4Proces realizácie DPS

Dosky plošných spojov sú základným kameňom konštrukcie akéhokoľvek elektronického obvodu. DPS sa používa na umiestnenie a primontovanie elektronických súčiastok zariadenia a poskytuje prostriedky na elektrické prepojenie týchto súčiastok.

Potrebné spojenia medzi drôtovými vývodmi na doske plošných spojov sa nazývajú spoje alebo sieť spojov.

Na návrh DPS sa používajú softvérové nástroje a poskytujú nakreslenie schémy, editor puzdier súčiastok, návrh usporiadania DPS a automatický plánovač spojov. Navyše väčšina z týchto programov poskytuje nástroje pre analógovo/digitálne simulácie a analýzy signálovej integrity. Niektoré komerčné softvérové nástroje sú dostupné na trhu od spoločností, ktoré sú expertmi vo vývoji softvérových balíkov v tejto oblasti ako napríklad Cadence, Altium, Mentor Graphics, Zuken or Cadsoft. Na druhej strane je možné nájsť veľa voľných nástrojov a použiť ich na ľahký vývoj jednoduchých obvodov ako napríklad Kicad alebo Eagle.

Návrh DPS zahŕňa niekoľko krokov, ktoré musia byť úspešne vykonané, aby sa dosiahol optimalizovaný obvod. Tieto kroky sú rozobrané v Tab. 2.

Tab. 2 - Návrh DPS. Hlavné kroky.
Kroky | Hlavná charakteristika
Naplnenie schematickej knižnice | Vytvorené schematické symboly súčiastok sú uložené v schematických knižniciach. Prečítanie technickej špecifikácie na identifikovanie vývodov (pinov) súčiastky. Nakreslenie symbolu súčiastky. Nakreslenie puzdra. Pridanie parametrov súčiastky.
Nakreslenie schémy | Umiestnenie symbolov súčiastok. Nakreslenie siete prepojení a zberníc medzi nimi. Umiestnenie, presunutie a editovanie elektronických súčiastok.
Vytvorenie dosky | Prevod schémy na nákres DPS. Veľkosť dosky a šírka spojov. Umiestnenie elektronických súčiastok a popisu. Definícia uzemňovacích plôch. Nakreslenie spojov: horizontálnych, vertikálnych a lomených pod špecifickým uhlom.
Umiestnenie súčiastok a spojov pre signály | Súčiastky by mali byť umiestnené podľa toho, s akými ďalšími súčiastkami sú prepojené na doske. Tepelné hľadiská, mechanické požiadavky a tiež integrita signálov a možnosti umiestňovania spojov musia byť vzaté do úvahy. Puzdra súčiastok sú nakonfigurované na doske. Všetky elektronické súčiastky, ktoré sú vzájomné prepojené, by sa mali umiestniť vo vzájomnom susedstve, ak je to možné. Každá umiestnená súčiastka obsahuje vývody, ktoré sú terminálmi a musia byť pripojené, aby bolo možné dokončiť návrh. Funkcie automatického plánovača spojov, ktoré sú poskytované mnohými programami na návrh DPS, sa môžu použiť v tomto kroku. Tieto funkcie sú užitočné, ale je ťažké dostať dobrý návrh len s použitím týchto automatických funkcií.
Editovanie dosky a kontrola | Kontrola navrhnutej dosky a identifikácia akýchkoľvek chýb. Väčšina softvérových návrhových nástrojoch obsahuje niekoľko funkcií na kontrolu dosky.
Vytvorenie výrobných dát pre dosku | Aby bolo možné dokončiť výrobu elektronického obvodu, je potrebné vytvoriť súbory pre výrobcov DPS.

Pri procese realizácie DPS musia byť vzaté do úvahy niektoré hľadiská. Nasledovné body sumarizujú niektoré z týchto podstatných problémov:

- Uzemňovacie plochy: Pre spätný prúd je potrebné naplánovať rozmerné uzemňovacie plochy, aby sa znížila impedancia pre vysokofrekvenčné prúdy a aby sa vyhlo parazitným odporom a indukčnostiam (najmä pri vysokých frekvenciách). Uzemňovacie plochy poskytujú prepojenie so zemou s nízkou impedanciou. Plocha prúdových slučiek sa musí minimalizovať oddelením uzemňovacej plochy a napájacej plochy. Ak je potrebné rozdeliť napájaciu plochu a viesť spoje medzi oddelenými napájacími plochami, najskôr by sa mali prepojiť tieto napájacie plochy. Mali by sa použiť súvislé uzemňovacie plochy vedľa napájacích plôch. V doskách obsahujúcich analógové a digitálne obvody a signály sa odporúča vždy použiť oddelené napájacie plochy (napájania) pre digitálne a analógové obvody.
- Návrh napájacích plôch/spojov a ich oddelenie: Napájacie plochy sa navrhujú podľa rovnakých pravidiel ako uzemňovacie plochy. Pri doskách s rozličnými obvodmi sa oddeľuje napájanie pre analógové a digitálne obvody dokonca, aj keď napätia sú rovnaké. Navyše, napájacia plocha pre digitálny obvod by sa nemala nachádzať nad napájacou plochou analógového obvodu.
- Vývody pre napájanie by mali byť pripojené k uzemňovacej ploche pomocou keramických kondenzátorov umiestnených čo najbližšie k napájacím vývodom integrovaného obvodu.
- Vysokofrekvenčné signály a riadenie impedancie: Vysokofrekvenčné obvody a signály tečúce od zdroja obvodom emitujú elektromagnetické žiarenie. Vo všeobecnosti sú frekvencie väčšie ako 1 GHz požadované ako vysoké frekvencie.

