Medzi dnešnými elektronickými produktmi, či už ide o smartfóny, automobilovú elektroniku, nositeľné zariadenia alebo satelitné systémy, je jednou z hlavných súčastí doska plošných spojov (PCB). Nielenže nesie rôzne elektronické súčiastky, ale je zodpovedná aj za pripojenie a prenos elektrických signálov. Základom toho všetkého je rozumne naplánované rozloženie dosky plošných spojov.
Pri vývoji produktov úspech projektu často závisí od spoľahlivého návrhu a rozloženia dosky plošných spojov. Zahŕňa to nielen rozloženie obvodu a umiestnenie súčiastok, ale aj trasy, nastavenie vrstiev dosky, plánovanie napájania, simulačné testy a prípravu výrobných súborov.
Čo je to rozloženie DPS?
Rozloženie dosky plošných spojov (PCB) sa vzťahuje na proces fyzického návrhu dosky plošných spojov (PCB). Tento krok zahŕňa najmä umiestnenie elektronických súčiastok na správne miesta a ich prepojenie medenými vodičmi (vodivými dráhami). Jednoducho povedané, je to kľúčový krok k premene nápadov na fyzické produkty.
Treba poznamenať, že návrh DPS a rozloženie DPS nie sú to isté. Návrh DPS zahŕňa celý proces, ako je kreslenie schém zapojenia, vykonávanie simulácií obvodov a príprava produkčných súborov.
Základné prvky DPS
- Substrát: Toto je základný materiál dosky plošných spojov. Najbežnejším typom je FR-4 (sklolaminát).
- Medené stopy: Tiež známe ako zapojenie alebo smerovanie, sú to vodivé dráhy na doske. Spájajú elektronické súčiastky a prenášajú elektrické signály alebo energiu. Sú jadrom rozloženie obvodu.
- Kontaktné podložky a prechodky: Pákové kontakty sú kovové body používané na spájkovanie súčiastok.
- Komponenty: Patria sem rôzne elektronické zariadenia, ako sú rezistory, kondenzátory, čipy (IO) a konektory.
- Vrstva sieťotlače: Toto je vrstva vytlačená na povrchu dosky plošných spojov, ktorá zobrazuje označenia súčiastok, referenčné polohy, logá spoločností alebo informácie o verzii.
Pri návrhu rozloženia dosky plošných spojov je potrebné zabezpečiť, aby boli tieto prvky na doske plošných spojov primerane usporiadané. Medzi komponentmi by mala byť dostatočná vzdialenosť, aby sa predišlo skratom alebo rušeniu. Vodiče by mali zachovať elektrickú integritu, aby sa predišlo strate alebo skresleniu signálu.
Typy rozloženia dosiek plošných spojov
Pri rozvrhovaní dosiek plošných spojov je výber typu rozloženia veľmi dôležitý. Závisí to od funkčnej zložitosti produktu, jeho veľkosti a prostredia, v ktorom sa používa.
- Jednostranné rozloženie: Všetky súčiastky a vodiče sú umiestnené na jednej strane dosky plošných spojov. Toto rozloženie dosky plošných spojov je jednoduché a lacné, ideálne pre základné produkty, ako sú hračky, diaľkové ovládače a domáca elektronika.
- Obojstranné rozloženie: Súčiastky a vodiče je možné umiestniť na obe strany dosky plošných spojov, čo poskytuje väčšiu flexibilitu pri smerovaní. Bežne sa používa v elektronike strednej zložitosti, ako sú merače a priemyselné riadiace dosky.
- Viacvrstvové rozloženie DPS: Zvyčajne sa vzťahuje na dosky plošných spojov so 4 alebo viacerými vrstvami. Tieto dosky majú napájacie vrstvy, uzemňovacie vrstvy a signálne vrstvy naskladané spolu, čo umožňuje vyššiu hustotu smerovania a lepšiu elektromagnetickú kompatibilitu.
