Konstrukce elektronického systému Soubor

Zásady konstrukce elektronického
systému
(s využitím metod CAD)
Aplikovaná elektronika
Možnosti elektronické konstrukce
• prostorová montáž
(první polovina 20. století)
• plošná montáž
(od 50-tých let po současnost)
• ovíjené spoje,(kombinace s plošnou montáží)~ ( 1965 – 1995)
29.2.2012
2
Ukázky prostorové montáže elektronické konstrukce
Používané technologie při montáži
• prostorová montáž
• plošná montáž – plošné spoje (DPS)
• ovíjené spoje
• ostatní
Možnosti a výhody plošné montáže
•
•
•
•
•
•
•
•
mechanická podpora součástkám s odolností proti vibracím
dokonalé propojení součástek
reprodukovatelnost pro každý opakovaný výrobek
možnost volby figury pro požadovanou odezvu (L,C,R)
snadná přístupnost signálů pro testování
snadná automatizace výroby
nepájivé masky a popisy spojů pro osazování a opravy
SMT zahrnuje všechny tyto výhody a přidává další
29.2.2012
NEZ - spoje
5
Tradiční postup při návrhu elektronického zařízení
• Analýza problému
• Volba způsobu zpracování informace v celé sestavě (co
zpracovat analogové a co digitálně)
• Vlastní návrh obvodového řešení, výpočty a hledání
vhodné součástkové základny pomocí katalogů a firemní
literatury
• Stavba elektronického modelu pro ověření vhodnosti
návrhu
• Testování a úpravy zapojení, překreslování dokumentace,
návrh plošného spoje a veškeré výrobní dokumentace
• Osazení plošného spoje, testování a oprava
dokumentace při případných chybách
• Příprava sériové výroby
Postup při CAD elektronickém návrhu
• Analýza problému
• Volba způsobu zpracování informace v jednotlivých
blocích i celé sestavy (co digitálně a co analogově)
• Kreslení základního schématu elektronickým editorem,
který současně tvoří databázi všech spojů, typů
použitých součástek a jejich pouzder
• Simulace obvodu pomocí speciálních programových
modulů vyřeší obvykle většinu návrhářských chyb
• Návrh plošného spoje pomocí speciálního programového
modulu a současně i tvorba veškeré výrobní
dokumentace
• Testování vyrobeného prototypu, oprava nebo úprava
možných chyb ve schématu a automatické generování
upraveného plošného spoje
• Úprava dokumentace se generuje automaticky při každé
změně schématu i plošného spoje
 Soustava spojových čar
 Vysoká hustota součástek
 Vícevrstvé spoje
 Malé množství pájky
 Nutnost odleptat velké množství mědi
 Soustava dělících čar
 Leptá se malé množství mědi
 Vhodné pro malou složitost propojení
 Aplikace zejména pro výkonové části zapojení
 Kombinované metody propojování
 Nejčastěji soustava spojovacích čar v kombinaci s
tzv. „rozléváním mědi“
Terminologie:
pin
-
pad
–
Via
Track
Routing
29.2.2012
pájkovatelný vývod součástky
nebo modulu
místo, kde je pin umístěný na DPS
a jeho tvar je volitelný
prokovená díra mezi danými
vrstvami DPS
spojovací pásek mědi mezi pady
vytváření spojovacích cest mezi
piny (pady) součástek
–
–
–
NEZ - spoje
8
Zásady pro návrh figury
Princip vrstev – plošný spoj obsahuje mnoho vrstev s různými účely.
•Vedení spojů
•Nepájivé masky
•Pájecí pasta
•Obrysy součástek
•Servisní potisk
•Osazovací výkres
•Vrtací výkres
•Data pro NC vr.
Top, Bottom, Gnd, Pwr, Inner1..2…
Solder MaskTop, Bottom (SMTop, SMBot)
Solder Paste Top, Bottom (SPTop, SPBot)
Place Outline
Silkscreen Top, Bottom (SSTop, SSBot)
Assembly Top, Bottom
(ASTop, ASBot)
Drill drawing (DRD)
Drill
Knihovny pouzder: Každá součástka musí mít definované pouzdro,
které určuje geometrické rozměry součástky a polohu všech vývodů (padů)
29.2.2012
NEZ - spoje
9
Obrys pouzdra , plošky na pájení (pady), servisní potisk
 Modulový rastr je základní souřadnicová síť poloha jednotlivých
padů je v průsečíku rastru (alespoň u nižších konstrukčních tříd)
 Třída přesnosti udává základní rozměrové parametry pro
umisťování součástek a vedení spojů
 Isolační vzdálenosti jsou určeny zejména konstrukční třídou a
jsou navrženy s ohledem na elektrickou pevnost podkladové
vrstvy
 Šířka spoje je v zásadě určena třídou přesnosti, ale proudová
hustota v jednotlivých spojích je určujícím kriteriem
10
 Prokovy (via) jsou vodivé průchody mezi různými vrstvami a jejich
velikosti a další parametry jsou v definici dané konstrukční třídy
 Termální plošky - v případě je-li pad součástí velké plochy mědi, je
nutno zajistit dokonalé vodivé spojení a současně tepelné oddělení
padu od plochy spoje. To se provádí právě termálními ploškami
11
Jedno a vícevrstvé desky plošných spojů
29.2.2012
NEZ - spoje
12
29.2.2012
NEZ - spoje
13
Třída přesnosti
4
5
6
Šířka spoje (w)
12
8
6
Isolační vzdálenost (Isol)
12
8
6
Průměr vrtáku (dV)
28
20
16
Průměr padu (dpad)
dV + 24
dV + 16
dV + 12
Průměr nepájivé masky (dSMASK)
dpad + 10
dpad +8
dpad + 6
29.2.2012
14
Definice typických motivů spojů pro vyšší
třídy přesnosti (4,5,6)
29.2.2012
NEZ - spoje
15
Elektrické vlastnosti plošného spoje
Zatižitelnost plošného spoje
Proudové hustoty jsou mnohonásobně vyšší proti normálním kruhovým
vodičům vzhledem ideálnímu poměru ochlazovací plochy k jeho průřezu.
Dosahuje se až 800 A/mm²
Šířka spoje w
(mm)
Mezní proud
(A)
Dovolený proud
(A)
Odpor (Ω/cm)
1
5
0,8
0,0048
1,5
10
1,2
0,0032
2
12
1,6
0,0024
3
15
2,4
0,0016
6
23
4,8
0,0008
Platí pro tlouštku měděného pásku 35 µm
Používané tlouštky Cu:
8, 17, 35, 75, 100 µm
29.2.2012
NEZ - spoje
16
Oteplení páskového vodiče
Platí pro tloušťku vodiče 35µm
29.2.2012
NEZ - spoje
17
Indukčnost mezi spoji na DPS
Vzájemná indukčnost (pH/cm), t/s se udává v tisícinách
29.2.2012
NEZ - spoje
18
Kapacita dvou páskových vodičů
Z grafu nejprve určíme konstantu K1 a kapacitu na jednotku délky vypočítáme ze
vzorce
C/l
29.2.2012
𝑝𝐹
=8.85.𝜀𝑟 .𝐾1 [ ]
𝑚
19
Využití elektrických vlastností spojů pro tvorbu
součástek
29.2.2012
20
Využití elektrických vlastností spojů pro tvorbu
součástek
29.2.2012
21
Tvorba indukčností na plošném spoji
5
3
L  K .a.N . log
8a
[ H , cm]
c
a – střední poloměr cívky v cm
c - šířka středního závitu
N – počet závitů
K – konstanta (0,049 pro kruhovou
cívku a 0,055 pro čtvercovou
29.2.2012
a = (B+D+b+d)/8
K = 0,048
22
Vysokofrekvenční vlastnosti páskových vodičů
Každý páskový vodič má určitou L/m a C/m. Hodnoty jsou určeny
vzájemnou polohou sousedních pásků. Proto se páskový vodič chová
jako homogenní vedení s charakteristickou impedancí:
L/l
Z0 
( )
C /l
Šíření signálu na plošném spoji se určuje:

