Elektronisches Design - Leiterplattendesign

PCB-Design ist unverzichtbar und das wichtigste bei der Gestaltung elektronischer Produkte. Die Qualität derPCB-Design wirkt sich direkt auf die Realisierung von Produktfunktionen aus. Es ist nicht schwierig, eine Leiterplattenschaltung seine Funktion zu verwirklichen. The difficult thing is that it is not affected by various influences (such as temperature and humidity changes, Luftdruckveränderungen, mechanische Stöße, Korrosion, etc.) and can continue to maintain normal and stable work, Verschiedene Entwurfsmethoden oder Fertigungsverfahrensmaßnahmen werden verwendet, um diese Effekte zu beseitigen oder zu reduzieren, um den normalen Betrieb der PCB, wie die Verwendung breiterer Temperaturkomponenten zur Anpassung an die Nutzungsumgebung bei hohen Temperaturen oder niedrigen Temperaturen; Versuchen Sie, den Bereich der Schaltungsmuster auf beiden Seiten der Leiterplatte gleich zu machen, um den Verzug und die Verformung der Leiterplatte durch Temperaturänderungen zu verhindern; Ordnen Sie die Position von großen und schweren Komponenten auf der Leiterplatte vernünftig an und entwerfen Sie die entsprechende Installations- und Befestigungsstruktur, um zu verhindern, dass die Komponenten aufgrund von Vibrationen herunterfallen.

Zunächst einmal ist das Wichtigste die Erdung. Jeder weiß, dass Erdungsdesign die Grundlage des Systemdesigns ist. Eine gute Erdung ist Voraussetzung für den sicheren und stabilen Betrieb der Anlage. Die breite Erdung umfasst zwei Bedeutungen, nämlich Erdung und virtuelle Erdung. Erdverbindung bezieht sich auf die Verbindung mit der Erde; Verbindung zur virtuellen Masse bezieht sich auf die Verbindung mit dem potenziellen Bezugspunkt. Wenn der Bezugspunkt elektrisch von der Erde isoliert ist, wird er als schwimmende Verbindung bezeichnet. Es gibt zwei Zwecke der Erdung: Zum einen soll der stabile und zuverlässige Betrieb des Steuerungssystems sichergestellt und Störungen durch Erdungsschleifen verhindert werden, die oft als Arbeitserdung bezeichnet werden. Die andere besteht darin, zu verhindern, dass der Bediener dem Risiko eines Stromschlags aufgrund der Isolationsschäden oder des Fallens der Ausrüstung ausgesetzt wird und zu gewährleisten, dass die Sicherheit der Ausrüstung als Schutzerdung bezeichnet wird.

Wenn die Sicherheitserdung nicht berücksichtigt wird, nur aus Sicht des Schaltungsbezugspunktes, Erdung kann in schwimmenden Boden unterteilt werden, Ein-Punkt-Erdung, Mehrpunkterdung und Mischerdung. Der Zweck der schwimmenden Erde ist, den Stromkreis oder die Ausrüstung von der gemeinsamen Masse oder den gemeinsamen Drähten zu isolieren, die zirkulierende Ströme verursachen können. Der Nachteil dieser Erdungsmethode ist, dass das Gerät nicht direkt mit der Erde verbunden ist, die anfällig für statische Stromakkumulation ist, und schließlich elektrostatischer Ausfall mit starkem Entladestrom. Die übliche Methode besteht darin, einen großen Widerstand zwischen dem Gerät und dem Boden zu verbinden, um die Ansammlung von statischer Elektrizität zu beseitigen. Ein-Punkt-Erdung bedeutet, dass in einer Schaltung, Als Bodenbezugspunkt wird nur ein physikalischer Punkt definiert. Mehrpunkt-Erdung bedeutet, dass in einem System, Jeder Erdungspunkt ist mit der ihm am nächsten liegenden Erdungsebene verbunden, so dass die Länge der Erdungsleitung die kürzeste ist. Es ist die einzige praktische Erdungsmethode für Hochfrequenzsignalschaltungen. Im Allgemeinen, wenn die Frequenz niedriger als 1MHz ist, Es ist besser, Einpunkt-Erdung zu verwenden; wenn die Frequenz höher als 10MHz ist, Es ist besser, Mehrpunkt-Erdung zu verwenden; Die Länge des Erdungskabels darf 1 nicht überschreiten/20 der Wellenlänge, andernfalls wird die Mehrpunkterdungsmethode angewandt. Unter normalen Umständen, in gewöhnlichen industriellen Steuerungssystemen, die Signalfrequenz ist meist kleiner als 1MHz, so wird die Einpunkt-Erdung in der Regel angenommen. Hybrid-Erdung ist eine Kombination aus Einpunkt-Erdung und Mehrpunkt-Erdung, und der anwendbare Arbeitsfrequenzbereich ist im Allgemeinen 500kHz～30MHz.

