Projektovanje elektronskih kola
Projektovanje štampanih ploča
Osnove fizičkog projektovanja
Projektovanje štampanih ploča
Sadržaj:
d j
I.
Uvod - osnovni pojmovi
II. Analiza el. kola primenom
računara
č
III. Optimizacija
p
j el. kola
IV. Logička simulacija
V Osnove
V.
O
fizičkog
fi ičk projektovanja
j k
j
(projektovanje štampanih ploča)
02.06.2011.
Sadržaj:
–Šta
Š su štampane
p
p
ploče?
–Tipovi štampanih ploča
–Proces p
projektovanja
j
j štampane
p
p
ploče
–Izazovi fizičkog projektovanja
•Integritet
g
signala
g
•Razvođenje napajanja
•Temperaturski
p
efekti
1
02.06.2011.
Projektovanje štampanih ploča
2
Projektovanje štampanih ploča
Št su št
Šta
štampane ploče
l č ?
Št su št
Šta
štampane ploče?
l č ?
Osnova
Sistem provodnih veza ugrađenih na izolacionoj
podlozi
dl i koja
k j mehanički
h ički obezbeđuje
b b đ j električnu
l kt ič vezu
između elektronskih komponenata:
otpornika,
otpornika
kondenzatora,
integrisanih kola,
kola
konektora,
napajanja,
napajanja
kućišta uređaja.
Komponenta
Konektori
Mehanički spoj
02.06.2011.
3
02.06.2011.
4
Projektovanje štampanih ploča
Projektovanje štampanih ploča
Št su št
Šta
štampane ploče?
l č ?
Št su št
Šta
štampane ploče?
l č ?
Štampana ploča = Printed Circuit Board (PCB)
Štampana ploča = Printed Circuit Board (PCB)
02.06.2011.
5
02.06.2011.
Projektovanje štampanih ploča
6
Projektovanje štampanih ploča
Št su št
Šta
štampane ploče?
l č ?
Ti
Tipovi
i ŠP - PCB
Štampana ploča = Printed Circuit Board (PCB)
02.06.2011.
7
02.06.2011.
8
Projektovanje štampanih ploča
Projektovanje štampanih ploča
Ti
Tipovi
i ŠP - PCB
Ti
Tipovi
i ŠP - PCB
Dimenzije
Broj provodnih slojeva
- 1 do 50!!!
Različiti materijali
- Čvrstina
Č
- Otpornost na temperaturu
- Savitljive / krute
- Lagane / teške
•Za montažu kroz otvore (Through Hole)
•Za
Za površinsku montažu (Surfice Mounted
Devices)
02.06.2011.
9
02.06.2011.
Projektovanje štampanih ploča
10
Projektovanje štampanih ploča
Izazovi fizičkog projektovanja
Terminologija
IIzazovii fi
fizičkog
ičk projektovanja
j kt
j
Terminologija
•
•
•
•
•
•
•
Metarske (mm, μm) ALI uobičajeno da se koriste
Imperial Units (IU) (inč=2,5cm;
(inč=2 5cm;
mils=mili_inč=inč/1000=thou)
raspored nožica na komponentama još uvek u IU
• Raster (Grid)
• Merne jedinice
Merne jedinice
Raster (Grid)
Veza (Track)
Stopica (Pad)
Prolaz (Via)
Poligon (Polygone)
Rastojanje (Clearance)
02.06.2011.
100, 50, 25, 20, 10, 5 mils
– Vidljivi
– Nevidljivi (Snap grid)
– električni
l kt ič i (centar
( t uvodnika)
d ik )
11
02.06.2011.
12
Projektovanje štampanih ploča
Projektovanje štampanih ploča
Izazovi fizičkog projektovanja
Parametri veza
Izazovi fizičkog projektovanja
Terminologija
• Veza
P
Provodna
d (b
(bakarna)
k
) traka
k k
koja
j električno
l k ič povezuje
j k
komponente
w- širina
t – debljina
h- udaljenost od
h
donjeg provodnog
sloja
Od ovih
ih dimenzija
di
ij zavisi
i i otpornost
t
t veze (DC)
karakteristična impedansa veze (VF)
02.06.2011.
13
02.06.2011.