Tieto signály sa môžu navzájom rušiť alebo zasahovať do blízkych súčiastok. Aby sa vyhlo problémom, mali by sa skrátiť spoje paralelných signálov na doske na minimum, aby nevznikali žiadne väzby ani presluchy medzi signálmi. Okrem toho je dobré udržiavať čo najväčšiu vzdialenosť medzi signálovými spojmi a dokonca zvažovať umiestnenie signálových spojov na oddelenej vrstve, ak sú obzvlášť rušivé.

S obvodmi na generovanie hodinového signálu a prácu s vysokofrekvenčnými signálmi by sa malo pracovať ako s analógovými obvodmi a tiež musia byť uzemnené a výrazne oddelené od analógovej uzemňovacej plochy. Je tiež dôležité izolovať tieto časti (súčiastky) od rušivých digitálnych obvodov.

Rovnako treba brať do úvahy aj to, že uzemňovacie plochy budú minimalizovať rádiofrekvenčné vyžarovania.

Impedancia charakterizuje vlastnosti súčiastky (obvodu) z hľadiska prechodu striedavého prúdu, čo znamená, že závisí od frekvencie. Impedancia je kombinácia kapacity a indukčnosti obvodu pracujúceho pri vysokej frekvencii. Hoci sa meria tiež v ohmoch, je trochu odlišná od odporu, ktorý súvisí s jednosmerným prúdom.

Spoje na DPS sa pri vysokých frekvenciách nesprávajú ako jednoduché prepojenia. Riadená impedancia nám pomáha zabezpečiť, že signály nie sú degradované, keď pretekajú spojmi na doske. Riadená impedancia je vlastne prispôsobenie vlastností materiálu (substrátu) rozmerom a umiestneniu spojov, aby sa impedancia spoja signálu nachádzala v rozsahu daného percenta špecifikovanej hodnoty. Dosky s riadenou impedanciou poskytujú opakovateľnú výkonnosť pri vysokých frekvenciách. Riadenie impedancie vyžaduje plánovanie usporiadania dosky a výpočet elektromagnetických vplyvov v okolí spojov.

- EMC (ElectroMagnetic Compatibility) odporúčania: Niektoré predbežné opatrenia ako minimalizácia presluchov, správne uzemňovanie a najmä správne ukladanie a rozloženie vrstiev výrazne zníži problémy s elektromagnetickou interferenciou (EMI, Electro Magnetic Interference). Ideálne vrstvenie by bolo založené na vložení uzemňovacej plochy pod každú plochu.

V elektronike je presluch jav, pri ktorom signál prenášaný jedným okruhom alebo kanálom prenosového systému vytvára neželaný účinok v inom okruhu alebo kanáli.

- Metódy plánovania vedenia spojov na doske: Keď sa navrhujú spoje pre signály na rôznych vrstvách, je nutné zabezpečiť, aby viedli tieto spoje signály ortogonálne (kolmo na seba). To znamená, že na jednej signálovej vrstve sú spoje vedené horizontálne a na druhej vertikálne (alebo aspoň pod uhlom 45°).

Sú dva základné spôsoby plánovania vedenia spojov na doske. Jeden spôsob (X-Y routing) využíva viac vrstiev (aspoň dve), pričom spoje na nich sú vedené tak, že na jednej vrstve sú spoje vedené rovnakým smerom. Susedné vrstvy (prepojené vodivými dierami) majú tento smer odlišný. Druhý spôsob (maze routing) dovoľuje vytvoriť celú sieť spojov obvodu na jednej vrstve, čím nie sú potrebné diery na prepájanie vrstiev.

Manhattanská dĺžka reprezentuje najkratšie prepojenie dvoch bodov na doske, pričom môže byť vytvorené iba spojmi, ktoré sú vedené iba v osi X alebo v osi Y.

V súčasnej dobe majú návrhári DPS k dispozícii slušné množstvo pokročilých nástrojov na efektívne plánovanie a vedenie spojov na doske. Tieto nástroje zvyknú obsahovať podporu automatického plánovania spojov (autorouter). Táto podpora by sa nemala považovať za jedinú možnosť, ako riešiť túto časť návrhu.

Je dôležité plánovať spoje a okruhy pre kritické súčiastky, ako sú konektory a FPGA súčiastky, pomocou manuálnych alebo automatických plánovacích metód, pretože tieto súčiastky vyžadujú plánovanie spojov pod/medzi niekoľkými (pripájacími) vývodmi.

Pri špecifických aplikáciách je dôležité vykonať [6]:

- on-line meranie a popis teploty počas procesu plánovania a vedenia spojov na DPS
- a tiež optimalizáciu tohto procesu na základe skúmania teplotných úrovní.