Proiectare PCB-uri (Partea #2) - Cum se poate da un aspect corect componentelor?

Dispunerea componentelor este un pas important, care are drept scop minimizarea tensiunilor de interferență, a radiațiilor și a imunitatǎții generale. Principiul de bază este de a plasa logica ȋnaltǎ mai aproape de conector iar logica mai lentă departe de conector. Uneori nu este posibilă îndeplinirea tuturor recomandărilor dar întotdeauna se caută un compromis care sǎ îndeplinească cel puțin o regulă, respectiv, cât mai multe posibil, dacă este posibil.

Principiile de bază ale amplasǎrii componentelor țin cont ȋn primul rând:

1. Plasarea componentelor de la lățimi de bandă mai mari la lățimi de bandă mai mici.
2. Separarea fizică reciprocă a blocurilor funcționale particulare (analogice,digitale, I / O, linie de alimentare).
3. Minimizarea distanțelor cu scopul eliminǎrii buclelor de curent.

Împământarea este foarte importantă. Există două tipuri de componente a cǎror ȋmpǎmântare duce la un potențial comun (GND):

1. Un singur punct – A
2. Un singur punct paralel – B
3. Multi-punct – C

Împământarea multipunct este potrivitǎ pentru aplicații de înaltă frecvență așa cum sunt aplicațiile digitale.. Se presupune cǎ este utilizatǎ o placă multistrat. Ordinea și grosimea straturilor PCB este determinată de impedanța generală PCB (de obicei, Z = 50 Ω). Se presupune existența unui strat conductiv continuu – GND, cel puțin într-un strat separat de PCB. Principiul se bazeazǎ pe faptul că fiecare pin al unei componente, care trebuie să fie conectat la un potențial GND, este conectat la un strat conductor în cel mai scurt mod posibil. Aceeași recomandare ar trebui să fie la conectarea pinilor de alimentare ale componentelor. Utilizarea unui strat conductor pentru un semnal comun (GND) duce la minimizarea buclelor de curent și la scăderea inductanței parazitare a pieselor.
Filtrarea alimentării cu energie în circuitele electronice împreună cu ȋmpǎmântarea lor reprezintǎ una dintre cele mai importante reguli, care trebuie luatǎ în considerare la proiectarea PCB-urilor. Necesitatea decuplǎrii condensatorilor rezultǎ din ipoteza că "fiecare sursă de alimentare este departe de a fi o sarcină". Să presupunem că la o poartǎ HCMOS consumul de energie instantaneu este de 15 mA timp de 3,5 ns, întârzierea semnalului pe PCB (și, de asemenea, curentul de alimentare) este mai mare de 0,1 ns/cm, iar timpul de reacție al unui regulator pe o schimbare radicală a consumului de energie este de aproximativ ~ 1µs. Apoi, este necesar de a furniza alimentarea la o poartǎ de la o sursă de tensiune foarte apropiatǎ și rapidǎ, ceea ce este un condensator. Funcționarea corectă a condensatorilor de decuplare depinde de capacitatea lor, ESR și poziția lor pe PCB.

Ȋn funcție de funcționalitate, diferențiem trei tipuri de condensatori:

1. Filtrare (Bypassing) – servește ca un filtru de bandă largă pentru alimentarea cu energie a unui întreg PCB sau a unei pǎrți a lui. Elimină influențele inductanței circuitelor sursei de alimentare. (C1, C2, C8; C1 a C8 ≈ 10µF - 1000µF). Dacă este posibil, alegeți întotdeauna cea mai mare capacitate posibilǎ.
2. Local (Decoupling) – servesc drept surse de energie locale pentru componente și reduc, de asemenea, impulsurile de curent care ar trece printr-un întreg PCB. Aceste condensatoare trebuie să aibă proprietăți de înaltă frecvență excelente. Este necesar sǎ fie montate cât mai aproape de pinii componentelor (C4, C5, C6, C7 ≈ 100pF la 0,1µF)
3. Grup (Bulk) – servesc ca sursă de energie pentru o încărcare simultană a mai multor sarcini capacitive. Aproape de un microprocesor este C3 ≈ 10µF.