- Pevné rozloženie dosky plošných spojov: Ako základ používa pevný materiál, ako napríklad FR-4. Má stabilnú štruktúru a ľahko sa vyrába.
- Flexibilné rozloženie obvodu: Ako základ používa flexibilné materiály, ako je polyimid.
- Rozloženie dosky typu tuhý-flexibilný: Kombinuje pevné a flexibilné dosky do jednej. Umožňuje 3D inštaláciu v kompaktných priestoroch a podporuje zložité konštrukčné návrhy.
Celkovo rôzne typy rozloženia dosiek plošných spojov nielen ovplyvňujú prístup k návrhu a zložitosť smerovania, ale priamo súvisia aj s nákladmi, výkonom a dlhodobou spoľahlivosťou produktu.
Proces návrhu rozloženia dosky plošných spojov
Dobré rozloženie dosky plošných spojov vyžaduje jasný a organizovaný proces návrhu.
- Dokončenie schémy: Predtým, ako začnete s návrhom rozloženia dosky plošných spojov, musíte dokončiť schému. To znamená pridať všetky komponenty, správne ich zapojiť, pomenovať alebo očíslovať každú súčiastku a nastaviť pravidlá návrhu.
- Nastavenie vrstiev a veľkosti dosky: Ďalej nastavíte vrstvy dosky. To zahŕňa rozhodnutie o tom, koľko signálnych, uzemňovacích a napájacích vrstiev potrebujete, aké materiály použijete a aká hrubá by mala byť každá vrstva. Taktiež musíte nastaviť celkovú veľkosť dosky.
- Umiestnenie súčiastok: Teraz môžete umiestniť súčiastky na dosku. Najprv umiestnite dôležité súčiastky, ako je procesor, napájacie čipy a porty. Snažte sa, aby všetky súčiastky smerovali rovnako, aby sa uľahčilo spájkovanie a oprava. Dodržujte pokyny pre rozloženie dosky plošných spojov, aby boli súčiastky dobre rozmiestnené a aby sa navzájom neprekážali.
- Smerovanie dráh: Po umiestnení súčiastok je čas nakresliť dráhy (stopy), ktoré ich spájajú. Pri vysokorýchlostných signáloch udržujte dráhy rovnakej dĺžky, aby ste predišli problémom s časovaním. Dráhy by mali byť krátke a rovné a nepoužívajte ostré uhly. Na uzemnenie použite medené liatiny, aby boli signály čistejšie.
- Kontrola pravidiel návrhu (DRC): Po dokončení smerovania spustite kontrolu pravidiel návrhu (DRC). Tento krok vám pomôže nájsť problémy, ako sú skraty, nesprávne pripojenia alebo súčiastky, ktoré sú príliš blízko seba.
Kľúčové pravidlá pre rozloženie obvodu
Dodržiavaním týchto pokynov na rozloženie dosky plošných spojov sa môžete vyhnúť elektromagnetickému rušeniu, prehriatiu a logickým chybám.
- Vstupné a výstupné súčiastky umiestnite na opačné strany dosky. Súčiastky, ktoré fungujú spoločne, zoskupte do rovnakej oblasti. Vďaka tomu bude rozloženie dosky plošných spojov prehľadnejšie a pomôže to znížiť problémy so signálom.
- Pre vysokorýchlostné signály alebo veľké prúdy udržujte plochu slučky malú. Menšia slučka pomáha zastaviť šum signálu a znižuje elektromagnetické žiarenie.
- Analógové signály môžu byť ľahko ovplyvnené šumom. Udržujte analógové súčiastky ďalej od digitálnych súčiastok.
- Snažte sa v trasách nerobiť 90-stupňové rohy. Použite radšej 45-stupňové uhly alebo krivky.
- Zakryte čo najväčšiu časť dosky uzemňovacou plochou.
- Umiestnite oddeľovacie kondenzátory blízko napájacích pinov. Odstraňujú napájací šum a pomáhajú zabezpečiť čisté napájanie čipov.