Projektovanje štampanih ploča
14
Projektovanje štampanih ploča
IIzazovii fi
fizičkog
ičk projektovanja
j kt
j
Tipovi veza
IIzazovii fi
fizičkog
ičk projektovanja
j kt
j
Tipovi veza
Diferencijalne veze
Veza
Izolator
Masa ili napajanje
Veza
Izolator
Masa ili napajanje
Masa ili napajanje
Izolator
l
V
Veza
Izolator
l
Masa ili napajanje
02.06.2011.
15
02.06.2011.
16
Projektovanje štampanih ploča
Projektovanje štampanih ploča
Izazovi fizičkog projektovanja
Tipovi veza
Minimalnu širinu trake daje proizvođač:
j j do susedne 10/8 thou
širina/rastojanje
Širina zavisi od struje koju treba da vode i
specifične
p
otpornosti
p
p
provodnog
g sloja
j
Preporuka za početnike MINIMUM:
- Signal 25 mils
- Napajanje (PWR=VDD/VCC, GND) 50 mils
- Između nožica IC 10
10-15
15 mils
ŠTO ŠIRE VEZE – jeftinije, pouzdanije
02.06.2011.
17
IIzazovii fi
fizičkog
ičk projektovanja
j kt
j
Tipovi veza
02.06.2011.
Projektovanje štampanih ploča
18
Projektovanje štampanih ploča
Izazovi fizičkog projektovanja
Terminologija
Izazovi fizičkog projektovanja
Terminologija
• Stopica (Pad)
• Stopica (Pad)
S jk
Spoj
komponente i veze
02.06.2011.
Stopica
otvor
Proizvođač
P
i đ č daje
d j odnos
d
S
Stopica/otvor
i /
(P
(Pad/Hole
d/H l ratio)
i )
Prečnik stopica najmanje 1.8 puta veći od prečnika otvora
ili za najmanje 0.5mm
0 5mm
Stopice IC ovalne 60x90 mils – prva pravougaona
19
02.06.2011.
20
Projektovanje štampanih ploča
Projektovanje štampanih ploča
Izazovi fizičkog projektovanja
Terminologija
Izazovi fizičkog projektovanja
Terminologija
• Stopica (Pad)
• Prolaz (Via)
• Spaja veze iz različitih slojeva
U programima
i
za projektovanje
j k
j PCB postoji
ji bibli
biblioteka
k
stopica.
Korisnik može da kreira sopstvene prema potrebama.
potrebama
Izbegavati pravougaone stopice
02.06.2011.
21
02.06.2011.
Projektovanje štampanih ploča
22
Projektovanje štampanih ploča
IIzazovii fi
fizičkog
ičk projektovanja
j kt
j
Tipovi via
IIzazovii fi
fizičkog
ičk projektovanja
j kt
j
Specifikacija via
St i
Stopica
Otvor
Rastojanje
(anti-pad)
02.06.2011.
23
02.06.2011.
24
Projektovanje štampanih ploča
Projektovanje štampanih ploča
IIzazovii fi
fizičkog
ičk projektovanja
j kt
j
Via za diferencijalne signale
Zahtevaju razmak (Separation) i udaljenost
od mase (Clearance)
02.06.2011.
25
Izazovi fizičkog projektovanja
Terminologija
• Poligon (Polygone)
A
Automatski
ki popunjava
j
sve površine
ši b
bakrom
k
02.06.2011.
Projektovanje štampanih ploča
26
Projektovanje štampanih ploča
Izazovi fizičkog projektovanja
Terminologija
Izazovi fizičkog projektovanja
Terminologija: Rastojanje (Clearance)
• Rastojanje (Clearance)
Minimalni
Mi
i l i razmak
k između
i
đ provodnih
d ih površina
ši na
različitim potencijalima (različiti čvorovi)
Preporuka: Najmanje 15mils
Za 240V najmanje 8mm (315mils)
P t j standard
Postoje
t d dk
koji
ji povezuje
j razliku
lik
napona, vrstu sloja (unutrašnji, spoljašnji) i
nadmorsku visinu!!!
02.06.2011.
27
02.06.2011.
