22. Трассировка печатных плат, основные принципы и правила. Подготовка к трассировке. Автоматическая и ручная трассировка в сапр Circuit Maker. Работа со слоями печатной платы.
Трассировка печатных плат — один из этапов проектирования радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), заключающийся в определении мест расположения проводников на печатной плате вручную или с использованием одной из САПР, предназначенной для проектирования печатных плат.
В зависимости от общей сложности схемы и качественных требований разработчик должен определить количество слоев печатной платы.
Однослойные печатные платы
Очень простые электронные схемы выполняются на односторонних платах с использованием дешевых фольгированных материалов (FR-1 или FR-2) и часто имеют много перемычек, напоминая двухсторонние платы. Такой способ создания печатных плат рекомендуется только для низкочастотных схем. По причинам, которые будут описаны ниже, односторонние печатные платы в большой степени восприимчивы к наводкам. Хорошую одностороннюю печатную плату достаточно сложно разработать из-за многих причин. Тем не менее хорошие платы такого типа встречаются, но при их разработке требуется очень многое обдумывать заранее.
Двухслойные печатные платы
На следующем уровне стоят двухсторонние печатные платы, которые в большинстве случаев используют в качестве материала подложки FR-4, хотя иногда встречается и FR-2. Схемы на двухсторонних печатных платах разводятся гораздо легче, т.к. в двух слоях проще осуществить разводку пересекающихся трасс. Однако для аналоговых схем пересечение трасс выполнять не рекомендуется. Где возможно, нижний слой (bottom) необходимо отводить под полигон земли, а остальные сигналы разводить в верхнем слое (top). Использование полигона в качестве земляной шины дает несколько преимуществ:
общий провод является наиболее часто подключаемым в схеме проводом; поэтому резонно иметь "много" общего провода для упрощения разводки.
увеличивается механическая прочность платы.
уменьшается сопротивление всех подключений к общему проводу, что, в свою очередь, уменьшает шум и наводки.
увеличивается распределенная емкость для каждой цепи схемы, помогая подавлять излучаемый шум.
полигон, являющийся экраном, подавляет наводки, излучаемые источниками, располагающимися со стороны полигона.
Двухсторонние печатные платы, несмотря на все свои преимущества, не являются лучшими, особенно для малосигнальных или высокоскоростных схем. В общем случае, толщина печатной платы, т.е. расстояние между слоями металлизации, равняется 1,5 мм, что слишком много для полной реализации некоторых преимуществ двухслойной печатной платы, приведенных выше. Распределенная емкость, например, слишком мала из-за такого большого интервала.
Многослойные печатные платы
Для ответственных схемотехнических разработок требуются многослойные печатные платы (МПП). Некоторые причины их применения очевидны:
такая же удобная, как и для шины общего провода, разводка шин питания; если в качестве шин питания используются полигоны на отдельном слое, то довольно просто с помощью переходных отверстий осуществить подводку питания к каждому элементу схемы;
сигнальные слои освобождаются от шин питания, что облегчает разводку сигнальных проводников;
между полигонами земли и питания появляется распределенная емкость, которая уменьшает высокочастотный шум.
Заземление
Хорошее заземление - общее требование насыщенной, многоуровневой системы. И оно должно планироваться с первого шага дизайнерской разработки.
Основное правило: разделение земли.
Разделение земли на аналоговую и цифровую части - один из простейших и наиболее эффективных методов подавления шума. Один или более слоев многослойной печатной платы обычно отводится под слой земляных полигонов. Если разработчик не очень опытен или невнимателен, то земля аналоговой части будет непосредственно соединена с этими полигонами, т.е. аналоговый возвратный ток будет использовать такую же цепь, что и цифровой возвратный ток. Авторазводчики работают примерно также и объединяют все земли вместе.
Шины питания и земли должны находится под одним потенциалом по переменному току, что подразумевает использование конденсаторов развязки и распределенной емкости.
Не допускайте перекрытий аналоговых и цифровых полигонов (рис. 1). Располагайте шины и полигоны аналогового питания над полигоном аналоговой земли (аналогично для шин цифрового питания). Если в каком-либо месте существует перекрытие аналогового и цифрового полигона, распределенная емкость между перекрывающимися участками будет создавать связь по переменному току, и наводки от работы цифровых компонентов попадут в аналоговую схему. Такие перекрытия аннулируют изоляцию полигонов.