Condensatorul de decuplare trebuie să fie întotdeauna plasat pe calea dintre sursă și sarcină. Toate conexiunile trebuie să fie proiectate astfel încât să reducă la minimum suprafața buclelor de curent. Impedanțele traseelor trebuie minimizate (toate inductanțele parazite de la L1 la L4) prin cele mai scurte trasee posibile și prin utilizarea suprafețelor conductoare. Inductanțele parazite L5 și L6 sunt eliminate automat.

Ce se ȋntâmplǎ ȋn cazul circuitelor digitale?

Cerințele preliminare pentru o proiectare de calitate a PCB-ului pentru aplicații digitale încep deja de la proiectarea circuitului (proiectare schemǎ). Este necesară minimizarea curenților de impuls, deoarece există porți rapide de comutare prin circuitele digitale. Încercați sǎ comutați simultan cât mai puține porți de circuite digitale. Este mai mult o cerințǎ software. Alegeți o logică adecvată pentru capacitățile de intrare și cerințele impulsurilor de curent, calculați condensatoarele de decuplare (consum de impuls, imunitate zgomot, ieșiri sarcină), tratați intrările neutilizate (evitați stǎrile nedefinite).

La pregătirea proiectǎrii unui PCB ar trebui să minimizați suprafețele buclelor de curent prin alegerea adecvatǎ a magistralelor și a liniei de alimentare și amplasarea terminalelor pe ele, prin utilizarea componentelor SMT (mai mici decât componentele TH) și selectarea componentelor cu pinii de alimentare pe laturile opuse, precum și posibilitatea de decuplare prin condensator SMT direct într-un loc de alimentare cu energie al unui anumit circuit integrat. Nu utilizați socluri la circuitele foarte rapide.

Ce ar trebui să fie luat în considerare la proiectarea unui PCB pentru a evita interferențele?

PCB-urile trebuie să fie proiectate astfel ȋncât sǎ menținǎ principiul compatibilității electromagnetice (EMC). Compatibilitatea electromagnetică a dispozitivului electric se bazează pe faptul că un dispozitiv electronic nu trebuie sǎ interfereze ȋn funcționarea sa cu alte dispozitive înconjurǎtoare și că dispozitivul trebuie să fie imun la interferențele din mediul ȋnconjurǎtor. Proiectarea PCB-urilor din punct de vedere al compatibilitǎții electromagnetice este o activitate care ȋncepe deja la proiectarea schemei electrice. Se poate spune că un dispozitiv electronic care "nu radiazǎ" este, de asemenea, imun la interferențe.

Principalele reguli de bază, din punct de vedere EMC, la proiectarea unui PCB sunt:

1. Minimizarea curenților în circuitele electronice – prin alegerea unor componente adecvate, selectarea circuitelor în ceea ce privește impedanțele de intrare, etc.
2. Minimizarea spectrului de frecvență – să nu se utilizeze în mod inutil componente rapide (margini de creștere și scădere). Comunicare inutilǎ de date rapide.
3. Filtrarea și protecția terminalelor de intrare/ieșire – protecție ESD (descărcări electrostatice) și soluție pentru efecte de tranziție, limitarea radiațiilor din ȋncǎrcare
4. Minimizarea buclelor de curent și a lungimilor circuitelor – buclele de curent pot fi minimizate prin plasarea corectă a componentelor, plasarea traseelor, ȋmpământare, trasee de alimentare, utilizarea corectă a condensatorilor de filtrare.
5. Ecranare – ndepărtarea radiațiilor și ȋn același timp, creșterea imunității.

Proiectarea PCB-urilor din perspectiva EMC este o operație relativ complexă. În general, dacă respectăm unele recomandări, putem spune că am făcut tot posibilul pentru a o face corect.

Cum testam PCB-ul? Mai multe despre aceasta în articolul următor. În curând…
Aveti întotdeauna cele mai recente articole printre primii. Abonati-va la newsletter.
INREGISTREAZA-TE