4Příprava pro realizaci

Desky plošných spojů jsou základem všech konstrukcí elektronických obvodů. Deska plošných spojů se používá k umístění a montáži elektronických součástek obsažených v zařízení a poskytuje prostředky pro elektrické spojení mezi těmito součástkami.

Potřebné propojení na desce mezi součástmi pomocí vodiče se nazývá nets (sítě).

Pro návrh desek plošných spojů se používají softwarové nástroje zahrnující návrh schématu, editor pouzdra a vývodů součástek (footprint), návrhu uspořádání DPS a automatického návrhu vodivých cest. Navíc většina těchto nástrojů zahrnuje nástroje pro simulaci analogových a digitálních signálů a nástroje pro analýzu integrity signálu (sledování kvality přenosu signálu). K dispozici jsou na trhu některé komerční softwarové nástroje od několika společností, které jsou odborníky na vývoj softwaru v této oblasti, jako jsou Cadence, Altium, Mentor Graphics, Zuken nebo Cadsoft. Na druhou stranu lze najít mnoho bezplatných nástrojů pro snadný vývoj jednoduchých návrhů, jako je Kicad nebo Eagle.

Návrh DPS zahrnuje některé kroky, které musí být pečlivě splněny, aby bylo možno docílit optimalizovaného obvodu. Tyto kroky jsou uvedeny v tabulce 2.

Tabulka 2 – Návrh DPS. Hlavní kroky.
| Hlavní charakteristiky
| Schématické značky součástek jsou vytvořeny ve schématických knihovnách Načtení informací pro identifikaci vývodů (pinů) z datových listů. Kreslení značky součástky. Kreslení pouzdra. Přidání parametrů součástky.
Kreslení schématu | Vložení schématických značek součástek. Kreslení sítí propojů a sběrnic. Vložení, přesun a úprava elektrických součástek.
Vytvoření desky | Převod elektrického schématu do výkresu desky plošných spojů. Velikost desky a šířka cesty. Umístění elektronických součástek a jejich označení. Vymezení zemnících rovin. Vedení vodorovných a svislých spojů včetně stanovených úhlů.
Umístění součástek a vedení signálů | Součástky by měly být umístěny v souladu s jejich připojením k ostatním součástkám na desce. Musí se brát v úvahu tepelné, mechanické požadavky, integrita signálu a možnosti vedení vodivých cest. Na desce se dají nastavovat určité pájecí motivy (nebo uspořádání vývodů součástek) zařízení. Všechny elektronické součástky, které jsou vzájemně propojeny, by měly být pokud možno umístěny v blízkém okolí. Každou vloženou součástku obsahující piny, které slouží jako vývody, je třeba propojit, aby byl návrh kompletní. V nejoblíbenějších návrhových softwarech lze v tomto kroku použít funkce automatického vedení cest (Auto-Rout). Tyto funkce jsou užitečné, ale je obtížné získat dobrý návrh pouze pomocí nástrojů automatického vedení cest.
Úprava desky a kontrola | Kontrola desky navržená pro rozpoznávání chyb. Ve všech návrhových softwarech je k dispozici několik kontrolních funkcí.
Vytvoření dat pro výrobu DPS | Vytvoření souborů, které vyžadují výrobci desek plošných spojů pro dokončení výroby elektronického obvodu.

V procesu přípravy DPS k realizaci je třeba vzít v úvahu některé požadavky. Následující body shrnují některé z těchto důležitých položek:

- Zemnící plochy: Ve vysokofrekvenčních polích (rychlých signálech) se návratová cesta proudu musí skládat z rozsáhlých zemnících rovin s nízkou impedancí, aby se předešlo parazitním odporům a indukčnostem, zejména při vysokých frekvencích. Zemnící roviny poskytují připojení s nízkou impedancí. Oddělením zemnící a napájecí vrstvy se eliminuje oblast vratné smyčky. Pokud je třeba rozdělit zemnící rovinu a vést cesty přes rozdělenou rovinu, měly by se nejdříve roviny propojit. Používají se masivní zemnící roviny sousedící s napájecími rovinami. U desek plošných spojů obsahujících analogové a digitální obvody a signály se vždy doporučuje používat samostatné napájení pro digitální a analogové obvody.
- Vedení napájecích cest, mezery: Napájecí roviny se navrhují podle stejných pravidel jako zemnící roviny. Na desce se smíšenými obvody se odděluje napájení pro analogové a digitální obvody, i když jsou stejná napětí. Digitální napájecí rovina nesmí překrývat analogovou napájecí rovinu.
- Napájecí vývody (piny) by měly být přímo odděleny od zemnící roviny keramickými kondenzátory umístěnými co nejblíže napájecím vývodům integrovaného obvodu.
- Vysokofrekvenční signály a řízení impedance: Vysokofrekvenční obvody a signály vysílají elektromagnetické záření, když přecházejí ze zdroje do kanálu. Obecně platí, že frekvence vyšší než 1 GHz jsou považovány za vysoké frekvence.