Важно отделять шины цифровых сигналов от мест на печатной плате, где расположены аналоговые компоненты схемы. Это предполагает изоляцию (экранирование) полигонами, создание коротких трасс аналоговых сигналов и внимательное размещение пассивных компонентов при наличии рядом расположенных шин высокоскоростных цифровых и ответственных аналоговых сигналов. Шины цифровых сигналов должны разводиться вокруг участков с аналоговыми компонентами и не перекрываться с шинами и полигонами аналоговой земли и аналогового питания. Если этого не делать, то разработка будет содержать новый непредусмотренный элемент - антенну, излучение которой будет воздействовать на высокоимпедансные аналоговые компоненты и проводники.
Важные вещи при трассировке:
Ширина проводника платы
Применение проводников недостаточной ширины может быть причиной возникновения ряда проблем:
Проблема №1 – падение напряжения. Все мы помним закон Ома, из которого следует, что чем меньше площадь сечения проводника, тем больше его сопротивление. Чем больше сопротивление проводника, тем больше на нем упадет напряжение.
Проблема №2 – нагрев проводника. Мощность, выделяемая на проводнике пропорциональна его сопротивлению, то есть чем больше сопротивление, тем больше тепла выделится на проводнике. Дорогу 0,15 мм ток в 5 – 10 А легко испарит.
Проблема №3 – паразитная индуктивность. Чем меньше сечение проводника, тем больше его индуктивность. То есть любой проводник на самом деле не просто «кусок меди», это составной компонент из активного сопротивления, индуктивности и паразитной емкости. Если эти параметры слишком высоки, то они начинают негативно отражаться на работе схемы. Чаще они проявляются частотах больше 10 МГц.
Проблема №4 – низкая механическая прочность. Дорожка шириной 2 мм более прочно прикреплена к основе платы, чем дорожка 0,15 мм.
Вывод: стоит использовать максимально возможную ширину проводников. Если проводник можно провести с шириной 0,6 мм, то это лучше, чем провести его шириной 0,15 мм.
Подключение к выводам
Под выводами подразумевается контактная площадка компонента, переходные отверстия и прочие объекты, которые на плате мы соединяем с помощью проводников (дорожек).
Ширина проводника, подключаемого к контактной площадке, в идеале должна составлять примерно 80% от ширины этой площадки, схематично это правило отображено на рисунке ниже
Стоит понимать, что данный вариант является идеальным и трудно реализуемым при реальном изготовлении платы. В этом случае переход толщины проводника не выполняют, а принимают ширину дорожки относительно минимальной площадки.
Ширина зазора
Минимальное значение зазора между медными проводниками на печатной плате, нам диктуют технологические требования.
Если зазор недостаточно большой, то может возникнуть электрический пробой. Напряжение пробоя зависит от типа материала и от толщины/ширины изолятора. Расстояние (зазор) между проводниками влияет на критическое значение напряжения пробоя.
Вывод: чем больше расстояние между проводниками, тем большее напряжение необходимо чтобы пробить его.
Цепь питания
Для цепи питания дорожки максимально широкие. Питание должно приходить на микросхему через керамический конденсатор, который по возможности ставят ближе к выводу этой микросхемы.
Переходные отверстия
Используйте минимальное количество переходных отверстий: если вам нужно соединить 2 контакта на разных слоях, то не используйте более 1-го переходного отверстия. Если 2 контакта находятся на одном слое, и вы не можете соединить их напрямую, то используйте максимум 2 переходных отверстия.
Земля
Использовать полигон для разводки цепи GND, а в идеале отдельный слой, который полностью выделен для данной цепи, например, нижний слой.
Ручная трассировка состоит в прокладывание дорожек, т.е. соединении компонентов между собой на усмотрения разработчика с соблюдением основных правил трассировки.