28
Projektovanje štampanih ploča
Projektovanje štampanih ploča
P
Proces
projektovanja:
j kt
j
ULAZ
P
Proces
projektovanja:
j kt
j
Električna
Š
Šema
Spisak
Tri ulazna parametra
1. Električna šema
Kako su komponente međusobno povezane
2. Spisak materijala (Bill of Material – BOM)
Dimenzije
materijala
Spisak
p
svih komponenata
p
ppo tipu
p i vrednostima
3. Dimenzije (Outline)
Ograničenje
g
j sa stanovišta dimenzija
j i oblika ploče
p
Podaci o bušenju
IZLAZ
GERBER
Montažna
Šema
j
fajlovi
02.06.2011.
29
02.06.2011.
Projektovanje štampanih ploča
30
Projektovanje štampanih ploča
Proces projektovanja:
P
Proces
projektovanja:
j kt
j
Na kraju projektovanja dobija se tri tipa
p
podataka:
1. GERBER fajlovi
Ostali neophodni parametri
1 Tlocrt komponenata (Part Footprints)
1.
• Podaci o fizičkim dimenzijama svake komponente
• Podaci o poziciji svake veze – podaci o trasiranim
vezama: oblik,
blik veličina,
liči
položaj,
l ž j sloj,...
l j
služe za izradu svih veza u svim slojevima na
šštampanoj
p oj p
ploči
oč
(veličina i rastojanje između stopica)
2. Montažna šema
• Pozicija svake komponente tokom montaže
služi za automatsko pozicioniranje komponenata
2. Podaci o slojevima
j
(Layer
( y Stacks))
Broj sloja, tip sloja, razmak ...
3. Specifikacija veza i via
• Di
Dimenzije
ij svakog
k tipa
ti veze u svakom
k
sloju
l j i via
i (veza
(
između
i
đ dva
d
sloja)
02.06.2011.
31
3. Podaci za bušenje (Drill lists)
• Specifikacija o poziciji i veličini svih rupa na ploči
služi za automatsko pozicioniranje i izbor svrdla na
bušilici.
02.06.2011.
32
Projektovanje štampanih ploča
Projektovanje štampanih ploča
P
Proces
projektovanja:
j kt
j
P
Proces
projektovanja:
j kt
j
Tokom projektovanja (generalno) od projektanata
se zahteva
ht
d
da nađe
đ k
kompromisno
i
rešenje
š j k
kojim
ji
će ispuniti projektne zahteve u okviru
raspoloživih
spo o v resursa
esu s ssa po
potrebnim
eb
kvalitetom.
v eo .
Ukoliko su zahtevi fiksni (koje komponente i kako
povezati) do većeg kvaliteta može da se dođe
samo ukoliko se nađu bolji resursi.
Kvalitet:
Resursi:
Integritet signala,
Bolja tehnologija
EMI,
Više slojeva metala
Odvođenje toplote
Duže
ž vreme projekt.
Resursi:
Tip ploče
02.06.2011.
33
FR-2 (Phenolic cotton paper),
FR 3 (Cotton paper and epo
FR-3
epoxy),
)
FR-4 (Woven glass and epoxy),
FR-5
FR
5 (Woven glass and epoxy),
FR-6 (Matte glass and polyester),
G-10 (Woven glass and epoxy),
CEM-1 (Cotton paper and epoxy),
CEM-2 (Cotton paper and epoxy),
CEM 3 (Woven glass and epoxy)
CEM-3
epoxy),
CEM-4 (Woven glass and epoxy),
CEM-5
CEM
5 (Woven glass and polyester).
02.06.2011.
Projektovanje štampanih ploča
Projektovanje štampanih ploča
P
Proces
projektovanja:
j kt
j
Proces projektovanja:
Resursi: Proizvođači/Tipovi ploča
02.06.2011.
34
1.
1
2.
3.
4.
5.
6
6.
7.
35
Selekcija
S
l k ij k
komponenata,
t ttehnologije
h l ij
Crtanje električne šeme
Verifikacija el. šeme (analiza kola)
Raspored elemenata (Floor planning)
Povezivanje (Automatsko-ručno)
č
Provera pravila projektovanja
Izrada
02.06.2011.
36
Projektovanje štampanih ploča
Projektovanje štampanih ploča
Proces projektovanja:
Proces projektovanja:
11.
2.
3.
4.
5.
6
6.
7.
1.
1
2.
3.
4.
5.
6
6.
7.
