby odpovídaly cílové impedanci. K výpočtu geometrie stopy použijte skladbu desky plošných spojů a dielektrikum.
Směrování diferenciálního páru
Směrujte diferenciální páry se stejnou délkou. Udržujte stabilní rozestupy. Vyhněte se odbočkám. Udržujte ohyby hladké.
Shoda délky a zpoždění
U sběrnic a rozhraní, které vyžadují přizpůsobené časování, přizpůsobte délku směrování. Pro ladění délky použijte hadovité trasy. Udržujte serpentiny hladké a krátké na výšku.
Tepelné odlehčení a tepelné podložky
Při připojování podložek k velkým měděným dílům použijte tepelné odlehčení. Připojte podložku k rovině pomocí špejlí. To usnadní pájení.
Pájecí maska a pastová maska
Zkontrolujte otvory pájecí masky. Zarovnejte masku pasty u dílů SMD. Ujistěte se, že malé plošky mají správnou plochu pasty.
Návrh pro testování a montáž
Zkušební body a montážní značky ponechte. Ponechte prostor pro sondy. Umístění umožňujte pájení a kontrolu.
Konečný kontrolní seznam trasování (krátký seznam)
- Zkontrolujte, zda jsou zapojeny všechny sítě.- Proveďte kontroly DRC a ERC.- Zkontrolujte šířku stopy a proud.- Zkontrolujte odstupy pro přeslechy a napětí.- Zkontrolujte oddělovací a objemové kondenzátory.- Zkontrolujte rozdělení rovin a zpětné cesty.- Zkontrolujte tepelné odlehčení a tvary podložek.- Zkontrolujte montáž a přístup k testům.
Časté chyby, kterých je třeba se vyvarovat
- Ponechání drážek v zemní rovině pod kritickými signály.- Vedení vysokorychlostních tras vedle hlučných napájecích tras.- Použití mnoha rohů o 90 stupňů.- Nepřidání oddělovacích prvků v blízkosti vývodů integrovaného obvodu.- Špatné rozdělení rovin průchodkami.- Neplánování rozdělení pro husté čipy.
Závěrečné poznámky
Trasování je klíčovou součástí návrhu desek plošných spojů. Dobré směrování zajišťuje správná spojení, dobrý výkon a vzhled. Dodržujte jednoduchá pravidla. Udržujte smyčky malé. Kontrolujte přeslechy a zpětné cesty. Používejte rovinné vložky pro kontrolu hran. Používejte oddělovací prvky pro výkonový šum. Pro pájení používejte tepelné odlehčení. Pro směrování používejte přiměřenou mřížku. Po směrování desku pečlivě zkontrolujte.
Pokud dodržíte tato základní pravidla, snížíte elektromagnetické rušení, zlepšíte kvalitu signálu a usnadníte si stavbu a údržbu desky. Směrování je třeba věnovat pozornost. Věnujte čas plánování a rozvržení. Dobré rozvržení se vyplatí v ušetřeném čase při testování a opravách a v kvalitě výsledného produktu.