- Pridajte ďalšie prechodky na prepojenie rôznych vrstiev uzemnenia.
- Jasne označte vrstvu sieťotlače. Uveďte čísla dielov, pokyny a informácie o verzii.
Výber softvéru na návrh rozloženia dosky plošných spojov
Pri návrhu rozloženia dosky plošných spojov je veľmi dôležité vybrať si vhodný softvér na návrh rozloženia dosky plošných spojov. Dobrý softvér môže nielen zvýšiť efektivitu práce, ale aj zlepšiť presnosť návrhu, čo vám pomôže dokončiť celý proces návrhu dosky plošných spojov rýchlejšie a spoľahlivejšie.
Kľúčové funkcie softvéru na návrh DPS
- Integrácia schém a rozloženia: Softvér by mal podporovať integráciu medzi schémami a rozložením. To znamená, že keď kreslíte schému, softvér by mal byť schopný vytvoriť zoznam spojení a odoslať ho priamo do návrhu rozloženia dosky plošných spojov.
- Kontrola pravidiel návrhu (DRC) v reálnom čase: Je dôležité, aby softvér podporoval DRC (kontrolu pravidiel návrhu) v reálnom čase. Pri umiestňovaní súčiastok alebo kreslení trás by vám systém mal okamžite oznámiť, či sa vyskytol problém - napríklad príliš malá vzdialenosť, príliš tenká trasa alebo nesprávna veľkosť prepojenia.
- Podpora vysokorýchlostných signálov: Ak pracujete na vysokorýchlostných obvodoch, ako sú komunikačné zariadenia alebo RF dosky, softvér by mal podporovať návrh vysokorýchlostných signálov. Mal by pomôcť s vecami, ako je smerovanie diferenciálnych párov, riadenie impedancie a kontroly časovania.
- 3D náhľad: Dnešné návrhy často vyžadujú aj 3D kontrolu. Preto je dobré, ak softvér ponúka 3D náhľad rozloženia dosky plošných spojov.
- Export výrobných súborov: Dobrý softvér na návrh dosiek plošných spojov musí byť schopný exportovať kompletné výrobné súbory. Patria sem súbory Gerber, súbory s vŕtacími prvkami a kusovníky (BOM).
Stručne povedané, použitie správneho softvéru na návrh DPS so správnymi nástrojmi môže výrazne zlepšiť vašu prácu s návrhom obvodov.
Mojich 10 najlepších tipov na návrh DPS
Prehľad populárnych softvérových riešení pre návrh DPS
Medzi populárne softvéry na návrh dosiek plošných spojov patria Altium, KiCad, Eagle, DipTrace a OrCAD.
- Altium Designer: Výkonný a plný funkcií. Je určený pre veľké spoločnosti a je skvelý na navrhovanie zložitých viacvrstvových dosiek. Získate schematické zachytávanie, návrh, simuláciu a 3D nástroje v jednom systéme. Cena licencie je vysoká.
- DipTrace: Ľahko sa používa a má prehľadné rozhranie. Podporuje viacvrstvové dosky a 3D náhľady. Rozhranie je intuitívne a prehľadné. Vstavaný 3D náhľad vám pomôže skontrolovať dosku pred výrobou. Veľké podniky ho zriedkavo prijímajú.
- KiCad: Bezplatný a s otvoreným zdrojovým kódom. Má silnú používateľskú komunitu a neustále sa zlepšuje. Je bezplatný a podporuje neobmedzenú veľkosť dosiek.
- Autodesk Eagle: Vyrobené spoločnosťou Autodesk. Je cenovo dostupné a dobre sa hodí do návrhových nástrojov Autodesk. Zostáva obľúbený medzi startupmi a malými dizajnérskymi tímami.
- OrCAD (Cadence): Veľmi profesionálne. Je obzvlášť vhodný na simuláciu a návrhu obvodov. Poskytuje výkonné nástroje na simuláciu a analýzu.