Selekcija
S
l k ij k
komponenata,
t ttehnologije
h l ij
Crtanje električne šeme
Verifikacija el. šeme (analiza kola)
Raspored elemenata (Floor planning)
Povezivanje (Automatsko-ručno)
č
Provera pravila projektovanja
Izrada
02.06.2011.
37
Selekcija
S
l k ij k
komponenata,
t ttehnologije
h l ij
Crtanje električne šeme
Verifikacija el. šeme (analiza kola)
Raspored elemenata (Floor planning)
Povezivanje (Automatsko-ručno)
č
Provera pravila projektovanja
Izrada
02.06.2011.
Projektovanje štampanih ploča
38
Projektovanje štampanih ploča
Proces projektovanja:
Proces projektovanja:
4 R
4.
Raspored
d elemenata
l
t (Fl
(Floor planning)
l
i )
4 R
4.
Raspored
d elemenata
l
t (Fl
(Floor planning)
l
i )
•
•
•
Podesi
odes so
softver
ve za p
projektovanje
oje ov je ((alat)) na
snap grid
P t i na radnu
Postavi
d površinu
ši (ploču)
( l č ) sve elemente
l
t
Postavi sve komponente
p
logički
g
u odnosu na:
protok signala, (pravac ulaz-izlaz)
f k ij u k
funkciju
kolu,
l (analogni, digitalni, frekvencija)
osetljivost
j
((na temperaturu,
p
, smetnje)
j )
02.06.2011.
39
Identifikuj
de
uj kritične
č e veze
ve e
Poređaj elemente uredno, simetrično,
alajnirano
l j i
(ako
( k lepo
l
izgleda,
i l d radiće
dić llepo))
Dobar raspored
p
jje 90% p
posla
02.06.2011.
40
Projektovanje štampanih ploča
Projektovanje štampanih ploča
IIzazovii fi
fizičkog
ičk projektovanja
j kt
j
Planiranje rasporeda (Floor Planning)
02.06.2011.
Proces projektovanja:
1.
1
2.
3.
4.
5.
6
6.
7.
41
Selekcija
S
l k ij k
komponenata,
t ttehnologije
h l ij
Crtanje električne šeme
Verifikacija el. šeme (analiza kola)
Raspored elemenata (Floor planning)
Povezivanje (Automatsko-ručno)
č
Provera pravila projektovanja
Izrada
02.06.2011.
Projektovanje štampanih ploča
42
Projektovanje štampanih ploča
Proces projektovanja:
Proces projektovanja:
55. P
Povezivanje
i
j (Automatsko-ručno)
(A t
tk
č )
¾ Setuj Electrical grid = snap to center;
sve veze na istom potencijalu = mreža
¾ Svaka mreža što kraća;
¾ Koristi uglove od po 45 (zbog proizvodnje);
¾ Koristi celu površinu ploče;
¾ Centrirajj vezu sa stopicama;
p
;
5. Povezivanje (Automatsko
5
(Automatsko-ručno)
ručno)
¾ Koristi veze od 100mils kad god može;
¾ Između dve stopice stavi 2 veze samo
ako ne postoji drugo rešenje (obiđi);
¾ Suzi vezu između stopica;
¾ Za veze između dva sloja kroz koje protiče
veća struja koristi višestruki prolaz – via;
02.06.2011.
43
02.06.2011.
44
Projektovanje štampanih ploča
Projektovanje štampanih ploča
Proces projektovanja:
Proces projektovanja:
55. P
Povezivanje
i
j (Automatsko-ručno)
(A t
tk
č )
¾ Ne postavljaj prolaze (vie) ispod
komponenata (neće moći da im se priđe
k d se postavii k
kada
komponenta))
¾ Koristi nožicu komponente umesto vie
kad god može (pouzdanije, kraće
vreme montaže)
5. Povezivanje (Automatsko-ručno)
5
(Automatsko ručno)
¾ Ukoliko su PWR, GND kritični, prvo
njih trasiraj;
¾ Veze PWR i GND proširi koliko može
¾ PWR i GND što bliža jedna drugoj;
¾ Simetriraj veze;
¾ Ne
N ostavljaj
t lj j nepovezan b
bakar
k
((veži za GND ili gga ukloni))
02.06.2011.
45
02.06.2011.
