Jste zde

Design desky plošných spojů - Jak správně rozmístit součástky na DPS (2. část)

SOS Electronic, 27. Duben 2017 - 7:18

Rozmístění součástek je důležitý krok, jehož cílem je eliminovat rušivé napětí a vyzařování a zvýšení odolnosti vůči vnějšímu rušení. Jaké jsou základní principy si řekneme v 2. části našeho seriálu o návrhu desek plošných spojů.

Základní zásada je umístit vysokou logiku blíže ke konektoru a pomalejší logiku dále od konektoru. Někdy se nedají splnit všechna doporučení, ale je třeba vždy hledat kompromis a splnit alespoň jedno pravidlo, resp. co nejvíce, pokud je to možné.
Mezi základní principy rozmísťování součástek patří především:

Rozmístění součástek směrem od vyšší k nižšíšířce frekvenčního pásma.
Vzájemné fyzické oddělení jednotlivých funkčních bloků (analogové, číslicové, V/V obvody, napájení…).
Minimalizace vzdáleností za účelem minimalizace proudových smyček.

Velmi důležité je zemnění. Rozlišujeme dva druhy připojování uzemňovacích vývodů součástek ke společnému potenciálu (GND):

Jednobodové sériové – A
Jednobodové paralelní – B
Vícebodové – C

Vícebodové zemnění je vhodné pro vysokofrekvenční a tedy i číslicové aplikace. Předpokládá použití vícevrstvé desky. Pořadí a tloušťka jednotlivých vrstev desky se řídí podle požadované celkové impedance desky (Z0 = 50 ?). Předpokládá existenci souvislé vodivé plochy GND alespoň v jedné samostatné vrstvě plošného spoje. Princip spočívá v tom, že každý vývod součástky, který má být propojen s GND potenciálem je nejkratším přívodem spojen s vodivou plochou. Stejné doporučení bychom měli aplikovat na připojování napájecích vývodů součástek. Použití vodivé plochy pro společný vodič (GND) má za následek minimalizaci proudových smyček a snížení parazitní indukčnosti vodivých spojů na desce.
Blokování napájecích přívodů elektrických obvodů pomocí kondenzátorů patří spolu se zemněním k nejdůležitějším pravidlům, kterým je třeba věnovat pozornost při návrhu desky plošných spojů. Nutnost použití blokovacích kondenzátorů vyplývá z předpokladu, že "každý napájecí zdroj se nachází daleko od spotřebiče". Předpokládejme, že impulzní spotřeba hradla HCMOS je 15 mA po dobu 3,5 ns, zpoždění signálu na plošném spoji (a tedy i napájecího proudu) je větší než 0,1 ns/cm, reakční doba stabilizátoru na skokovou změnu spotřeby je řádově ~ 1 µs. Pak je třeba hradlu dodávat energii z velmi blízkého a pohotového zdroje napětí, kterým je blokovací kondenzátor. Správná funkce blokovacích kondenzátorů závisí na hodnotě kapacity a poloze kondenzátoru na desce.

Podle funkce rozlišujeme tři druhy blokovacích kondenzátorů:

Filtrační (Bypassing) – slouží jako širokopásmový filtr pro napájení celé DPS nebo její části. Eliminuje vliv indukčnosti přívodů od napájecího zdroje (C1, C2, C8; C1 a C8 ? 10µF až 1000µF).V rámci možnosti desky vždy zvolit co největší kapacitu.
Lokální (Decoupling) – slouží jako lokální zdroje energie pro součástky, redukují impulsní proudy, které by protékaly celou DPS. Tyto kondenzátory musí mít vynikající vysokofrekvenční vlastnosti. Je třeba je umístit co nejblíže k vývodu součástky. (C4, C5, C6, C7 ? 100pF až 0,1µF)
Skupinové (Bulk) – slouží jako zdroj energie pro současné nabíjení několika kapacitních zátěží. V blízkosti mikroprocesoru je umístěn C3 ? 10µF.
Blokovací kondenzátor musí být umístěn vždy na cestě mezi zdrojem a spotřebičem. Všechny spoje musí být navrženy tak, aby plocha plošných proudových smyček byla co nejmenší. Minimalizovat impedanci spojů (především parazitních indukčností L1 až L4) co nejkratšími spoji použitím vodivých ploch. Parazitní indukčnosti se automaticky eliminují.

