A NyÁK-tervezés alapjai

Mark Cundle – globális műszaki marketingigazgató – RS Components

A nyomtatott áramköri kártyák tervezése a kapcsolási rajzon szereplő alkat­-részek műszakilag célszerű és egyben költséghatékony elrendezéséről szól. Korábban ehhez a feladathoz drága céleszközökre volt szükség, azonban a jól működő, mégis ingyenes szoftverek – például a DesignSpark PCB –, valamint a sablonok és mintatervek egyre szélesebb körű elterjedése jelentősen fel­gyorsí­totta a tervezők munkáját.

A problémák kezelése

A legjobb módszer a később sok időt és pénzt felemésztő hibák elkerüléséhez a bevált gyakorlatok alkalmazása. Ezek figyelmen kívül hagyása miatt például az elektromágneses zavarvédelmi tesztelés során napvilágra kerülő hibák javítása igen költséges lehet, sőt akár az eredeti elrendezés átdolgozását is igényelheti, ami pedig akár hónapokkal is hátráltathatja a projekt megvalósítását.

Kihívások
Az első olyan probléma, amellyel a tervezők szembekerülnek, az alkatrész-elrendezés. Ezt bizonyos mértékig a kapcsolási rajz határozza meg, hiszen egyes alkatrészek logikusan egymás mellé kerülnek. Számos másodlagos körülményt is fontos ugyanakkor figyelembe vennünk. Például a hőmérséklet-érzékeny elemeket – többek között az érzékelőket – célszerű minél távolabb helyezni a hőt leadó alkatrészektől, egyebek közt különösen a feszültségátalakítóktól. Ha az áramkör különböző tápfeszültségű részekből áll, az áramköri kártya különböző pontjaira a 12 V-os feszültséget 5 V-osra alakító alkatrészek kerülhetnek. Ezek az alkatrészek pedig hőt és elektromágneses zajt termelnek, ami negatívan befolyásolja más alkatrészek működését, de akár az egész rendszer megbízhatóságát és teljesítményét is.
    Az ilyen alkatrészek az egész berendezés elektromágneses teljesítményét befolyásolják, ami pedig nemcsak a működés és az energiafogyasztás, hanem a készülék engedélyeztetése szempontjából is fontos. Minden Európában forgalmazott berendezésnek meg kell szereznie a CE-jelölést, aminek egyik feltétele, hogy a berendezés ne okozzon interferenciát más rendszerekben. Az interferencia leggyakoribb okozója a kapcsolóüzemű tápegység, azonban okozhatják számos más elemek, például a panelen található DC/DC-átalakítók, sőt a nagysebességű adatkonverterek is. Az elektromágneses sugárzást a nyomtatott áramkörök vezetőpályái is felfoghatják, majd azt apró antennaként szétsugározhatják, ez pedig – az áramkör kialakításától függően – nem várt frekvenciákon és területeken észlelhető zajt okozhat.
A távoltéri interferencia okozta problémák megoldhatók árnyékolással és fémburkolatokkal, azonban az áramköri kártyán található, interferenciát okozó alkatrészek gondos megválasztásával csökkenthető a teljes költség, mivel olcsóbb burkolatok is alkalmazhatók.

1. ábra A DesignSpark PCB használata a NyÁK-tervezéshez

Az elektromágneses interferencia az áramköri kártyán belül is problémákat okozhat. Az áramköri kártya vezetőpályáival induktív csatolás alakulhat ki, ami csökkenti a jel/zaj viszonyt, ezzel pedig az egész készülék teljesítőképességét. Túl nagy zaj esetén a jel teljesen el is veszhet, és drágább alkatrészekre, például erősítőkre lehet szükség, holott a probléma nemritkán a fontos jelútvonalak gondos megválasztásával is megelőzhető. Ebben az esetben a sablontervek kevésbé hasznosak, hiszen a tervezett áramkörben eltérő termikus és elektromágneses tulajdonságokkal rendelkező, különböző alkatrészek kerülnek eltérő helyekre.
    A nyomtatott áramkörök tervezése során a kapacitás is fontos tényező, mivel lassítja a jeleket és növeli az energiafogyasztást. A párhuzamos és a különböző rétegekben egymás felett elhelyezkedő vezetőpályák között kapacitív csatolás alakulhat ki. Ez viszonylag könnyen elkerülhető azzal, hogy a vezetőpályákat nem hagyjuk túl sokáig párhuzamosan futni, hanem egyikükbe kanyarokat iktatunk be. Itt is fontos azonban a gyártástervezési szabályok figyelembevétele, amellyel elérhető, hogy az áramkör egyszerűen gyártható legyen, és ne tartalmazzon zajsugárzást fokozó, túl „éles” kanyarokat. A vezetőpályák túl közel is kerülhetnek egymáshoz, ez pedig rövidzárlatot okozhat a pályák között, főleg azokon a helyeken, ahol idővel tűkristályok alakulhatnak ki. A tervezési szabályok ellenőrzésekor általában felfedezhetők azok a helyek, ahol erre a szokásosnál nagyobb esély van.
    A probléma főleg a földsíkok esetén hangsúlyos. Ilyenkor egyetlen egybefüggő fémréteg kapacitív csatolást alakít ki az összes alatta és felette elhelyezkedő vezetőpályával. Bár a földsík hatékonyan árnyékolja a pályákat, saját parazitakapacitást is kialakít, ami pedig csökkenti a vonal sebességét és növeli az energiafogyasztást.
    A rétegek közötti viák (furatgalvanizált átkötések) kialakítása az egyik legfontosabb probléma a többrétegű áramköri kártyáknál, mivel ez gondokat okozhat a gyártás során. A nem kifogástalanul kivitelezett viák csökkentik a jelek teljesítményét és a késztermék megbízhatóságát, ezért használatukat alaposan meg kell fontolni.

