Общие вопросы трассировки печатных плат
Перед тем как приступить к этапу трассировки необходимо загрузить список цепей и
проект библиотеки с посадочными местами в редактор печатных плат,
сформировать контур печатной платы, выполнить компоновку. Кроме того, важным этапом предшествующим
компоновке и трассировке является настройка редактора печатных плат.
Далее рассмотрим этот вопрос подробнее на примере САПР Altium Designer.
Прежде всего, необходимо определить правила проектирования печатных плат.
На рисунке 1 приведены все доступные правила проектирования.
Рисунок 1
Как правило, конструктор применяет те из них, которые оказывают влияние на интерактивную трассировку,
которая применяется как эффективный метод реализации топологии. Именно интерактивная трассировка,
по сравнению с ручной трассировкой, позволяет в режиме «реального времени» отслеживать прокладку печатных проводников
в соответствии с заданными настройками в редакторе правил проектирования. Следует отметить, что правила проектирования
печатных плат должны соответствовать определенному классу точности печатной платы, требованиям технического задания,
а также технологическим требованиям предприятия-изготовителя, на котором будет реализована спроектированная печатная плата.
В первой группе - Electrical (электрические), расположены правила, учитывающие электрическое соединение компонентов.
Для интерактивной трассировки для этой группы представляет интерес правило Clearance (Зазоры) – см. рисунок 2.
Здесь задаются минимально допустимые зазоры для заданного класса точности между конструктивными элементами печатной платы.
Так для простой (simple) настройки это: зазоры между проводниками (Track to Track),
зазоры между планарной контактной площадкой и проводником (SMD Pad to Track),
зазоры между планарной контактной площадкой сквозного отверстия и проводником (TH Pad to Track),
зазоры между сквозным отверстием и проводником (Via to Track) и так далее.
Рисунок 2
Во второй группе - Routing , расположены правила, которые в большей степени учитываются при
интерактивной трассировке. Это, прежде всего, настройка правил для ширины печатного проводника - Width (см. рисунок 3).
Здесь задаются минимальное, максимальное и рекомендованное значения. При интерактивной трассировке автоматически
берется рекомендованное значение, тем не менее, в процессе трассировки можно переключаться на другую ширину
печатного проводника из заданного в правилах диапазона.
Рисунок 3
Также необходимо настроить стиль переходных отверстий – Routing Via Style (см. рисунок 4).
Здесь, аналогично правилам Width, задаются минимальное, максимальное и рекомендованное значения диаметра отверстия и его контактной площадки.
Рисунок 4
Кроме того, необходимо настроить правило для угла изгиба проводников Routing Corners (см. рисунок 5).
Рисунок 5
Если в проекте имеются дифференциальные цепи, то следует задать правила проектирования и для них в подгруппе
Differential Pairs Routing (см. рисунок 6).
Рисунок 6
После настройки правил проектирования можно приступить к компоновке электронных компонентов в пределах контура (габаритов печатной платы),
а затем к трассировке.
Как правило, в списке цепей, загруженных в редактор печатных плат, могут присутствовать: сигнальные цепи, цепи питания (VCC),
аналоговой «земли» (AGND), цифровой «земли» (DGND),
дифференциальные цепи, DDR-цепи. Рекомендуется сначала осуществлять трассировку сложных цепей, таких как дифференциальные цепи, DDR-цепи.
Далее следует трассировать сигнальные цепи, а затем цепи питания и земли, которым отводятся отдельные слои (как правило, внутренние),
выполненные в виде медных полигонов.
Ниже приводится перечень рекомендаций по трассировке печатных плат:
- Принцип минимизации длины соединений. Сигнальные проводники выполняйте максимально короткими.
- При переходе со слоя на слой, размещайте горизонтальные проводники на одной стороне печатной платы,
а вертикальные на другой, либо соблюдайте этот принцип в местах пересечения проводников
угол пересечения 90 градусов, проводники на верхней стороне печатной платы не должны выполняться параллельно проводникам на противоположной стороне).
- Ширину печатного проводника выполняют в зависимости от протекающего тока.
Для слаботочных аналоговых и цифровых цепей их выполняют, как правило, шириной 0,25 мм,
что соответствует 3 классу точности печатных плат. Для цепей, по которым течет ток больше 0,3 А,
ширину проводников следует увеличить. При выборе ширины сигнального печатного проводника используют правило 3/4:
ширина проводника, подключаемого к контактной площадке не должна превышать ширину контактной площадки умноженную на 0,75.
Для силовых цепей правило 3/4 можно не применять и использовать большую ширину печатного проводника.
- Правильно располагайте переходные отверстия относительно контактных площадок и печатные проводники
между контактными площадками (см. рисунок 7).
Рисунок 7
- Соединения между контактными площадками микросхем должны трассироваться вне зоны пайки.
В противном случае неправильная трассировка приведет к некачественному контакту (см. рисунок 8).
Рисунок 8
- Правильно подсоединяйте печатные проводники к контактным площадкам SMD-компонентов
с учетом пайки с целью избежать поворота этого компонента. Стрелками на рисунке показано направление миграции припоя,
слева предпочтительный вариант, справа вариант, который может привести к повороту компонента (см. рисунок 9).