Projektovanje štampanih ploča
46
Projektovanje štampanih ploča
Proces projektovanja:
Proces projektovanja:
55. P
Povezivanje
i
j (Automatsko-ručno)
(A t
tk
č )
Primeri
Loše PWR, GND
5. P
5
Povezivanje
i
j (Automatsko-ručno)
(A t
tk
č )
Primeri
Dobro
02.06.2011.
47
02.06.2011.
48
Projektovanje štampanih ploča
Projektovanje štampanih ploča
Proces projektovanja:
Proces projektovanja:
55. P
Povezivanje
i
j (Automatsko-ručno)
(A t
tk
č )
Primeri
5. P
5
Povezivanje
i
j (Automatsko-ručno)
(A t
tk
č )
Primeri
Loše
Dobro
02.06.2011.
49
02.06.2011.
Projektovanje štampanih ploča
50
Projektovanje štampanih ploča
Proces projektovanja:
Proces projektovanja:
55. P
Povezivanje
i
j (Automatsko-ručno)
(A t
tk
č )
Završna šminka:
¾ Na T kontaktima dodaj proširenje
5. Povezivanje (Automatsko-ručno)
5
Završna šminka:
¾ Proveri prostor za montažu (šrafovi)
¾ Proveri dimenzije
j otvora ((da li komponenta
p
može da prođe)
¾ Proveri dimenzije via i stopica
¾ Proveri fizički razmak između
k
komponenata
t
¾ Minimizuj broj različitih dimenzija otvora
¾ Na stopicama i viama vezanim za tanke
trake dodaj proširenje
02.06.2011.
51
02.06.2011.
52
Projektovanje štampanih ploča
Projektovanje štampanih ploča
Proces projektovanja:
Proces projektovanja:
11.
2.
3.
4.
5.
6
6.
7.
6 P
6.
Provera pravila
il projektovanja
j kt
j
Selekcija
S
l k ij k
komponenata,
t ttehnologije
h l ij
Crtanje električne šeme
Verifikacija el. šeme (analiza kola)
Raspored elemenata (Floor planning)
Povezivanje (Automatsko-ručno)
č
Provera pravila projektovanja
Izrada
02.06.2011.
53
•
•
•
•
Design
esig Rule
ule Check
C ec ((DRC)
C)
Automatska provera fizičkih dimenzija
širine veza
razmaka
povezanost mreža (kratak spoj/ prekid)
širina otvora
02.06.2011.
Projektovanje štampanih ploča
54
Projektovanje štampanih ploča
Proces projektovanja:
Proces projektovanja:
11.
2.
3.
4.
5.
6
6.
7.
7 IIzrada
7.
d št
štampane ploče
l č
Selekcija
S
l k ij k
komponenata,
t ttehnologije
h l ij
Crtanje električne šeme
Verifikacija el. šeme (analiza kola)
Raspored elemenata (Floor planning)
Povezivanje (Automatsko-ručno)
č
Provera pravila projektovanja
Izrada štampane
p
p
ploče
02.06.2011.
55
Osim “provodnih
p
slojeva”
j
ggenerišu se i slojevi/maske
j
• Za oznke komponenata na gornjoj ploči (C1, R1,...)
Silkscreen / “top/bottom
top/bottom overlay
overlay”// “component
component layer”
layer
“Silkscreen”/
• Maska za lemljenje “solder mask” štiti ostatak ploče
od
d llemne paste.
t P
Prekriva
k i sve sem stopica
t i i via
i sa
proširenjem od nekoliko milsa.
Sprečava kratak spoj između veza tokom lemljenja.
02.06.2011.
56
Projektovanje štampanih ploča
Projektovanje štampanih ploča
Proces projektovanja:
Proces projektovanja:
7 Izrada štampane ploče
7.
7 Izrada štampane ploče
7.
Osim “provodnih slojeva” generišu se i slojevi/maske
• Mehanički
č sloj “Mechanical Layer” definiše
š oblik i
dimenziju ploče (odvajanje od susednih ploča)
• “Keepout” sloj definiše
š deo ploče
č na kome nema
bakra (npr. razmak između visokonaponskih
komponenata)
• Sloj (maska) za poravnanje (alajniranje)
“Alignment Layer” koristi proizvođač da podesi
sve ostale slojeve
• Netlista – lista veza (mreža) “Netlist”svi podaci
02.06.2011.
57
koji se nalaze na električnoj šemi
02.06.2011.
