Данная статья не является инструкцией, а только поводом для размышления. Топология - очень сложная и многогранная наука. Все факты лучше узнавать из учебников или от авторитетных авторов, некоторые ссылки на которых я дал в этой статье.
Всем привет! В предыдущей статье я разработал плату для приемной и исполнительной части радиоуправления гусеничной платформой. И решил узнать у профессионалов - всё ли я делаю так. Сделал я это как обычно в специализированном чате. Таких чатов и форумов в рунете огромное множество. Как оказалось, кроме токсичности и самодурства есть место и адекватным советам. Каждый раз, когда приходится погружаться в это, вспоминаю короткий диалог с батей:
-Зачем?- робко спросил я.
-Покочану! - расставил все точки над „i“ батя.
Так вот. Что не так с топологией?
Сразу оговорюсь, что в пределах технического задания, которое я для себя обозначил, а это - уверенный прием в пределах комнаты - плата отлично будет работать, а всё остальное только обязательное стремление к совершенству! Ведь нужно делать хорошо в меру скромных сил своих и никогда не принимать что-то просто на веру. Проверить хотя бы несколько источников.
1. С чего всё должно начинаться?
Самое первое, что нужно сделать при проектировании печатной платы, когда схема и основные требования уже обозначены - разработка стека платы.
Стек - это структура платы, которая определяет положение слоев как проводящих, так и изоляционных. Их тип, количество, назначение, толщину. Всё это напрямую влияет на способ, которым будет производиться плата и на расчет, например, ширины токопроводящих линий - дорожек.
Допустим, я выбрал стандартный для большинства плат двусторонний фольгированный стеклотекстолит с диэлектриком FR-4 толщиной 1,6 миллиметра и толщиной фольги 0,035 миллиметра. Подходит для большинства проектов, почти везде в производстве стоит точно так же как односторонняя плата, но дает чуть больше свободы.
2. Выбор ширины дорожек.
Тут всё очень сложно. Но, опять же, нужно руководствоваться ТЗ и здравым смыслом. Обычные низкочастотные линии, в принципе, можно проводить трассой любой толщины. С ними всё более менее просто - чем больше ток, тем шире трасса. Если ток на всех линиях в плате позволяет обойтись дорожкой, например, шириной 0,2миллиметра, то можно выбрать эту ширину и использовать для трассировки всех линий.
Но высокочастотные линии ведут себя несколько по-другому. А как понять, что линия высокочастотная и начинает вести себя как микрополосковая?
Тут всё более-менее очевидно. Например:
Есть в схеме радиоуправления приемник на 433 мегагерца. Длина волны сигнала 0,692 метра. Но это в воздухе. Для диэлектрика нужно учитывать параметр εr. Для FR4 он примерно равен 4,3.
Получилось больше чем в два раза меньше. - такая себе формулировка. И что с этим делать дальше?
Дорожка становится микрополосковой и требует согласования при длине равной десятой доле длины волны. В данном случае 3,3см. И если не учитывать это и не делать согласования, то сигнал, проходящий по ней будет искажаться.
Для расчета ширины полоскА можно воспользоваться формулой выше и почитать подробнее вот тут.
В формуле:
w — ширина дорожки,
h — толщина диэлектрика (1.6 мм),
εr — диэлектрическая проницаемость (FR4 ≈ 4.3),
t — толщина меди (стандартно 35 мкм).
Как бы я не считал и не выражал - получилось что-то в районе 3мм. Так что нужно или делать короче, чем 3,3 сантиметра или как-то дополнительно согласовывать, нивелируя паразитные емкости, индуктивности и всё остальное. Наверняка легче всего сделать трассу значительно короче.
Кроме линии 433 мегагерца и кварца рядом с приемником на 6.7458 мегагерц у нас так же есть микроконтроллер, который переключает состояние портов с определенной скоростью нарастания фронта. В прошивке для CH32V003 этот параметр можно указать. Выбрать 30 или 50 опять же мегагерц. Удобно, что сразу в мегагерцах, а не в наносекукндах. Если выбрать частоту поменьше, то длина волны получится больше и это даст большую свободу, не позволив трассе стать микрополосковой. Тут из расчетов получается что-то около 50 сантиметров. Можно особенно не волноваться и выбрать любую удобную ширину.