Рисунок 9
- При трассировке включите шаг сетки, совпадающий с шагом расположения компонентов
(как правило, с шагом микросхем) – 1,27 мм, 0,635 мм. Для компонентов с другим шагом сетки следует либо уменьшить шаг сетки, либо отключить привязку к сетке.
- При смене направления проводника следует применять угол изгиба 45 градусов или в виде дуги,
так как при повороте в 90 градусов ток распределяется неравномерно (как следствие, перегрев проводника),
кроме того на высоких частотах это приведет к тому, что данная часть схемы будет работать как антенна (см. рисунок 10).
Рисунок 10
- Если печатная плата многослойная, то выполняйте цепи питания и земли в виде полигонов
(заливка медью желательно по всей площади печатной платы) и размещайте каждую из этих цепей
на отдельном внутреннем слое друг относительно друга. Если печатная плата двусторонняя,
то свободное пространство печатной платы, как на верхней стороне (Top), так и на нижней (Bottom),
выполнить в виде полигона, подключенного к цепи земли (GND). Цепи питания развести широкими максимально
прямолинейными проводниками без образования лишних перегибов и минимизацией количества сквозных отверстий между слоем Top и Bottom.
- Для печатных плат с более чем четырьмя слоями следует располагать высокоскоростные сигнальные
проводники между полигонами земли и питания, а низкочастотным отводить внешние слои.
- Следует разделять земли на аналоговую (AGND) и цифровую части (DGND) для подавления шума.
При этом нельзя допускать перекрытий аналоговых и цифровых полигонов. Однако разделение не означает электрической изоляции
аналоговой от цифровой земли, они должны соединяться вместе в узле с низким импедансом. Данный узел, будет являться выводом
заземления для систем с питанием от сетевого переменного напряжения или общим выводом для систем с питанием от постоянного напряжения.
Все сигнальные токи и токи питания в этой схеме должны возвращаться к этой земле в одну точку, которая будет служить системной землей.
При этом точка соединения должна располагаться максимально близко к месту входа тока питания на плату.
Здесь возможны три случая:
- одноточечное соединение для печатных плат, работающих в диапазоне частот от 1 Гц до 10 МГц
(последовательное соединение увеличивает импеданс земли) и при максимальной длине печатного проводника равной 1/20 длины волны;
- многоточечное соединение рекомендуется применять на высоких частотах,
так как такое соединение имеет меньший импеданс по сравнению с одноточечным соединением.
При этом следует учитывать, что если имеются на печатной плате функциональные узлы и высокочастотные и низкочастотные,
то ближе к земле располагают высокочастотные узлы, а низкочастотные располагают ближе к линии питания;
- комбинированное соединение рекомендуется применять, если на печатной плате имеется цифрой, аналоговый или силовой функциональные узлы.
- Шины питания и земли должны находиться под одним потенциалом по переменному току,
что подразумевает использование конденсаторов развязки и распределенной емкости. Следует отметить,
что развязывающие конденсаторы допустимо использовать на частотах более низких, чем частота их собственного резонанса,
до тех пор, пока их импеданс на этих частотах остается достаточно низким.
- Располагайте шины и полигоны аналогового питания над полигоном аналоговой земли (аналогично для шин цифрового питания).
Аналоговые сигнальные проводники располагайте над/под аналоговой землёй (AGND), следите, чтобы аналоговые сигнальные проводники пересекали
только аналоговые проводники.
- Правильно разделяйте контактные площадки от полигонов. Контактные площадки,
которые соединяются полигоном необходимо отделять термобарьером, который позволяет предотвратить
неравномерный прогрев площадки при пайке (см. рисунок 11).
Рисунок 11
- На высоких частотах (ГГц) полигоны в многослойной печатной плате нужно соединять в нескольких местах
сквозными отверстиями по принципу "клетка Фарадея" (см. рисунок 12).
Рисунок 12
- Не забывайте использовать термобарьеры для пайки для штыревых компонентов и SMD-компонентов,
подключенных к полигону залитому медью. Термобарьеры позволяют улучшить технологичность платы для процесса монтажа,
в особенности для пайки «волной припоя» (см. рисунок 13).
Рисунок 13
- Полигоны необходимо размещать с обеих сторон печатной платы равномерно.
Здесь следует различать сплошную заливку при реализации полигона и в виде сетки.
Сплошная заливка может привести к деформации печатной платы при неравномерном их распределении,
но позволяет получить меньший импеданс, по сравнению с заливкой в виде сетки.
При заливке в виде сетки следует применять шаг не более 13 мм.
- При реализации полигонов могут образовываться изолированные медные участки,
которые на высоких частотах могут создавать помехи. В связи с этим такие участки должны быть удалены.
После того как трассировка печатной платы выполнена, необходимо проверить корректность трассировки согласно
правилам проектирования, заданных в настройках правил проектирования. Для этого необходимо просто
запустить модуль проверки правил DRC (design rule checker).
Если ошибок не обнаружено, то этап трассировки печатной платы можно считать завершенным.
Дополнительно о трассировке печатных плат вы можете прочитать в статье, перейдя по ссылке
Основы трассировки печатных плат. Высокоскоростной дизайн. Часть 1.