2. ábra Egy 555-ös időzítő áramköri kártyájának elrendezése

Megoldások
A NyÁK-tervezés különböző kihívásaira különféle technikákkal válaszolhatunk. Egyeseket – például a differenciális jelvezetéssel elérhető zajcsökkentést – magában a tervben kell érvényesítenünk, míg másokat az áramköri alkatrészek elrendezése során. Ezeket
a tervezési technikákat a tervezőeszközök automatikusan is megvalósíthatják, mindazonáltal az automatikus elrendezés és alkat­rész-elhelyezés manuális helyesbítésének lehetősége jelentősen
javíthatja a tervezés színvonalát. E folyamatok során pedig a terve­zésiszabály-ellenőrzések garantálják, hogy az áramkör technológiai fájljai megfeleljenek a gyártó követelményeinek.
    A rétegekre osztás csökkentheti a parazitakapacitásokat, azonban növelheti a rétegek számát, és vele a költségeket, továbbá a viák kialakításában is több kihívással találkozunk. A táp- és földpályák egymásra merőleges vezetésével kétrétegű áramköri kártyák esetén is elérhető a földsíkhoz hasonló hatás, ezáltal pedig csökkenthető a kapacitás és egyszerűbb a gyártás, ám ennek gyakran az áramköri kártya méretének növekedése az ára.
    A DesignSpark PCB és a hasonló tervezőeszközök használatával e problémák némelyike már a tervezés kezdetétől fogva megoldható, azonban a NyÁK-tervezés alapvető követelményeinek ismeretére mindenképpen szükség van. A NyÁK-tervező például rögtön több réteget alakít ki – például két jelvezető-, egy föld- és egy táp­feszültségréteget. Az automatikus alkatrész-elhelyezés igen hasznos funkció, amely lehetővé teszi, hogy a tervező több időt fordíthasson az alaposabb megfontolást igénylő részletekre, például az érzékeny jelvezetőkhöz közel kerülő teljesítményeszközök vagy a magasabb hőtermelésű területek áttekintésére. Ehhez hasonlóan a jelvezetők automatikus elhelyezésével is elkerülhető a problémák többsége, azonban némi elemzés és manuális beavatkozás a magas kockázatú területeken jelentősen javíthatja a NyÁK-terv színvonalát a „kihozatal” (a hibátlan termékek aránya) növelése, valamint a költségek csökkentése révén.
    A tervezési szabályok ellenőrzése is nagyon hasznos eszköz, amely többek között feltárja, hogy a vezetőpályák nem kerültek-e túl közel egymáshoz (azaz nem áll-e fenn a rövidzárlat veszélye), emellett a gazdaságos kialakításról is gondoskodik. Lehetőség van továbbá a tápfeszültség- és a földsíkok vizsgálatára és szerkesztésére, amely által elkerülhető a parazitakapacitást okozó nagy felületek kialakítása.

Az említett eszközök segítenek a végtermék elkészítéséhez elengedhetetlen „kimenetek”, például a vezetőpályák és forrasztási felületek nyomtatására szolgáló Gerber-fájlok, illetve a fúróautomatát ve­zérlő Excellon-fájlok előállításában is. Ezeknek illeszkedniük kell az áramköri kártya gyártójának technológiai fájljaihoz.

Összegzés
A NyÁK-tervezés során számos problémát kell figyelembe venni, amelyek többsége azonban a DesignSpark PCB-hez hasonló szoftverekkel hatékonyan megoldható. Néhány bevált gyakorlat alkalmazásával a tervezők olyan költséghatékony, megbízható áram­köri kártyákat fejleszthetnek, amelyek megfelelnek a rendszerspecifikációnak, és a tanúsítási eljárás során sem okoznak kiterjedt, költséges problémákat.

RS Components Magyarország
Tel.: +36 1 408 8371, fax: +36 1 408 8372
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.rscomponents.hu