5 Návrh
5.5 Rozmístění a vedení drah (routing)

Rozmístění součástek je dalším krokem procesu. Jedná se o jeden z nejdůležitějších a nejkritičtějších kroků při návrhu desky plošných spojů. Říká se, že návrh DPS je z 90 % rozmístění součástek a z 10 % vedení drah. Ve skutečnosti to znamená, že rozmístění součástek rozhoduje o tom, kolik času zabere návrh vedení drah.

Říká se, že návrh DPS je jak umění, tak věda. Existuje velký soubor technických znalostí a měření, které je třeba vzít v úvahu při návrhu šířky drah, vrstev, schémat, návrhu zemnící roviny atd. Umělecká stránka návrhu desek plošných spojů souvisí s rozmístění součástek. Pravdou je, že neexistuje jediný správný způsob, jak umístit součástky, a tato svoboda je v konečném důsledku tím, co dělá proces rozvržení DPS tak tvořivý. Pokud zadáte schéma 100 různým odborníkům, pravděpodobně získáte 100 různých rozvržení. Proto je proces rozvržení DPS považován za umělecký proces [12].

Jedna z prvních věcí, kterou je třeba udělat, je nastavit plochu desky na maximální povolenou velikost desky plošných spojů. Počet vrstev bude záviset na velikosti výkonů a složitosti.

Zde je několik obecných návrhových pravidel, které byste měli znát a vzít v úvahu při navrhování vyrobitelných, funkčních a spolehlivých desek plošných spojů. Je zřejmé, že jich je více a níže uvedený seznam pokynů pro návrh DPS nemůže být považován za úplný seznam [13].

Při rozmisťování součástek se ujistěte, že je zapnuta volba přichycení na mřížku. Začněte umísťovat součástky v následujícím pořadí: konektory, silové obvody, citlivé a přesné obvody, součástky kritických obvodů (MCU, DSP, FPGA, paměti a časovače) a pak ostatní. Kromě toho by měly být součástky umístěny podle jejich připojení k ostatním součástkám.

Podobné součásti musí být orientovány ve stejném směru, což přispěje k účinnému a bezchybnému procesu pájení.

Neumisťujte součásti na pájecí stranu desky, která je pokryta součástkami pro vsazovanou (through-hole) montáž.

Umístěte všechny součástky pro povrchovou montáž na stejnou stranu desky a všechny součástky s průchozími otvory na horní stranu desky, abyste minimalizovali počet kroků osazování.

Umístěte oddělovací kondenzátory co nejblíže k napájecím vývodům (Vcc) aktivních součástek.

Součástky, které spotřebovávají více než 10 mW nebo jimi prochází více než 10 mA, by měly být považovány za dostatečně výkonné pro další tepelné a elektrické úvahy. Citlivé signály by měly být odstíněny rovinami od zdrojů šumu a měly by být zachovány jako impedančně řízené.

Pro součástky s řízenou spotřebou by se měly používat zemnící roviny nebo roviny pro odvod tepelného výkonu. Vysokoproudé spoje proveďte s ohledem na přijatelný pokles napětí pro připojení. Přechody vrstev pro dráhy s vysokým proudem by měly být provedeny dvěma až čtyřmi prokovy v každém přechodu vrstev. Do přechodu vrstev umístěte vícenásobné prokovy, abyste zvýšili spolehlivost, snížili odporové a indukční ztráty a zlepšili tepelnou vodivost.

Vždy vytvořte zemnící rovinu. Může se jednat o velkou měděnou plochu na jednovrstvé desce nebo dokonce o celou vrstvu určenou jako základní rovina na vícevrstvých deskách. Po přidání zemnící roviny se s ní musí pomocí prokovů nebo vias pospojovat všechny součástky, které mají být připojeny na zem.

Reálné měděné dráhy mají nenulový odpor. To znamená, že na dráze je pokles napětí, ztráta výkonu a nárůst teploty, když jí protéká proud. Šířka dráhy by měla být dimenzována podle odhadovaného proudu, který jí prochází. Výkonové dráhy by proto měly být širší, protože veškerý proud teče těmito vodiči. Obvykle mají měděné dráhy na DPS tloušťku 35 mikronů. Tedy:

Tabulka 1 – Šířka drah a maximální proud
Šířka dráhy | Maximální hodnota proudu
4 mm | 10A
2 mm | 5A
1.5 mm | 4 A
1 mm | 3 A
0.5 mm | 2A
0.2 mm | 0.5 A

Minimalizujte délky drah při umísťování součástek a vyhněte se úhlu 90 stupňů. Použijte místo toho dva ohyby o 45 stupních. Důvodem je to, že v procesu výroby desky může být vnější roh vyleptán o něco užší, čímž se změní impedance dráhy. Použití úhlu 45 stupňů zkracuje elektrickou cestu mezi komponentami. Navíc vysokorychlostní logické signály se mohou odrazit od ostrého rohu úhlu, což může být zdrojem rušení.

Udržujte digitální a analogové země oddělené, protože napěťové a proudové špičky z digitálních obvodů mohou v analogových obvodech vytvářet rušení (šum), který ovlivňuje jejich činnost.

Tato pravidla nemají určité pořadí, mohou být obecně použita na jakýkoli projekt návrhu DPS a měly by se osvědčit jako užitečná příručka pro začátečníky.

Výsledkem postupů rozmístění a vedení drah (routing) je konečně rozvržení (layout) desek plošných spojů, což je výkres, kde se elektronické součástky s jejich pouzdrem objeví v pozici, kterou obsadí na výsledné desce plošných spojů a jsou propojeny dráhami mezi vývody.

Obr. 5. Rozvržení DPS: 2D (vršek) a 3D (spodek).