Методика разработки топологии печатной платы

Исходными данными для разработки топологии печатной платы являются:

- принципиальная электрическая схема устройства и перечень элементов к ней;

- физические и и электрические характеристики каждого элемента;

- конструкция корпуса каждого элемента;

- технологические ограничения, обусловленные процессом изготовления;

- технические требования к электрическим параметрам отдельных компонентов и к конструкции в целом;

- предпочтительная конструкция узла.

Процесс проектирования топологии делят на несколько этапов:

Составление схемы соединений элементов. На данном этапе разработ­ки топологии производится анализ принципиальной электрической схемы устройства; упрощается схема соединений элементов (уменьшается число пересечений проводников, сокращается их длина); определяется располо­жение навесных компонентов; выбирается оптимальнее взаимное распо­ложение навесных компонентов, удовлетворяющее конструктивным и электрическим требованиям; составляется схема со­единений элементов, которая впоследствии реализуется методами выбранной технологии изготовления печатной платы. Все перечисленные действия не должны нарушать функ­ционального построения исходной электрической схемы устройства.

Выбор и размещение навесных компонентов на плате. Вначале определяют ориенти­ровочную площадь подложки по формуле

где k – коэффициент использования площади платы (для ориентировочных расчетов k =2 ¸ 3);

- соответственно площадь i -го резистора, конденсатора, индуктивности, контактной площадки и других применяемых компонентов;

n, m, s, l, p – число соответственно резисторов, конденсаторов и т.д.

Затем по вычисленной ориентировочной площади выбирают размер платы. Конфигурация и габаритные размеры ПП зависят от габаритных размеров разрабатываемого изделия, электрической схемы, применяемых навесных элемен­тов, эксплуатационных требований, предъявляемых к изделию, технико-эконо­мических показателей. Предпочтительной является прямоугольная форма ПП.

В заключение данного этапа решается задача размещения на плате всех элементов и навесных компонентов. Способы и после­довательность решения этой задачи могут быть различными. Они во мно­гом определяются опытом разработчика и носят индивидуальный харак­тер. Трассировка печат­ных проводников, как и размещение элементов, в настоящее время выполняют машинными методами. Проводимая лабораторная работа имеет учебные цели, так как только четко представляя процессы проектирования, студент сможет грамотно выполнить анализ результатов автоматизированного конструирования и своевременно внести необходимые изменения.

Навесные элементы необходимо размещать с учетом электрических связей и теплового режима с обеспечением минимальных значений длин электрических связей, количества переходов печатных проводников со слоя на слой, паразит­ных связей между навесными элементами. Необходимо также стремиться к воз­можно равномерному распределению масс навесных элементов по поверхности платы с установкой элементов с большой массой вблизи мест механического крепления платы. Установочные размеры и варианты установки навесных эле­ментов выбирают в соответствии с действующими стандартами на установку навес­ных элементов.

Трассировка соединений является наиболее трудоемким этапом технического проектирования печатной платы. Трассировка заключается в соединении между собой контактов каждого из элементов или комплексов.

Основными ограничениями при трассировке является недопустимость пересечения в одном слое проводников различных цепей и метрические ограничения, связанные с ограниченным объемом монтажного пространства и размерами про­водящих соединений.

При трассировке учитываются следующие параметры:

- суммарная длина соединений,

- число межслойных переходов,

- число узлов в со­единениях,

- взаимные наводки трасс различных цепей,

- число слоев проводящих соединений.

Трассировка соединений после компоновки элементов должна выполняться так, чтобы обеспечивались заданные электрические параметры изде­лия. Для этого нужно выделить на схеме цепи сигнала, питания и корпуса («земли»), чтобы определить необходимые требования по трассировке проводни­ков для каждой из этих цепей. Следует учитывать функциональное назначение узлов РЭА, размещаемых на ПП.

Например, для разнообразных логических ячеек, цифровых устройств (триггеров, мультивибраторов, дешифраторов и др.) наиболее важным требова­нием при их реализации является быстродействие схемы. Это ограничивает общую суммарную длину всех проводников и в первую очередь цепей сигнала, поскольку длина соединений влияет на время распространения сигнала. В сим­метричных схемах (триггер, мультивибратор и т. п.) симметрия должна соблю­даться в конструкции ПП, т. е. необходима симметричная трассировка провод­ников на плате. В таком случае вносимая в схему монтажная емкость приблизи­тельно одинаковая и не нарушает процесса правильного переброса схемы из одного состояния в другое и обратно.

Наиболее критичными к взаимовлиянию цепей являются различного рода усилительные схемы, в которых наводки часто приводят к самовозбуждению схемы. Для уменьшения наводок требуется разносить входные и выходные цепи по возможности дальше друг от друга, для чего часто используется расположение каскадов в «линейку».

Наряду с обеспечением заданных электрических параметров изделия трас­сировка должна обеспечивать проведение наибольшего числа соединений при ограниченных размерах монтажного пространства.

Проводящий рисунок печатной платы, разработанный в результате трас­сировки соединений, должен удовлетворять следующим требованиям:

- соответ­ствовать принципиальной электрической схеме;

- всем конструктивным, техноло­гическим и электрическим требованиям;

- обеспечивать нормальную работу схемы при соответствующих условиях эксплуатации и удобство сборочно-монтажных и регулировочных работ.

При размещении элементов и компонентов на подложке необходимо учитывать конструкторские требования и технологические ограничения. Основные ограничения, касающиеся технологии изготовления, приведены ниже:

Минимальная ширина проводни­ков, мм 0, 2 0, 1

Размеры контактных площадок для монтажа навесных

компонентов с шариковыми или

стол­биковыми выводами, мм 0, 2х0, 2

Минимальное расстояние между контактными

площадками для припайки и приварки прово­лочных 0, 2 0, 1

выводов, мм

Минимальные размеры (мм) периферийных контактных

площа­док при шаге их расположения

1, 25 мм 1 х 0, 4

2, 5 мм 1 х 0, 4

Максимальная длина гибкого проволочного проводника

без дополнительного крепления, мм 3

Минимальное расстояние (мм) от края платы до:

края навес­ного компонента 0, 5

края проводника 0, 2

Зазор между выводами монтируемых в отверстия

и на поверхность элементов должен быть не менее, мм 1

Расстояние между выводом, монтируемым в отверстие, и

проводниковой дорожкой, не менее, мм 0, 5