Projektowanie płytek obwodów drukowanych - Jak prawidłowo rozmieścić podzespoły? (Część 2)

Sposób rozmieszczenia podzespołów jest ważnym krokiem w minimalizowaniu interferencji napięć, promieniowania, tj. w celu poprawy odporności na zakłócenia. Podstawowa zasada mówi, że bliżej złącza należy umieszczać elementy logiki szybkiej, i analogicznie, elementy logiki wolniejszej – dalej. Bywa, że spełnienie wszystkich wymagań jest niemożliwe. Zawsze należy jednak dążyć do kompromisowego rozwiązania i możliwie konsekwentnie trzymać się przynajmniej jednej zasady.

Do najważniejszych zasad prawidłowego rozmieszczania podzespołów należą:

1. Umieszczanie podzespołów w kolejności od tych o najwyższej do najniższej szerokość pasma.
2. Wzajemna separacja fizyczna określonych bloków funkcjonalnych (analogowych, cyfrowych, wej/wyj., zasilania).
3. Minimalizowanie odległości, aby wyeliminować pętle prądowe.

Podłączenie do masy jest bardzo ważne. Istnieją dwie zasady prowadzenia mas dla wyprowadzeń podzespołów do wspólnego potencjału:

1. Zasada jednopunktowa – A
2. Zasada jednopunktowa równoległa – B
3. Zasada wielopunktowa – C

Uziemienie wielopunktowe jest odpowiednie w przypadku wysokiej częstotliwości, a tym samym zastosowania w układach cyfrowych. Należy stosować płytki wielowarstwowe. Kolejność i grubość poszczególnych warstw płytki PCB określa jej całkowita impedancja (zwykle Z = 50 Ω). Z założenia, przynajmniej w jednej oddzielnej warstwie płytki PCB, powinna istnieć ciągła warstwa przewodząca (GND). Zasada ta wynika z faktu, że każda nóżka podzespołu musi być podłączona do potencjałów masy przez warstwę przewodzącą najkrótszą możliwą drogą. Ta sama rada dotyczy podłączania wtyków zasilania podzespołów. Zastosowanie warstwy przewodzącej dla wspólnego sygnału (GND) oznacza zminimalizowanie problemu pętli prądowych i zmniejszenie pasożytniczej indukcyjności ścieżek.
Filtrowanie zasilania w układach elektronicznych wraz z grupowaniem stanowi najważniejszą zasadę, której należy przestrzegać podczas projektowania obwodów drukowanych. Konieczność zastosowania kondensatorów odsprzęgających wynika z założenia, że każdy zasilacz jest umieszczony z dala od przypisanego odbioru. Przypuśćmy, że impulsowe zużycie energii bramki HCMOS wynosi 15 mA w ciągu 3,5 ns, a opóźnienie sygnału na płytce PCB (także prądu zasilania) przekracza 0,1 ns/cm. Wówczas czas reakcji regulatora na krokową zmianę zużycia energii to ok. 1 µs. W takim przypadku do bramki należy doprowadzić zasilanie z blisko położonego i szybkiego źródła napięcia, którym jest kondensator. Prawidłowe działanie kondensatorów odsprzęgających zależy od ich pojemności, zastępczej rezystancji szeregowej i rozmieszczenia na obwodzie drukowanym.

Ze względu na sposób działania kondensatory odsprzęgające dzielą się na trzy grupy:

1. Filtrujące (Bypassing) – służą jako filtr szerokopasmowy zasilania dla całego obwodu drukowanego lub jego części. Eliminują wpływ indukcyjności wyprowadzeń zasilacza. (C1, C2, C8; C1 i C8 ≈ od 10µF do 1000µF). Zawsze należy w miarę możliwości dobierać kondensator o największej pojemności
2. Miejscowe (Decoupling) – służą jako miejscowe źródła energii dla podzespołów i zmniejszają prądy impulsowe, które w przeciwnym razie rozchodziłyby się po całym układzie drukowanym. Kondensatory te muszą posiadać doskonałe właściwości częstotliwościowe. Należy je umieszczać możliwe blisko wtyku danego podzespołu (C4, C5, C6, C7 ≈ od 100pF do 0,1µF)
3. Blokujące (Bulk) – służą za źródło energii do jednoczesnego zasilania wielu odbiorów o charakterze pojemnościowym. Jednak w pobliżu mikroprocesora: pojemność C3 ≈ 10µF.