Co v případě číslicových obvodů?

Opatření pro kvalitní návrh desky plošných spojů pro číslicové aplikace začínají již při obvodovém návrhu (návrhu elektrického schématu zapojení). Je třeba minimalizovat impulsní proudy. Snažit se o co nejmenší počet současně přepínaných hradel číslicových integrovaných obvodů. Je to převážně softwarová záležitost. Vybrat vhodnou logickou řadu z hlediska vstupních kapacit a impulsní proudové spotřeby. Vypočítat hodnoty blokovacích kondenzátorů (impulsní spotřeba, šumová imunita, zatížení výstupů). Také je potřeba ošetřit nepoužité vstupy integrovaných obvodů. Často se stává, že integrovaný obvod má více vstupů a výstupů, které nepoužijeme. Ty je třeba uvést do definovaného stavu.

Při návrhu bychom měli minimalizovat plochy proudových smyček, zejména vhodnou koncepcí sběrnic a napájení i rozložením signálů na vývodech konektorů, použitím SMD součástek (jsou menší než TH vývodové součástky), umístěním součástek napájecími vývody naproti sobě, možnost blokování napájení SMD kondenzátorem zespodu přímo v místě vývodů napájení integrovaného obvodu, nepoužíváním patic u velmi rychlých obvodů.

Co je třeba při návrhu desky zohlednit, aby nedocházelo k rušení činnosti zařízení?

Desku je třeba navrhnout tak, aby byl zachován princip elektromagnetické kompatibility (EMC). Elektromagnetická kompatibilita elektrického zařízení spočívá v tom, aby elektronické zařízení svou činností nerušilo jiná zařízení ve svém okolí a rovněž aby zařízení bylo odolné vůči rušení z okolí. Návrh desky z pohledu elektromagnetické kompatibility je činnost, která začíná již při návrhu elektrického schématu zařízení. Můžeme říci, že elektronické zařízení, které "nevyzařuje" je současně odolné vůči rušení.

Mezi základní pravidla návrhu plošného spoje z hlediska elektromagnetické kompatibility patří především:

Minimalizace hodnot proudů elektrických obvodů – dá se docílit volbou vhodných typů obvodů, výběrem obvodů z hlediska velikosti vstupních impedancí. Je třeba řešit již při návrhu schématu.
Minimalizace frekvenčního spektra – nepoužívat zbytečně rychlé obvody (náběžné a doběžné hrany), zbytečně rychlou datovou komunikaci… Rovněž je třeba řešit již při návrhu schématu.
Filtrace a ochrana napájení a vstupních/výstupních svorek – ochrana před ESD (Electrostatic Discharge) a řešení přechodových jevů, omezení vyzařování do vedení.
Minimalizace proudových smyček, respektive délek spojů – proudové smyčky můžeme minimalizovat vhodným rozmisťováním součástek, vhodným vedením plošných vodičů, zemněním, správnou konfigurací napájení (rozvodem napájení na desce), správným blokováním napájení pomocí blokovacích kondenzátorů…
Stínění – potlačení vyzařování a zároveň zvýšení odolnosti.

Návrh desky plošných spojů z pohledu EMC je relativně složitá činnost. Nelze však vždy dopředu říci, že když se to udělá tak a tak, bude to fungovat. Obecně platí, že pokud budou dodržena určitá doporučení, můžeme s klidným svědomím říci, že jsme udělali vše pro to, aby to bylo dobře.