Общие проблемы повышения надежности печатных плат

Как рассчитать импеданс печатной платы?

Расчет импеданса печатной платы обеспечивает целостность сигнала, особенно для высокоскоростных и радиочастотных схем.

1. Определите расположение и геометрию печатной платы

• Количество слоев: Однослойный, двухслойный или многослойный.
• Ширина трассы (W) и толщина (T): Критически важен для контроля импеданса.
• Толщина диэлектрика (H): Расстояние между сигнальным слоем и опорной плоскостью (например, землей).
• Вес меди: Обычно от 0,5 унции (17,5 мкм) до 2 унций (70 мкм).

2. Определите диэлектрическую постоянную (Dk или εᵣ)

• FR-4: ~4,3-4,8 (зависит от частоты).
• Rogers RO4003C: ~3,38 (низкие потери для RF).
• Полиимид: ~3,5 (гибкие печатные платы).
• Примечание: Dk немного уменьшается на более высоких частотах.

3. Выберите метод расчета импеданса

Микрополосковый (трассировка внешнего слоя над плоскостью земли):

Стриплайн (внутренний слой между двумя грунтовыми плоскостями):

Дифференциальная пара: Требуется расстояние (S) между трассами.

4. Используйте калькуляторы или инструменты для расчета импеданса

• Онлайн-инструменты: Saturn PCB Toolkit, EEWeb Calculator.
• Программное обеспечение для печатных плат: Altium Designer, KiCad или Cadence содержат встроенные калькуляторы импеданса.
• ЭМ-симуляторы: Ansys HFSS, CST (для сложных конструкций).

5. Оптимизация дизайна на основе результатов

• Отрегулируйте ширина трассы (ширина ↑ → импеданс ↓).
• Изменить толщина диэлектрика (↑ H → ↑ импеданс).
• Tweak расстояние между трассами для дифференциальных пар.
• Выберите материалы с соответствующими Dk (например, Роджерс для РФ).

Пример расчета (FR-4 Microstrip)
Дано:

• Ширина трассы (W) = 0,2 мм
• Толщина диэлектрика (H) = 0,15 мм
• Толщина меди (T) = 0,035 мм
• εᵣ = 4,5

Используя формулу для микрополосковой линии:

Соответствует стандартному импедансу 50Ω для радиочастотных сигналов.

Как учитывать целостность сигнала в Конструкция ПХД?

1. Дизайн макета

При проектировании печатной платы важно учитывать расположение сигнальных линий, линий питания и линий заземления, а также избегать помех, вызванных пересечением сигнальных линий, линий питания и линий заземления. Кроме того, необходимо минимизировать длину сигнальных линий, чтобы уменьшить перекрестные наводки и задержки.

2. Согласование импеданса

При проектировании высокоскоростных сигнальных линий необходимо выполнять согласование импеданса, чтобы обеспечить соответствие импеданса сигнальных линий импедансу источника сигнала и нагрузки, что позволит избежать отражения сигнала и наводок.

3. Прокладка сигнальных линий

При проектировании печатной платы прокладка сигнальных линий также влияет на целостность сигнала и должна соответствовать определенным правилам. Например, дифференциальные сигнальные линии должны находиться на определенном расстоянии друг от друга и прокладываться параллельно, в то время как односторонние сигнальные линии должны прокладываться параллельно линиям заземления, а изгибы сигнальных линий должны быть сведены к минимуму.

4. Питание и заземление

При проектировании печатной платы конструкция питания и заземления также влияет на целостность сигнала. Необходимо использовать стабильное питание и заземление, а сопротивление и индуктивность питания и заземления должны быть сведены к минимуму, насколько это возможно.

5. Верификация моделирования

После завершения проектирования печатной платы необходимо провести проверку с помощью моделирования, чтобы убедиться, что целостность сигнала соответствует требованиям. С помощью моделирования можно выявить такие проблемы, как задержка сигнала, отражение и перекрестные наводки, и оптимизировать конструкцию печатной платы.

Как учитывать электромагнитную совместимость (ЭМС) при проектировании печатных плат?

1. Компоновка печатной платы для обеспечения ЭМС

• Минимизация параллельной маршрутизации: Избегайте длинных параллельных участков между сигнальными и силовыми/земными трассами, чтобы уменьшить перекрестные наводки и электромагнитную связь.
• Изоляция критических сигналов: Отделите высокоскоростные (например, часы, радиочастоты) и чувствительные аналоговые сигналы от шумных цепей (например, импульсных источников питания).
• Стратегия укладки слоев:
• Для экранирования используйте сплошные заземляющие плоскости, прилегающие к сигнальным слоям.
• Прокладывайте высокоскоростные сигналы на внутренних слоях между земляными плоскостями для обеспечения изоляции.

2. Техника заземления

• Низкоимпедансные заземляющие плоскости: Для минимизации контуров заземления и снижения излучения используйте неразрывные плоскости заземления.
• Тщательно разделяйте землю: Разделяйте аналоговые/цифровые заземления только при необходимости, с помощью одной точки подключения (например, ферритовой шайбы или резистора 0 Ом).
• Via Stitching: Разместите несколько заземляющих прокладок вокруг высокочастотных трасс или краев платы, чтобы подавить резонанс полости.

