Основные принципы, соображения и методы проектирования и трассировки печатных плат.

Разработка компоновки и трассировки печатных плат — это ключевой процесс проектирования аппаратного обеспечения, включающий размещение компонентов и нанесение проводящих дорожек на печатную плату, что напрямую влияет на производительность, надежность и электромагнитную совместимость схемы. Ниже приведены ключевые принципы, соображения и методы проектирования печатных плат, разделенные на две части: компоновка и трассировка:

I. Принципы и методы компоновки

1. Зонирование и планирование

● Зонирование по функциональным модулям: таким как источник питания, аналоговые, цифровые, радиочастотные и т. д., для предотвращения взаимных помех.

● Планирование потока сигналов: компоновка в соответствии с потоком «вход → обработка → выход» для уменьшения перекрестных помех.

● Изоляция чувствительных цепей: Защита источников помех для высокочастотных, тактовых, сигналов сброса и других сигналов.

2. Приоритизация критически важных и функциональных групп компонентов.

● Сначала установите компоненты с фиксированным положением: такие как разъемы, переключатели, индикаторные лампы и т. д.

● Центрирование основных компонентов: таких как микроконтроллеры, ПЛИС и т. д., размещение соответствующих схем вокруг них.

● Компоненты, выделяющие тепло: Учитывайте рассеивание тепла: Предусмотрите место для отвода тепла, разместив их ближе к краям или радиаторам.

3. Схема расположения блока питания

● Компактная компоновка: размещайте преобразователи постоянного тока, линейные стабилизаторы напряжения и т. д. как можно ближе к нагрузке, чтобы уменьшить площадь контура.

● Размещение фильтрующих конденсаторов: Размещайте большие конденсаторы (например, электролитические) на значительном расстоянии, а малые конденсаторы (например, керамические) — близко к выводам питания микросхемы.

4. Схема развязывающего конденсатора 

● Разместите их как можно ближе к выводам питания микросхемы (на одном слое) и соедините переходные отверстия напрямую с плоскостью питания/заземления.

● Используйте несколько небольших конденсаторов, соединенных параллельно (например, 0,1 мкФ + 0,01 мкФ), чтобы охватить более широкий частотный диапазон.

5. Высокочастотные и тактовые схемы

● Разместите микросхему тактового генератора близко к целевому устройству и укоротите дорожки.

● Разместите кварцевый резонатор/генератор близко к микросхеме, не допускайте прокладки дорожек под ним и используйте экранирование заземления.

II. Принципы и методы маршрутизации

1. Ширина и ток трассы.

● Расчет ширины силовой линии: Рассчитайте ширину в соответствии с текущим током (например, 1 А/мм²), оставив запас.

● Ширина сигнальной линии: обычно 4-8 мил; линии управления импедансом рассчитываются на основе структуры каскадов.

2. Угол трассировки

● Избегайте острых углов (<90°), отдавайте предпочтение углам 45° или закругленным линиям, чтобы уменьшить резкие изменения импеданса.

3. Дифференциальная парная маршрутизация

● Используйте равнодлинные, равноудаленные, параллельные дорожки, при этом разница в длине обычно не превышает 5 мил.

● Избегайте пересечения разделенных опорных плоскостей для обеспечения стабильности импеданса.

4. Целостность сигнала

● Критические сигналы (например, тактовый сигнал, высокоскоростные данные) должны быть короткими и прямыми, с минимальным количеством переходных отверстий.

● Для уменьшения перекрестных помех трассы смежных слоев должны быть ортогональными.

● Правило 3W: Расстояние между дорожками должно быть не менее чем в 3 раза больше ширины дорожки для уменьшения связи.

5. Плоскость заземления и обратный путь

● Обеспечьте целостность заземляющей плоскости и избегайте пересечения сигнальных линий с раздвоенными заземляющими плоскостями.

● Обеспечьте непрерывный опорный слой грунта под высокоскоростными сигналами, чтобы гарантировать кратчайший обратный путь.

6. Путем использования

● Используйте несколько силовых переходных отверстий, соединенных параллельно, для снижения импеданса.

● Уменьшите количество переходных отверстий для высокоскоростных сигналов (обычно ≤ 2).

● Избегайте использования переходных отверстий на контактных площадках (за исключением BGA-компонентов); переходные отверстия внутри контактных площадок требуют обработки для заполнения.

7. Маршрутизация по принципу дерева степеней свободы

● Маршрутизация по типу древовидной топологии для предотвращения помех от синфазного сигнала.

● Одноточечное соединение для аналогового/цифрового заземления (обычно с использованием резистора 0 Ом или ферритового стержня).

III. Вопросы проектирования с учетом электромагнитной совместимости/электромагнитных помех

● Экранирование и фильтрация: Используйте экранирующие крышки или заземляющие переходные отверстия для изоляции радиочастотных сигналов, тактового сигнала и т. д.

● Обработка краев платы: Держите чувствительные сигналы подальше от краев платы, чтобы предотвратить излучение.

● Стратегия заземления: Используйте единую плоскость заземления для многослойных плат и правильно разделите заземления для смешанных сигналов.

IV. Контрольный список (после компоновки и маршрутизации)

● Проверка DRC: ширина дорожек, расстояние между ними, диаметр переходных отверстий и т. д. должны соответствовать требованиям технологического процесса.

● Проверка подключения: Отсутствуют неподключенные сети.

● Целостность электропитания: низкоимпедансные силовые цепи, падение напряжения соответствует требованиям.

● Целостность сигнала: Непрерывное сопротивление для высокоскоростных сигналов, отсутствие значительных отражений или перекрестных помех.

● Тепловая конструкция: Беспрепятственный отвод тепла от компонентов, выделяющих тепло.

● DFM: Расстояние между компонентами соответствует требованиям пайки, точки маркировки, технологические кромки и т.д. выполнены.

V. Передовые методы

● Используйте заземляющие переходные отверстия: Размещайте заземляющие переходные отверстия вблизи переходов сигнального слоя, чтобы обеспечить обратный путь.

● Технология глухих/скрытых переходных отверстий и HDI-технология: Платы высокой плотности позволяют уменьшить количество слоев и повысить производительность.

● Помощь в моделировании: Выполняйте моделирование SI/PI для критически важных сигналов с целью оптимизации параметров маршрутизации.

Краткое содержание: 

Разработка и трассировка печатных плат требуют баланса между электрическими характеристиками, производственными затратами и сложностью конструкции. На практике следует придерживаться порядка «сначала трассировка, затем разводка; сначала критически важные сигналы, затем общие сигналы», а корректировки следует вносить гибко в зависимости от конкретных характеристик схемы. Для высокоскоростных, высокочастотных или высокоточных схем рекомендуется обращаться к рекомендациям производителя микросхем и проводить моделирование для проверки.

Если вам нужны печатные платы и платы сборки, пожалуйста, свяжитесь с компанией Benlida! Benlida — профессиональный производитель печатных плат и плат сборки, предоставляющий услуги EMS (Electronics Manufacturing Service) уже 14 лет. Благодаря современному оборудованию и опытной команде инженеров, Benlida стремится предоставлять превосходное обслуживание клиентам по всему миру!

Об авторе:

Соник Янг

Компания Sonic, специализирующаяся на электронике и механической автоматизации, около 22 лет занимается проектированием печатных плат, исследованиями и разработками, а также производством электроники. В качестве инженера-руководителя она координирует работу с цепочкой поставок (компоненты и детали, изготовленные на станках с ЧПУ), предоставляя профессиональную поддержку и консультации клиентам по всему миру.