Kondensatory odsprzęgające muszą być zawsze umieszczone na drodze pomiędzy źródłem a odbiorem. Wszystkie połączenia należy projektować w sposób minimalizujący powierzchnię pętli prądowych. Należy minimalizować impedancję ścieżek (przede wszystkim indukcyjność pasożytniczą od L1 do L4) przez projektowanie możliwie najkrótszych ścieżek i wykorzystanie powierzchni przewodzących. Indukcyjność pasożytnicza L5 i L6 jest eliminowana automatycznie.

A co z układami cyfrowymi?

Warunki wstępne pozwalające zapewnić odpowiednią jakość projektu obwodu drukowanego do zastosowań cyfrowych obowiązują już na etapie projektowania układu (schematu). Koniecznie należy zminimalizować prądy impulsowe ze względu na szybkie przełączanie bramek logicznych przez układy cyfrowe. Należy dążyć do możliwe najmniejszej liczby jednocześnie przełączanych bramek w układach cyfrowych. Większe znaczenie odgrywa oprogramowanie. Ponadto należy wybrać właściwy sposób realizacji logiki odpowiednio do możliwości wejściowych i wymagań dotyczących prądów impulsowych, wykonać obliczenia dla kondensatorów odsprzęgających (zużycie impulsów, odporność na zakłócenia, obciążenie wyjść) i zabezpieczyć nieużywane wejścia, aby uniknąć nieokreślonych stanów.

Opracowując projekt obwodu drukowanego należy minimalizować powierzchnie pętli prądowych przez odpowiednie zaplanowanie szyn i linii zasilających lub rozmieszczenie ich zacisków, stosowanie podzespołów montowanych powierzchniowo (mniejszych niż podzespoły montowane przelotowo), dobór podzespołów z nóżkami zasilania po przeciwnych stronach – możliwość odsprzęgania przez kondensator montowany powierzchniowo, bezpośrednio w miejscu wyprowadzeń zasilacza danego układu scalonego. W bardzo szybkich układach nie należy używać gniazd wtykowych.

Jakie aspekty należy uwzględnić podczas projektowania płytek PCB, aby uniknąć zakłóceń?

Obwody drukowane należy projektować z zachowaniem zasad kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Kompatybilność elektromagnetyczna urządzeń elektronicznych opiera się na zasadzie, która mówi, że urządzenie elektroniczne nie może zakłócać pracy innych pobliskich urządzeń i być odporne na zakłócenia środowiskowe. Z punktu widzenia kompatybilności elektromagnetycznej odpowiednie zasady należy przyjąć już na etapie projektowania schematów elektrycznych. W dużym uproszczeniu można przyjąć, że urządzenie elektroniczne, które "nie promieniuje" jest także odporne na zakłócenia.

Poniżej podano podstawowe zasady projektowania obwodów drukowanych w kontekście kompatybilności elektromagnetycznej:

1. Minimalizowanie prądów w układów elektronicznych – dobór odpowiednich podzespołów i obwodów względem impedancji wejściowej itp.
2. Minimalizowanie widma częstotliwości - unikanie szybkich podzespołów, które są zbędne (ze zboczem narastającym lub opadającym). Unikanie zbędnych, szybkich podzespołów komunikacyjnych.
3. Filtracja i ochrona zacisków wejściowych/wyjściowych – zabezpieczenie przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD), wykorzystywanie efektu przejścia, ograniczanie promieniowania z wyprowadzeń.
4. Minimalizowanie pętli prądowych i długości ścieżek – minimalizowanie pętli prądowych przez stosowanie zasad prawidłowego rozmieszczenia podzespołów, ścieżek, prowadzenia masy, ścieżek zasilających, prawidłowe stosowanie kondensatorów filtrujących.
5. Ekranowanie – jednoczesne tłumienie promieniowania i poprawa odporności na zakłócenia.

Z punktu widzenia kompatybilności elektromagnetycznej projektowanie obwodów drukowanych jest stosunkowo złożoną operacją. Ogólnie rzecz biorąc, postępując zgodnie z określonymi zaleceniami można mieć pewność, że wszystkie niezbędne kroki zostały podjęte.

Jak testować obwody drukowane? Więcej informacji już w następnym artykule. Wkrótce...
Miej zawsze najnowsze artykuły między pierwszymi. Zapisz się do newslettera.
Zgłosić się