Автоматическая трассировка в легка в применении и состоит всего из нескольких шагов:
При необходимости отмените имеющуюся трассировку, необходимо выполнить команду Tools» Un-Route » All (Инструменты » Отменить трассировку» Все)
Инструментарий автоматической трассировки расположен в меню AutoRoute (Автоматическая трассировка), в котором имеются различные инструменты
Выбераем All (Все). Открывается диалоговое окно Situs Routing Strategies (Situs: Стратегии трассировки) в верхней части которого отображается настройки отчета о трассировке. Предупреждения и ошибки отображаются красным цветом, на них всегда следует обращать внимание
При необходимости пользователь может задавать свои стратегии трассировки, для чего следует нажать кнопку Add в окне Situs Routing Strategies, после чего появится окно Situs Strategy Editor
В стратегию можно добавить следующие важные процедуры:
- Adjacent Memory – соединяет выводы U-образными проводниками;
- Clean Pad Entries – «чистит» подходы к контактным площадкам;
- Completion – добивается завершённости трассировки, для чего использует методы разрыва и расталкивания препятствий;
- Memory (память) – находит все цепи, связанные с устройствами памяти или похожие на таковые и использует эвристический алгоритм и др.
Нажмаем на Route All. На панели сообщений (Messages) (см. Рис.3.) отобразится процесс автотрассировки. Трассировщик Situs позволяет получить результаты, сравнимые с работой опытного конструктора и, поэтому, он трассирует плату непосредственно в окне редактора РСВ, при этом нет необходимости предпринимать какие-либо дополнительные усилия по экспорту или импорту файлов.
Как видно из рисунка 4 один проводник зеленого цвета. Это говорит, что трассировка производилась на двух слоях и данный проводник расположен на слое BottomLayer
Чтобы выполнить трассировку только на одном слое, необходимо в диалоговом окне Situs Routing Strategies (Situs: Стратегии трассировки) нажмите кнопку Edit Layer Directions (Редактировать направление на слое) и измените поле Current Setting (Текущая настройка). Альтернативный метод: вы можете изменить правило проектирования Routing Layers (Слои трассировки).
Интересная особенность Situs заключается в том, что этот инструмент лучше работает со сложными платами с плотным расположением элементов. Чтобы улучшить качество трассировки, снова выберите Auto Route » All (Автоматическая трассировка » Все), но в этот раз выберите стратегию трассировки Cleanup (Очистка). При необходимости можно выполнить стратегию Cleanup (Очистка) несколько раз.
Для переключения между слоями в нижнем поле программы есть специальные вкладки.
Чтобы отнести компонент к какому-либо слою необходимо зайти в его свойства и в поле Layer указать нужный слой.
Для удобства работы со слоями можно в верхней части программы в поле View выбрать режим Single Layer Mode.
23. Работа с межслойными переходами. Размещение текста и графических элементов. Создание заливки. Блокировка объектов. Проверка проекта. Информация о плате. Печать результатов. Работа с межслойными переходами.
При разводке платы можно работать в разных «слоях».
Основная задача – развести как можно большее количество цепей по верхнему слою (Top Layer), не создав при этом пересечений.
Если возможности разводки по верхнему слою (Top Layer) исчерпались, можно перейти на нижний слой (Bottom Layer) и продолжить разводку на нём. Перед переходом с верхнего слоя на нижний нужно использовать переходные отверстия Via между слоями.
Размещение текста и графических элементов.
Чтобы добавить файлы в проект, щелкаем правой кнопкой мыши по имени проекта (обведен красным прямоугольником) и выбираем Add New to Project→Schematic. Далее проделываем такую же операцию и добавляем файл печатной платы: нажимаем правой кнопкой мыши на имя файла в поле Project (Add New to Project→PCB).
Создание заливки.
Для этого выбираем инструмент Home→Polygon Pour и переходим в меню настроек полигона.
В настройках полигона мы можем изменить следующие пункты:
Стиль заливки (Fillmode) полигона может быть сплошным (Solid), когда медь покрывает все пространство полигона, или штрихованной (Hatched), когда заливка выполняется в виде сетки из медных дорожек. По умолчанию всегда используется сплошная заливка.
Имя (Name) для нашего полигона
Слой (Layer), в котором будет находиться полигон
Проверка проекта
Необходимо проверить, всё ли в порядке с проектом, для этого нажимаем на кнопку Validate Changes, если всё хорошо, справа напротив каждого пункта появятся зелёные значки, если возникла ошибка – красные.
24. Промышленные форматы. Формат DXF, Gerber Output. Создание файлов в формате N/C drill.\