Projektovanje štampanih ploča
Projektovanje štampanih ploča
Proces projektovanja:
7 Izrada štampane ploče
7.
02.06.2011.
58
Proces projektovanja:
7 Izrada štampane ploče
7.
59
02.06.2011.
60
Projektovanje štampanih ploča
Projektovanje štampanih ploča
Izazovi fizičkog projektovanja
Razvođenje mase
Izazovi fizičkog projektovanja
Zašto je važno razvođenje napajanja?
• Koristiti p
poseban slojj za GND, ako p
postoji
j
Pri p
promeni stanja
j u digitalnim
g
kolima
dešavaju se nagle promene struje.
pune/prazne.
p
Potrebnu
Kondenzatori se p
količinu naelektrisanja obezbeđuju izvori
– baterije koji NISU IDEALNI
Veze imaju konačnu otpornost
j se p
pad napona
p
VDD/VSS i to
Menja
neravnomerno duž ploče. Jedno kolo utiče
na drugo – dolazi do interakcije preko
napona napajanja.
02.06.2011.
62
• Kod višeslojnih, GND što bliže gornjem sloju
• Što veća površina bakra
• Koristi višestruke vie da bi smanjio
p
do mase
impedansu
02.06.2011.
61
Projektovanje štampanih ploča
Projektovanje štampanih ploča
Izazovi fizičkog projektovanja
Zašto je važno razvođenje napajanja?
Elektromagnetna interferencija
02.06.2011.
Izazovii fizičkog
fi ič
projektovanja
j
j
Zašto je važno razvođenje napajanja?
Uticaj konačne
otpornosti ploča
63
02.06.2011.
64
Projektovanje štampanih ploča
Projektovanje štampanih ploča
Izazovi fizičkog projektovanja
Razvođenje napajanja
02.06.2011.
Izazovi fizičkog projektovanja
Razvođenje napajanja kod višeslojne štampe
65
02.06.2011.
Projektovanje štampanih ploča
Projektovanje štampanih ploča
Izazovi fizičkog projektovanja
Razvođenje napajanja
02.06.2011.
66
Izazovii fizičkog
fi ič
projektovanja
j
j
Kondenzatori za premošćavanje napajanja
Bypass
• Koristiti
K i titi baypass
b
k d
kondenzatore
t
št
što bliž
bliže
digitalnim kolima – neposredno uz
VDD/VSS pinove
• Tipična vrednost 100nF
100nF, koriste se i 1uF
1uF,
10nF, 1nF, zavisno od frekvencije koju
treba premostiti
67
02.06.2011.
68
Projektovanje štampanih ploča
Projektovanje štampanih ploča
Izazovi fizičkog projektovanja
Integritet signala
IIzazovii fi
fizičkog
ičk projektovanja
j kt
j
Integritet signala
Zavisnost amplitude od dužine veze
Preslušavanje
š
manje ako su veze fizički
č bliže
ž
masi
02.06.2011.
69
02.06.2011.
Projektovanje štampanih ploča
70
Projektovanje štampanih ploča
Izazovi fizičkog projektovanja
Temperaturski efekti
Pouzdanost Si opada 2x pri porastu T od 10oC
j
Zato treba obezbediti hlađenje
Izazovi fizičkog projektovanja
Temperaturski efekti
Termička otpornost
θCA[oC/W]]
Razlika temperature
ΤCA= θCA P
02.06.2011.
71
02.06.2011.
72
Projektovanje štampanih ploča
Projektovanje štampanih ploča
Izazovi fizičkog projektovanja
Temperaturski efekti
Izazovi fizičkog projektovanja
Temperaturski efekti
Bolje
Hlađenje
02.06.2011.
Hlađenje
73
02.06.2011.
74
Projektovanje štampanih ploča
Izazovi fizičkog projektovanja
Preporuke
Kopiraj postojeći projekat
Prilagodi ga potrebama
Konsultuj iskusnijeg projektanta
Uradi sve p
provere ((DRC)) koje
j ti alat
omogućava
Sledeće nedelje:
Napravi uzorak i fizički ga testiraj
-Pitanja
Pitanja - odgovori
Ako je OK, ide u proizvodnju
-Test
02.06.2011.
75
02.06.2011.
76
Download

Štampane ploče