3. Земля.
А вот это уже страсть как серьезно и требует глубокого изучения. Например тут отлично и кратко рассказано про важность данного аспекта. А если хочется чего-то фундаментального и есть год свободного времени, то можно почитать: "Elya B Joffe, Kai Sang Lock "Grounds for Grounding. A Handbook from Circuit-to-System".
Не счесть, сколько пальцев было стерто о клавиатуры в попытках доказать свою точку зрения по этому вопросу разными авторами и разработчиками. Аж страшно становится!
Но, если совсем кратко, то "земля" крайне важна! Ее не может быть мало и одной часто не обойтись. Она должна обеспечивать обратные пути прохождения энергии для всех волноводов( как-только дорожки не обзовут) и добавить конструкции стабильности, предсказуемости и благоприятно сказаться на электросовместимости.
Например, в том самом проектируемом приемнике нужно было максимально отгородить ВЧ часть от силовой. Развязав земли ферритовой бусиной. А эту бусину ещё нужно правильно выбрать. Ведь на какой-то частоте она бы блокировала значительную часть обратного пути для питания приемной части. Нужно внимательно изучить даташит, всё согласовать, а уже потом разводить плату.
Подключение элементов к земляному переходу обычно осуществляется с применением терморазгрузки. Несколько мелких дорожек внутри зоны запрета, вместо сплошного подключения.
Это позволяет более равномерно прогреть элемент при монтаже и не допустить искривления или даже подъема одного из контактов SMD элемента при пайке в печи и значительно облегчить пайку вручную, так как полигон не будет забирать на себя много тепла.
Отличный и правильный выбор в большинстве случаев. Но не нужно забывать, что у этих проводников есть своя индуктивность, они уменьшают равномерность тока в полигоне и для высокотоковых цепей или для элементов, которые могут нагреваться во время эксплуатации терморазгрузка оказывает негативное воздействие. А ещё нарушение сплошного полигона над сигнальной дорожкой на другом слое негативно влияет на обратные токи. Так что использовать в конкретном случае или нет - решать топологу, которые могут и выписать из своих рядов, если кто-то так не делает.
4. Подключение к контактным площадкам.
Тут всё зависит от технологии.
Например, если использовать ЛУТ и выбрать подключение номер 1, то при запекании в печи или монтаже феном элемент будет утянут поверхностным натяжением в сторону проводника. То же касается номера 2 и 4.
Проводники 4 и 5 создают так называемые "кислотные ловушки" - карманы, в которых скапливается раствор для травления, что может испортить геометрию этого участка.
При изготовлении платы с маской, как обычно делают в заводских условиях, 1, 2 и 3 проводники подключены корректно.
Тут ещё есть нюансы с механической прочностью, которую так же придает дорожка и по моему скромному мнению мельчить с ними не стоит хотя бы только из-за этого.
5. Эстетика.
Криво разбросанные по плате элементы, заезжающая друг на друга шелкография или эргономика, далекая от общепринятой выдает непрофессионализм разработчика. Даже если всё остальное сделано правильно и даже посчитано для каждой цепи - к такой плате всегда найдутся вопросы, а из-за того, что совершенству нет предела докопаться потом будет до чего.
Например на этой плате разработчики явно учитывали все технические моменты, сертифицировали устройство по своим евростандартам, но что это?
6.Заключение.
Я обозначил некоторое количество факторов и теперь постараюсь переразвести плату радиоуправления, вложив в нее больше усилий. Закажу производство обоих вариантов и всячески сравню. Результатами поделюсь в одной из следующих статей.
На этом, пока что, всё. Данная статья будет дорабатываться, дополняться фактами и будут устраняться неточности. Всем большое спасибо за просмотр! Как всегда буду рад комментариям! До свидания!