Tyto signály se mohou ovlivňovat navzájem nebo ovlivňují blízké součástky. Aby se zabránilo konfliktům, snažíme se snížit paralelní signály na desce na minimum, aby se zabránilo jakékoli parazitní vazbě signálů nebo přeslechu. Dále udržujeme co možná největší vzdálenost mezi drahami signálů a také zvažujeme vedení drah signálů na samostatné vrstvě, pokud je šum obzvlášť velký.

Generátor vzorkovacího kmitočtu a vysokofrekvenční obvody by měly být zpracovány jako analogové obvody a také musí být uzemněny a silně odděleny od analogové zemní roviny. Důležité je také odizolování těchto součástek od šumících digitálních obvodů.

Je třeba vzít v úvahu, že zemnící roviny snižují vysokofrekvenční rušení.

Impedance je střídavá charakteristika, což znamená, že závisí na frekvenci. Impedance je kombinace kapacity a indukčnosti obvodu při provozu na vysoké frekvenci. Ačkoli se také měří v Ohmech, je poněkud odlišná od odporu, který je stejnosměrnou charakteristikou.

Dráhy desky plošných spojů se nechovají při vysokých frekvencích jako jednoduché spoje, řízená impedance nám zajištuje, že signály nejsou znehodnoceny, když se pohybují po DPS. Ve skutečnosti je řízená impedance přizpůsobením vlastností materiálu podložky s rozměry a umístěním drah tak, aby se zajistila impedance dráhy signálu v určité procentní toleranci specifické hodnoty. Řízená impedance desky umožňuje opakovatelný vysokofrekvenční provoz. Řízení impedance vyžaduje rozvržení požadovaného vrstvení a výpočet elektromagnetických jevů vyskytujících se na drahách

- Doporučení EMC (elektromagnetická kompatibilita): Některá opatření, jako je minimalizace přeslechů, správné uzemnění a zejména vhodné vrstvení, značně snižují problémy s elektromagnetickým rušením (EMI). Ideální vrstvení je zemnící rovina pod každou vrstvou.

V elektronice je přeslech jev, kdy signál přenášený na jednom obvodu nebo kanálu přenosové soustavy vytváří nežádoucí účinek v jiném obvodu nebo kanálu.

- Postup při vedení vodivých cest (routing): Při vedení signálů v různých vrstvách je nutné je vést navzájem v pravoúhlých souřadnicích. To znamená, že na jedné signální vrstvě budou dráhy vedeny vodorovně a na druhé vertikálně, na další pod úhlem 45 stupňů atd.

Jsou dvě základní možnosti vedení drah: trasování labyrintem a trasování v X-Y. X-Y trasování zahrnuje nejméně dvě vrstvy s vodiči vedenými tak, že se pohybují pouze jedním směrem na každé vrstvě. Na druhou stranu vedení labyrintem umožňuje zapojení kompletních sítí na jedné vrstvu, což eliminuje množství potřebných prokovů do další vrstvy.

Manhattanská délka je nejkratší dráha, kterou může mít vodič, který musí být spojen pouze pomocí úseků, které jsou omezeny buď na osu X, nebo na osu Y.

V současné době mají návrháři DPS k dispozici dostatek dobře propracovaných nástrojů pro efektivní vedení drah na desce. Tyto nástroje zahrnují možnost auto-router (automatické vedení drah). Avšak tato možnost by neměla být považována za jediný způsob vedení drah spojů.

Vodivé sítě pro kritické součástky jako jsou konektory nebo FPGA součástky by se měly vytvářet buď ručním způsobem, nebo automaticky, protože tyto součástky vyžadují vedení drah pod / mezi četnými vývody pro povrchovou montáž.

Ve zvláštních aplikacích je potřeba provádět jak online měření a popis průběhu teploty v procesu vedení drah na deskách plošných spojů (DPS) tak i optimalizaci návrhu vedení drah založenou na analýze teploty vedených drah [6].