Im Computersteuerungssystem wird es grob in die folgenden Arten von Gründen unterteilt: analoge Masse, digitale Masse, Signalerde, Systemerde, AC-Masse und Schutzerde. Die analoge Masse dient als Nullpotential der analogen Schaltungen in Sensoren, Sendern, Verstärkern, A-D- und D-A-Wandlern. Das analoge Signal hat Genauigkeitsanforderungen, sein Signal ist relativ klein und es ist mit der Produktionsstätte verbunden. Um die Beziehung zwischen der schwachen Signalmasse des entfernten Sensors und der analogen Masse des Hosts zu unterscheiden, wird die Masse des Sensors manchmal auch Signalmasse genannt. Als Nullpotential verschiedener digitaler Schaltungen in Computern sollte die digitale Masse von der analogen Masse getrennt werden, um Störungen analoger Signale durch digitale Impulse zu vermeiden. Die Systemmasse ist der letzte Rückgabepunkt der oben genannten Erdungen und ist als Referenznullpotential direkt mit der Erde verbunden. Wechselstrom-Masse ist die Stromleitung Masse oder Nullleitung der Wechselstrom-Stromversorgung des Computers, und sein Nullpotential ist sehr instabil. Es gibt oft einen Potenzialunterschied von mehreren Volt oder sogar zehn Volt zwischen zwei beliebigen Punkten auf der AC-Masse. Darüber hinaus ist der Kommunikationsbereich auch anfällig für verschiedene Störungen. Daher darf die AC-Masse niemals mit den oben genannten Gründen verbunden werden, und die Isolationsleistung des AC-Leistungstransformators sollte gut sein, und das Leckphänom muss vermieden werden. Schutzboden wird auch Sicherheitsgrund, Fahrgestellboden oder geschirmter Boden genannt. Der Zweck ist es, das Gerätechassis und die Erde equipotential zu machen, um zu verhindern, dass das Chassis aufgeladen wird, um die Sicherheit von Menschen und Ausrüstung zu beeinträchtigen.

Nachdem Sie die Klassifizierung und Funktion des Erdungsdrahts verstanden haben, ist es notwendig, den Erdungsdraht in der Leiterplatte zu klassifizieren und entsprechende Maßnahmen zu ergreifen, um den Erdungsdraht zu entwerfen. Zum Beispiel sollte der Erdungsdraht von TTL- und CMOS-Geräten radial und nicht ringförmig sein; Die Breite des Massedrahts auf der Leiterplatte sollte entsprechend der Größe des durchgehenden Stroms bestimmt werden, nicht weniger als 3mm, wenn möglich, je breiter der Massedraht Gut; Der Erdungskabel des Bypass-Kondensators sollte nicht lang und so kurz wie möglich sein; Der Nullpotential-Erdungskabel des großen Stroms sollte so breit wie möglich sein und von der Masse des kleinen Signals getrennt sein. Es gibt auch einige Designprinzipien und -methoden, die unter Bezugnahme auf die Anforderungen des PCB-Erdungsdesigns in Kapitel 10 entworfen werden können.