- EasyEDA: Je to softvér na návrh dosiek plošných spojov založený na prehliadači. Je to bezplatné a vhodné pre začiatočníkov.
- Autodesk Fusion 360: Kombinuje rozvrhnutie dosiek plošných spojov s nástrojmi mechanického CAD.
- PADS: Vyvinutý spoločnosťou Siemens EDA, zameriava sa na profesionálne inžinierske tímy.
- DesignSpark PCB: Je po registrácii zadarmo. V štandardnej verzii podporuje neobmedzenú veľkosť dosky s plošnými spojmi.
- Ultiboard: Priamo sa integruje s NI Multisim.
- CircuitMaker: Je postavené na technológii Altium, ale ponúka sa zadarmo.
- Proteus Design Suite: Kombinuje rozloženie dosiek plošných spojov a simuláciu obvodov v jednom systéme.
- PCBWizard 3: Zameriava sa na začiatočnícke a vzdelávacie použitie.
- NI Multisim: Je známy najmä pre simulácie založené na SPICE.
Porovnávacia tabuľka vybraných softvérov na návrh DPS
| Softvér na návrh PCB | Úroveň nákladov | Náročnosť používateľa | K dispozícii je bezplatná skúšobná verzia | Podporované výstupné súbory |
|---|---|---|---|---|
| Altium Designer | vysoký | pokročilý | Áno | Gerber, ODB++, IPC-2581, NC vŕtačka, kusovník |
| Autodesk Fusion 360 | vysoký | Stredná | Áno | Kusovník, DXF, STEP, Gerber, NC vŕtačka |
| CircuitMaker | zdarma | Stredná | Áno | Gerber, ODB++, NC vŕtačka, kusovník |
| DPS DesignSpark | zdarma | Vhodné pre začiatočníkov | Áno | Kusovník, PDF, IDF, Gerber, NC vŕtačka |
| DipTrace | Nízky | Stredná | Áno | Kusovník, STEP, Gerber, DXF, NC vŕtačka |
| EasyEDA | zdarma | Vhodné pre začiatočníkov | Áno | Gerber, NC vŕtačka, kusovník, PDF |
| Eagle | Nízky | Stredná | Áno | Kusovník, DXF, XML, Gerber, NC vŕtačka |
| KiCad | zdarma | Stredná | Áno | Kusovník, STEP, Gerber, IPC-2581, NC vŕtačka |
Online vs. Offline softvér pre PCB
Pri skúmaní softvérov na návrh dosiek plošných spojov sa musíte rozhodnúť medzi cloudovým prístupom a lokálnym výpočtovým výkonom. Online nástroje ponúkajú vysokú dostupnosť z akéhokoľvek zariadenia s pripojením na internet. Offline softvér však poskytuje vysoký výkon priamym využitím lokálnych hardvérových zdrojov.
| Vlastnosti | Online softvér pre DPS | Offline softvér pre PCB |
|---|---|---|
| Prístupnosť | Ľahko dostupné z akéhokoľvek zariadenia s internetom. | Obmedzené na počítač, na ktorom je nainštalované. |
| Výkon | Môže sa líšiť v závislosti od rýchlosti internetu a zaťaženia servera. | Rýchly a beží priamo na vašom lokálnom hardvéri. |
| Spolupráca | Skvelé na úpravu v reálnom čase s ostatnými. | Obmedzené, pretože súbory musíte zdieľať manuálne. |
| Vlastnosti | Rastúce, zvyčajne jednoduchšie na použitie. | Pokročilá a kompletná sada profesionálnych nástrojov. |
| Nákladový model | Väčšinou na báze predplatného (SaaS). | Často ide o jednorazový nákup s voliteľnými vylepšeniami. |
| Aktualizácie | Automatické a bezproblémové. | Aktualizácie musíte nainštalovať manuálne. |
Optimalizácia návrhu DPS
Efektívny návrh rozloženia dosky plošných spojov presahuje rámec štandardných pokynov; vyžaduje si to jemné rozhodnutia na obídenie bežných pascí, ktoré môžu ohroziť výkon, spoľahlivosť a vyrobiteľnosť.