1
(m / s )
L.C
1,1
Podobně zpoždění průchodu signálu tpd na jednotku délky se určí:
t pd 
1


L.C
( s / m)
1,1
Při vysokých frekvencích homogenní vedení s těmito parametry může
být příčinou disfunkce celého zařízení
29.2.2012
23
Páskový vodič při přenosu vf. signálu
Cílem optimálního návrhu figury je proto spoj s minimální charakteristickou
impedancí Zo. Pro splnění tohoto požadavku je nutné, abychom navrhli všechny
spoje jako „vodiče krátké“. Jaké jsou podmínky pro šíření vf. signálů na desce
plošných spojů?
Horní mezný kmitočet fmax impulzních signálů s délkou hran tr je určen:
f max 
0.35
tr
Požadavky na spoj: - pokud nemá dojít ke zkreslení signálu, musí spoj
přenášet bez útlumu a s fázovým posunem úměrným kmitočtu všechny
kmitočty až do fmax .
Mez realizovatelnosti spoje jednoduchým vodičem bez definovatelné vzdálenosti
od GND: - Pokud je délka vlny λmin při frekvenci fmax alespoň 100 krát větší
než délka přenosové cesty h, lze přenos realizovat jednoduchým vodičem.
Platí:
v[m / ns]
min 
f max
kde v < 0,3 [m/ns]. Odtud vychází, že kritická doba náběhu tr pro přenos signálu
bez zkreslení vodičem o délce hmax:
29.2.2012
24
Odtud vychází, že kritická doba náběhu tr pro přenos signálu bez zkreslení
vodičem o délce hmax je :
tr 
0.35 35

.hmax  116.hmax [ns, m]
f max 0.3
„Krátký vodič“
Vodič , u něhož odražený signál na konci vedení zanikne ještě v době trvání budícího
signálu. Mezi délkou vodiče a dobou náběhu impulzu tr empiricky platí:
Délka vodiče l (inch) nesmí přesáhnout dobu náběhu tr (ns)
29.2.2012
25
Př.
TTL má délku tr = 20 ns
ECL, ALS, HCMOS,…
lkrit=cca 50 cm
lkrit =cca 10 cm
Doporučení pro snížení charakteristické impedance Zo
 Co nejkratší délka spoje
 Umístit zemní vodiče do všech nevyužitých ploch (rozlévaná měď)
 Blokovací C u všech rychlých součástek
 Použít vícevrstvý spoj, kde vnitřní spoje jsou využity pro napájení
Literatura: Záhlava Vít , Metodika návrhu plošných
spojů, skripta ČVUT
29.2.2012
26