1. Ставьте конденсаторы по питанию микросхем
Наличие конденсаторов по питанию является необходимым условием нормальной работы любой микросхемы. Дело в том, что они обеспечивают импульсный ток, который потребляет микросхема при переключении внутренних транзисторов. Если в непосредственной близости от микросхемы нет конденсатора, то из-за индуктивности дорожек печатной платы фронт тока может быть завален, и необходимая скорость его нарастания не будет обеспечена. Вполне может быть, что микросхема вообще при этом не будет работать, такие случаи встречаются. В связи с этой особенностью, выбирать следует конденсаторы с низкими ESR и ESL (эквивалентным последовательным сопротивлением и эквивалентной последовательной индуктивностью). В подавляющем большинстве случаев хорошо себя показывают керамические конденсаторы, а если вдруг требуется большая емкость – танталовые.
Количество конденсаторов у каждой микросхемы должно быть не менее количества ножек питания данной микросхемы. То есть, если микросхема имеет 10 выводов питания, то надо ставить не менее 10 конденсаторов только на одну эту микросхему, причем располагать эти конденсаторы на печатной плате надо как можно ближе к выводам питания. Часто производители рекомендуют ставить еще один дополнительный конденсатор большего номинала общий для всех выводов питания микросхемы. Ниже на рисунке приведен пример из документации на сверхпопулярный микроконтроллер STM32F103: как видим, помимо 5 конденсаторов 0,1 мкФ у выводов VDD, производитель рекомендует также ставить один общий конденсатор 4,7 мкФ.
Отдельного внимания заслуживает выбор емкости конденсатора. В большинстве случаев вы не ошибетесь, если выберете емкость 0,1 мкФ. Однако не поленитесь заглянуть по данному вопросу в документацию на микросхему: здесь тоже могут быть тонкости. Например, ВЧ-микросхемы часто требуют наличие конденсатора меньшей емкости. Ниже приведена картинка из документации на микросхему смесителя LT5560. Как видно из рисунка, производитель советует применять конденсаторы 1 мкФ и 1 нФ.
Возможны отклонения и в другую сторону: например, 4G модуль WP7502 требует установки конденсатора в целых 1500 мкФ рядом с выводами питания:
В общем, лучше всегда уточнять номиналы требуемых конденсаторов в документации на конкретную микросхему.
2. Учитывайте предельные параметры компонентов
К сожалению, не так редко встречаются схемы, где резистор в корпусе 0402 стоит в цепи 220 В или что-то аналогичное. Так делать нельзя! Перед установкой любого (абсолютно любого) компонента на схему вы должны убедиться, что ни при каких условиях не превышены максимально допустимые параметры по току, по напряжению и по рассеиваемой мощности для этого компонента. Все расчеты необходимо производить для наихудших условий эксплуатации (в частности, для максимально возможного напряжения на схеме), а предельные параметры смотреть в документации на конкретный компонент.
Рассмотрим простой пример с резистором. Допустим, мы рассчитали схему и нам требуется обеспечить сопротивление 25 кОм, а максимально допустимое напряжение в этой цепи составляет 100 В. Какой резистор мы заложим в схему? Открываем документацию на резисторы серии RC от Bourns и видим основные предельные параметры:
В цепях с напряжением 100 В могут работать резисторы серии CR0805 или CR1206. CR0603 туда ставить нельзя. А что с рассеиваемой мощностью? Как гласит школьный курс физики, для цепи постоянного тока она считается по формуле:
Такую мощность не выдержит ни один из представленных резисторов в таблице, однако мы можем соединить их несколько штук параллельно: 4 штуки CR0805 или 2 штуки CR1206. Только не забывайте, что при параллельном соединении резисторов их эквивалентное сопротивление уменьшается. Например, мы можем взять 4 шт. CR0805-JW-104ELF (100 кОм): соединив их параллельно, получим как раз 25 кОм. Для ответственных применений можно еще дополнительно снизить нагрузку на каждый из резисторов, соединив параллельно не 4 штуки, а 6 штук.
Максимально допустимый ток для резистора серии RC составляет 2 А, и он тут явно не будет превышен, это легко проверяется по закону Ома. Более того, данный параметр в основном актуален для резисторов с маленьким сопротивлением, для остальных гораздо быстрее вы уткнетесь в превышение мощности.
А как выбирать конденсаторы? После определения типа применяемого конденсатора (керамика, тантал, пленка, электролит и др.), необходимо обеспечить запас по напряжению хотя бы в 25-30%. Если есть возможность, то для ответственных применений лучше брать запас в два раза. В ряде случаев, помимо напряжения необходимо еще учитывать и импульсный ток через конденсатор. Про этот параметр очень часто забывают, хотя перегрузка конденсатора по току в цепях какого-нибудь импульсного источника питания ничем хорошим не закончится. Рассмотрим пример. Допустим, мы рассчитали наш импульсный источник питания и определили, что он:
- Работает на частоте 100 кГц.
- Напряжение выходной цепи равно 30 В.
- Требуется конденсатор емкостью не менее 100 мкФ.
- Через него будет протекать импульсный ток в 2 А (действующее значение).
Емкость и напряжения конденсатора достаточно велики, поэтому оправданным будет применение электролитического конденсатора. Например, подойдут конденсаторы EEH-ZA от Panasonic.