Riešenie bežných chýb
- Spätné cesty s nízkou impedanciou: Jednou z bežných chýb, dokonca aj medzi skúsenými dizajnérmi, je podceňovanie dôležitosti jasných spätných ciest s nízkou impedanciou pre vysokorýchlostné signály. Vyhnite sa segmentovaniu základných plôch v kritických oblastiach. Pri prechode z jednej základnej roviny do druhej použite zošívacie kondenzátory, aby ste zabezpečili krátku cestu pre vysokofrekvenčné spätné prúdy.
- Oddeľovacie kondenzátory: Pre aplikácie s vysokým prúdom použite kombináciu hodnôt kondenzátora na pokrytie širokého frekvenčného rozsahu. Kondenzátory v rozsahu 10-100 nF sa zameriavajú na vysoké frekvencie, zatiaľ čo väčšie kondenzátory zvládajú nižšie frekvencie. Uprednostnite umiestnenie pre integrované obvody s kritickými požiadavkami na napájanie, ako napr. FPGA alebo procesory.
- Vyvážené vrstvenie: Zabezpečte symetrické rozloženie medi na každej vrstve, aby ste zabránili deformácii. Nevyvážená hmotnosť medi môže viesť k prehnutiu počas výroby.
- Optimalizácia priechodov: Priechody sú nepostrádateľné pri návrhu dosiek plošných spojov, najmä pri zložitých viacvrstvových doskách. Existujú rôzne typy priechodov:
- Priechody cez dieru: Najbežnejší typ, pokrývajú celú hrúbku PCB.
- Slepé a pochované Vias: Slepé priechody pripoja povrch k vnútornej vrstve, pričom zakopané priechody spoja dve vnútorné vrstvy bez toho, aby dosiahli povrch.
- Mikrovias: Typicky používané v doskách High-Density Interconnect (HDI), majú menšie priemery a môžu pokrývať iba jednu vrstvu.
- Kolmé smerovanie cez vrstvy: Pri smerovaní cez viacero vrstiev smerujte kritické signály kolmo na seba na susedné vrstvy, aby ste znížili kapacitné spojenie. Ochranné stopy pre vysokorýchlostné signály sú účinné len s riadnym uzemnením.
- Riadenie impedancie v dizajnoch so zmiešaným signálom: Pri usporiadaní dosiek plošných spojov pre návrhy so zmiešaným signálom, kde koexistujú analógové a digitálne signály, je riadenie impedancie nevyhnutné na zabezpečenie integrity signálu.
- Charakteristická impedancia: Typické hodnoty sú 50 ohmov pre jednokoncové stopy a 100 ohmov pre diferenciálne páry.
- Diferenciálna impedancia: Je špecifická pre spárované signály, zvyčajne okolo 100 až 120 ohmov.
- Jednostranná impedancia: Vzťahuje sa na trasy, kde signál prechádza po jedinom vodiči.
- Impedancia bežného režimu: Predstavuje impedanciu signálu spoločného režimu medzi dvoma vodičmi vzhľadom na zem.
- Kontrolovaná impedancia: Je nevyhnutná pre vysokofrekvenčné obvody.
- Impedančné prispôsobenie: Minimalizuje odrazy na rozhraní medzi komponentmi alebo obvodmi.
- Výrobné tolerancie a simulácie: Vyhnite sa príliš prísnym toleranciám, ktoré môžu spôsobiť výrobné problémy. Vyhnite sa ostrým vnútorným rohom, ktoré môžu viesť ku koncentrácii stresu. Simulujte celú sieť distribúcie energie (PDN) a vykonajte tepelnú a stresovú simuláciu pre spoľahlivosť.
tags: #dip #trape #navrh #plosnych #spojov