3. Фильтрация и подавление

• Ферритовые бусины: Добавляется к линиям питания/ИО для блокировки высокочастотных помех.
• Развязывающие конденсаторы: Поместите рядом с выводами питания ИС (например, 0,1 мкФ + 1 мкФ) для фильтрации высоко- и среднечастотных шумов.
• Дроссели с общим модом: Используется в дифференциальных парах (например, USB, Ethernet) для подавления синфазного излучения.

4. Экранирование и дизайн интерфейсов

• Экранирование кабеля: Используйте экранированные разъемы (например, USB, HDMI) с заземлением на 360° к шасси.
• Экранирование на уровне платы: Добавьте металлические банки или проводящие покрытия на чувствительные радиочастотные цепи.
• Защита краев: Прокладывайте чувствительные дорожки вдали от краев платы; используйте защитные дорожки или заземленную медную заливку вокруг них.

5. Моделирование и тестирование

• Предварительный анализ макета: Используйте такие инструменты, как ANSYS HFSS или CST, для моделирования очагов излучения.
• Проверка после раскладки:
• Проведите сканирование в ближней зоне для выявления источников выбросов.
• Выполните тестирование на соответствие требованиям (например, FCC, CE) в отношении излучаемых/проводящих излучений.
• Итерация дизайна: Оптимизация по результатам тестирования (например, добавление оконечных резисторов или регулировка расстояния между трассами).

Примеры исправлений:

• Часы с частотой 100 МГц излучают слишком сильно: Добавьте последовательные оконечные резисторы или проложите трассу между заземленными плоскостями.
• Помехи от импульсного источника питания: Установите π-фильтры (LC) на входе/выходе.

Интегрируя эти методы, можно добиться соответствия печатных плат стандартам ЭМС (например, IEC 61000) и свести к минимуму дорогостоящие перепроектирования. Всегда создавайте прототипы и проводите испытания на ранних этапах!

Как учитывать целостность питания (PI) при проектировании печатных плат?

1. Макет трассы питания

• Короткие и широкие следы: Минимизируйте сопротивление (R) и паразитную индуктивность (L), чтобы уменьшить падение напряжения и шум.
• Избегайте параллельной маршрутизации с помощью трассировки сигналов: Предотвращение попадания силовых помех в чувствительные сигналы (например, часы, аналоговые схемы).
• Стратегия слоев:
• В многослойных платах выделите целые слои для силовых и заземляющих плоскостей.
• Критические шины питания (например, напряжение ядра процессора) должны иметь выделенные плоскости питания.

2. Фильтрация электроэнергии

• Развязывающие конденсаторы:
• Объемные электролитические конденсаторы (10-100 мкФ) на входах питания для стабилизации напряжения.
• Небольшие керамические конденсаторы (0,1 мкФ) возле выводов ИС для фильтрации высокочастотных шумов.
• LC-фильтры:
• Добавьте π-фильтры (конденсатор + индуктор) для чувствительных к шуму модулей (например, PLL).

3. Питание и заземление

• Низкоимпедансные возвратные тракты:
• Используйте сплошные заземляющие плоскости; избегайте разветвлений, вызывающих разрывы импеданса.
• Множество виа для соединения плоскостей питания и земли (уменьшает индуктивность виа).
• Звездное заземление:
• Разделение мощных и чувствительных цепей с одноточечным заземлением.

4. Моделирование и проверка

• Анализ сети PDN (Power Delivery Network):
• Импеданс цели: ( Z_{\text{target}} = \frac{\Delta V}{\Delta I} ).
• Инструменты: ANSYS SIwave, Cadence Sigrity.
• Испытания на пульсации и шумы:
• Проверьте уровни силового шума с помощью осциллографов или моделирования.

Как включить проектирование для обеспечения тестируемости (DFT) в разработку печатной платы?

1. Тестовые точки и интерфейсы

• Точки проверки критических сигналов:
• Предусмотрите отверстия или площадки (диаметр ≥1 мм, расстояние ≥2,54 мм) для доступа датчиков.
• Пометьте контрольные точки (например, TP1, TP2).
• Стандартные интерфейсы:
• Размещайте интерфейсы JTAG, UART или SWD вблизи краев платы.

2. Маркировка доски (шелкография)

• Маркировка компонентов:
• Пометьте условные обозначения (например, R1, C2), полярность (+/-) и вывод 1.
• Используйте высококонтрастную шелкографию (белую/черную).
• Функциональные зоны:
• Обведите области (например, "Секция питания") для удобства идентификации.

3. Программируемые методы тестирования

• Граничное сканирование (JTAG):
• ИС, соответствующие стандарту IEEE 1149.1 (например, ПЛИС, микроконтроллеры), позволяют проводить тестирование межсоединений.
• Автоматизированное испытательное оборудование (ATE):
• Резервные интерфейсы тестовых приспособлений (например, колодки pogo pin).

4. Моделирование и проверка

• Проверки правил DFT:
• Обеспечьте покрытие тестовых точек (например, >90% доступных сетей).
• Анализ режимов неисправностей:
• Проверка тестовых схем с помощью SPICE-симуляторов.

Сравнение ключевых принципов проектирования

Примеры:

• Оптимизация ПИ: Плоскости питания памяти DDR4 с несколькими колпачками 0805 0,1 мкФ (целевой импеданс ≤0,1Ω).
• Реализация DFT: Промышленная плата управления с 20 контрольными точками для автоматизированного тестирования летающим датчиком.

Систематически решая проблемы PI и DFT, разработчики могут улучшить показатели мощности, эффективности тестирования и надежности производства.