Открываем на них документацию:
На первый взгляд, вроде бы, 35 В больше 30 В, и нам должен подойти этот конденсатор. Однако в данном случае запас будет всего 5 В, что очень мало. Правильным решением будет выбрать конденсатор на 50 В.
Смотрим дальше: у нас есть конденсатор на 50 В с требуемой емкостью в 100 мкФ. Можно было бы взять его, но у него максимальный ток равен нашим ожидаемым 2 А (для частоты 100 кГц), то есть опять запаса по этому параметру не будет.
Поэтому правильно будет взять два конденсатора на 68 мкФ 50 В и соединить их параллельно. Таким образом, мы получим общую емкость в 132 мкФ, максимальное напряжение в 50 В и максимальный импульсный ток в 3,6 А. Такая система будет надежной и проработает долго.
Аналогичным образом выбираются и дроссели, и транзисторы, и вообще любые другие компоненты. Всегда надо помнить про их предельные параметры и брать компоненты с запасом минимум 25-30%.
К предельным параметрам можно также отнести и температуру. Существует три основные температурные группы:
- Commercial (0 ℃…+70 ℃)
- Industrial (-40 ℃…+85 ℃)
- Military (-55 ℃…+125 ℃)
Данное деление не является абсолютным, существуют также и всякие расширенные поддиапазоны. Но важно одно – все (абсолютно все) компоненты на вашей схеме должны попадать в заданный техническим заданием температурный диапазон. То есть, при проектировании схемы всегда надо держать в голове требуемый диапазон рабочих температур и выбирать компоненты в соответствии с ним. Диапазоны рабочих температур (а также и диапазоны предельных температур) всегда приводятся в документации.
Стоит также отметить, что микросхемы диапазона Military вы, скорее всего, не сможете купить: они продаются далеко не всем желающим.
3. Защищайтесь от статики
Электростатический разряд способен за долю секунды выжечь порты микросхемы стоимостью в тысячи долларов. По этой причине следует всегда помнить о нем и предпринимать меры по защите своих устройств. Вообще тема защиты от статического электричества довольно обширна и уже сама по себе заслуживает отдельной статьи. В рамках этой попробуем лишь кратко рассмотреть основные правила, которые я выработал для себя:
- Все интерфейсные разъемы (USB, UART, RS-232 др.), с которыми потом будет контактировать пользователь, однозначно должны иметь защиту от статического электричества.
- Все кнопки, на которые нажимает пользователь, должны иметь защиту от статики, при условии, что они заведены на чувствительные микросхемы.
В случае, если оконечный драйвер уже имеет встроенную защиту от статики, и если эксплуатация изделия не предполагает суровых условий, дополнительную защиту можно не ставить. Примером может послужить преобразователь RS-232 SN65C3223, у него уже есть встроенная защита от статики.
- В случае, если предполагается эксплуатировать изделие в суровых условиях, встроенной защиты может быть недостаточно и потребуется ставить дополнительно еще и внешние элементы.
- Защищать ли от статики внутриблочные разъемы – это зависит от культуры вашего производства. Если монтаж происходит в специальных комнатах с антистатической мебелью и покрытием полов, а все монтажники применяют антистатические браслеты – это может быть и не обязательно. При других условиях защита тоже лишней не будет.
К элементам защиты от статики предъявляются следующие требования:
- Они должны выдерживать заданную энергию электростатического разряда.
- Они должны быть рассчитаны на соответствующее рабочее напряжение. Мало смысла ставить защитный диод на 15 В в цепь, максимальное допустимое напряжение для которой 3,6 В.
- Они должны иметь малую паразитную емкость (для высокоскоростных цепей – единицы пикофарад максимум). Если вы поставите какой-нибудь мощный защитный диод (который почти наверняка будет обладать большой емкостью) в цепь USB 3.0, то просто завалите фронты сигналов и ничего работать не будет.
- Они должны иметь маленькие токи утечки. Типовое значение – единицы нА.
- На печатной плате они должны располагаться в непосредственной близости от разъема, и дорожка печатной платы должна проходить строго «вывод разъема -> элемент защиты-> защищаемый компонент».
- После защитного диода и перед микросхемой нелишним будет поставить резистор в единицы-десятки Ом, если это допустимо. Этот резистор будет способствовать рассеиванию возможного всплеска напряжения на защитном диоде при сильном разряде.
Что именно использовать в качестве защиты от статики? Сейчас имеется достаточно богатый выбор:
Защитные диоды с фиксированным уровнем напряжения. Примером может служить диод CDSOS323. Существуют как однонаправленные, так и двунаправленные варианты таких защитных диодов:
- Защитные диоды с уровнем напряжения, определяемым источником питания. Примером может служить диодная сборка TPD4E001: рабочий диапазон напряжения Vcc составляет от 0,9 до 5,5 вольт.
- Рядом с такими диодами рекомендуется располагать конденсатор небольшой емкости, включенный по питанию.
- Варисторы. Есть специальные виды, предназначенные для защиты от статики. Примером может служить CG0402. Благодаря ультра маленькой емкости в сотые доли пикофарад, они могут применяться в таких высокоскоростных устройствах как USB 3.0 или HDMI:
- Не используете для защиты от статики стабилитроны! Они предназначены для другого.
- В особо тяжелых случаях может потребоваться использование газовых разрядников, но это уже не совсем про статику