Um den Erdungsleiter und seine Verbindungsmethode vernünftig auszuwählen, haben wir einige Klassifizierungen der Erdung nach Tabelle 1 durchgeführt.

Tabelle 1 Klassifizierung der Erdung

Ein weiteres Problem, das Aufmerksamkeit erfordert, ist die Handhabung der Referenzebene in der PCB-Design, die sich direkt auf die Qualität der PCB. Allgemein, we can do some processing in accordance with the following methods:

1) The power plane is close to the ground plane (only for Hochfrequenzschaltungen): When the operating frequency of the circuit is very high (such as greater than 100MHz), Die Leistungsebene sollte nah an der Bodenebene sein, um die kapazitive Kopplung zwischen der Leistungsebene und der Masseebene zu maximieren, Um das Geräusch des Netzteils zu reduzieren.

2) Multiple ground planes are connected by vias: When there are multiple ground plane layers in the PCB, Mehr verstreute Durchkontaktierungen sollten verwendet werden, um die Bodenebenen auf der Platine miteinander zu verbinden, insbesondere wenn das Signal konzentriert ist und die Schichten gewechselt werden. Bieten Sie eine kürzere Schleife und reduzieren Sie Strahlung für das Signal des Schichtwechsels. Wie in Abbildung 1 gezeigt, Die Masseebenen sind zusammen mit Durchkontaktierungen am Umfang der Ebene verbunden, die externe Strahlung des PCB.

Abbildung 1 Über Verbindung

3) Wenn die Bedingungen es zulassen, wird das 20H-Prinzip angenommen: Da das elektrische Feld zwischen der Leistungsschicht und der Bodenschicht geändert wird, werden elektromagnetische Störungen von der Kante der Platine nach außen ausgestrahlt, die als Kanteneffekt bezeichnet wird. Die Lösung besteht darin, die Leistungsschicht so zu schrumpfen, dass das elektrische Feld nur innerhalb der Bodenschicht geleitet wird. Nimmt man ein H (die Dicke des Mediums zwischen der Stromversorgung und dem Boden) als Einheit, wenn die Schrumpfung 20H ist, kann 70% des elektrischen Feldes auf den Rand der Bodenschicht beschränkt werden; Wenn die Schrumpfung 100H ist, kann 98% des elektrischen Feldes begrenzt werden. Bei der Umsetzung des 20H-Prinzips sollte der Einhaltung der Mindestsignalschleife und der kontinuierlichen Signalimpedanz Priorität eingeräumt werden. Das heißt, wenn die Leistungsebene zurückgezogen wird, wenn die benachbarte Signalschicht Spuren am Rand der Leistungsebene hat, kann das 20H-Prinzip in diesem Bereich ignoriert werden, um sicherzustellen, dass das Signal nicht kreuzt, und die Kante der Leistungsebene sollte sich aus der Signalleitungsposition erstrecken.

4) Fügen Sie eine Masseebene als Signalisolationsschicht hinzu: Wenn es viele Signalschichten gibt und eine Isolationsschicht benötigt wird, ist es am besten, eine Masseebene als Isolationsschicht hinzuzufügen, nicht eine Leistungsschicht als Isolationsschicht.

5) Steuern Sie den Erweiterungsbereich der Ebene: Beim Entwerfen der Energieerdungsebene sollte der Erweiterungsbereich der Ebene kontrolliert werden, um Überlappungen der Referenzebenen verschiedener Arten von Schaltungen zu vermeiden. Zusätzlich besteht eine kapazitive Kopplung zwischen den parallel geladenen Ebenen. Wie in Abbildung 2 gezeigt, wird es eine gegenseitige Kopplung zwischen der analogen Leistungsebene Analog P und der digitalen Masseebene Digital G geben.

Control the extended area of the plane
Figure 2 Control the extended area of the plane