Как сделать землю на плате

Ручной монтаж сложных плат на компонентах 0402, 0603, QFN, LQFP и THT

Сегодня речь пойдет о том, как добиться высокого качества монтажа на платах с большим количеством компонентов — до 1500шт (можно и больше при плотном монтаже или при сборке 1-2 плат одновременно — не более). Потребность в таком сложном монтаже обычно возникает при изготовлении первого макета или нескольких образцов, чтобы убедиться в правильности трассировки печатной платы (основных сложных моментов) или же при разовом производстве. После получения такого макета можно начинать отлаживать программное обеспечение и вносить корректировки в плату. Заводская сборка, в этом случае, не совсем подходит из-за ее стоимости, подготовки конструкторской документации, подборки компонентов, сроков, макетирования и многого другого (под катом картинки на 8Мб).

Рис. 1. Готовая печатная плата с компонентами 0402 (обратная сторона).

Итак, начнем с того, что определим, что нам понадобиться. Весь поверхностный монтаж будет производиться феном и паяльной пастой, так как это в разы быстрее и качественнее чем паяльником и припоем в проволоке.

1. Паяльная станция (например, Lukey 852D+ с насадкой 10мм).
2. Тонкий немагнитный пинцет (для установки компонентов).
3. Пинцет с широким захватом (для нанесения паяльной пасты).
4. Флюс (например, Amtech NC-559-ASM, или другой безотмывочный).
5. Паяльная паста (Solder paste W001).
6. Хороший свет и стол.
7. Кисточка/ванночка/спирт для промывки печатной платы.

В процессе станет понятно что есть что, так что тут заострять внимание не будем. Для начала выполним все приготовления и поймем технологию пайки. Для того, чтобы спаять две поверхности, их необходимо сначала залудить, затем прислонить друг к другу, нагреть и после того, как олово полностью расплавится — остудить. Это вкратце. Качественная пайка не имеет вкраплений, раковин, трещин и имеет однородную структуру. Остывание припоя должно происходить в неподвижном состоянии, только в этом случае он застынет правильно.
Паяльную пасту необходимо немного доработать. Для того, чтобы она хорошо накладывалась и растекалась равномерным слоем ее необходимо разбавить с флюсом в пропорции примерно 2:1 (хорошо размешать в однородную массу). В некоторых случаях пропорция может изменяться, например, если все контактные площадки имеют большую площадь, то припой должен быть несколько гуще и наоборот.

Рис. 2. Паяльная паста.

Для того, чтобы пошагово объяснить весь процесс монтажа спаяем часть небольшой платы на которой расположены различные компоненты. Первое, что необходимо сделать (если плата только с производства и чистая) — это нанести на нее припой. Самый простой и быстрый, при определенной сноровке, способ — это нанесение широким пинцетом (или шпателем). Ниже приведены слайды процесса нанесения припоя. За один раз необходимо брать небольшое количество припоя и аккуратно равномерным и тонким слоем наносить его на плату (как лопаткой). Нет необходимости наносить его исключительно на контактные площадки, в процессе прогрева, из-за большого количества флюса, лишнее олово перейдет на контактные площадки либо превратиться в шарики, которые необходимо перенести на контактные площадки вручную (далее будет описано как это делать).

Рис. 3. Процесс нанесения припоя на плату.

Расстановка компонентов. Не все компоненты можно расставлять сразу после нанесения паяльной пасты. Например, элементы в корпусах LQFP с шагом выводов меньше чем 0,8 мм необходимо ставить немного позже — уже после первого прогрева феном, в противном случае, будут короткие замыкания между выводами, которые будет сложно удалить (конечно можно использовать «оплетку», но попробуем обходиться без нее). Итак, в первую очередь установим SMD конденсаторы, резисторы, диоды и т.д, компоненты в QFN корпусах. Для этого нам необходим тонкий немагнитный пинцет. Для быстрого и удобного поиска компонентов я использую поиск в Altium Designer (проект, соответственно сделан там же). Поиск компонентов выполняется слева направо, сверху вниз, выбираем компонент, например, конденсатор 100n, находим их все и устанавливаем на плату.

Рис. 4. Установка компонентов на плату.

Если необходимо собрать несколько плат, то лучше устанавливать компоненты сразу на 2 или 4 платы, так как в этом случае уменьшается вероятности ошибки установки компонентов не на те места, также это значительно уменьшит общее время сборки. Для того, чтобы упростить сборку, компоненты могут быть помещены в кассу, тогда их удобнее доставать и быстро запоминается их местонахождение. После того, как все необходимые компоненты установлены можно приступать к прогреву и непосредственно пайке. Плата должна лежать на ровной поверхности, которая не боится сильного нагрева. В левой руке необходимо держать фен, в правой пинцет. Температура (выставленная на индикаторе) приблизительно 390 град. — это довольно высокая температура, но именно для этой станции такое значение является нормальным (также, если нет специальных ограничений по температуре пайки компонентов). Процесс пайки сводится к прогреву отдельных частей платы (делать это нужно как можно равномернее), на которых стоят компоненты, избегая перегревов и «вспучивания» текстолита. Для плат с маленьким количеством больших полигонов и 4-слоек температуру необходимо уменьшить до 360 град. Во время прогрева необходимо следить за тем, как плавится олово и одновременно пинцетом поправлять компоненты на контактных площадках. Особенно следите за компонентами типоразмера 0402, так как они начинают «плыть» на флюсе и могут перемешаться на плате. В процессе пайки олово скатывается в шарики, а между некоторыми контактными площадками образуются «залипоны» убирается это все с помощью компонента (например, конденсатора), захваченного пинцетом (главное запомнить с какого места взят компонент). Он собирает на себя лишнее олово, которое потом можно перенести на большие контактные площадки. Все это необходимо делать при прогреве платы, пока не высох флюс (его можно нанести отдельно, если что-то не получилось с первого раза). После пайки первой партии компонентов плата выглядит примерно так:

Рис. 5. Первый прогрев.

Я намеренно не стал устанавливать SOIC, чтобы показать как удобнее его паять. Перед установкой компонентов в LQFP и SOIC необходимо нанести тонкий слой флюса на (залуженные!) контактные площадки — это сделает пайку более качественной. Далее устанавливаем оставшиеся компоненты. Замечу, что чем меньше шаг выводов у компонентов, тем точнее их нужно позиционировать. Например, STM32F107 в корпусе LQFP64 во время прогрева будет не поднять пинцетом, так как если он сдвинется хотя бы на половину шага выводов (а это всего 0,25 мм), то олово зальется на соседние контактные площадки. SOIC можно будет приподнять для предварительного прогрева платы, так же это актуально для компонентов в пластиковом корпусе (реле, разъемы, оптопары и т. д.). При втором прогреве уже нет необходимости прогревать всю плату, можно ограничиться теми местами, где установлены необходимые компоненты. После пайки и промывки плата выглядит так:

Рис. 6. Второй прогрев.

Данная плата имеет двухсторонний монтаж. При пайке компонентов с другой стороны нижние (установленные ранее) начнут съезжать. Чтобы этого не происходило, необходимо установить плату на монтажные стойки (закрепить в держателе) или поставить несколько разъемов, чтобы избежать соприкосновения уже припаянных компонентов с поверхностью. Для качественной пайки выводных компонентов, тоже имеется пару ухищрений. Я всегда использую припой с флюсом (например RA-0,5), диаметром, соответственно, 0,5 мм. Чтобы получилось правильное затекание припоя между металлизированным отверстием и выводом компонента необходимо, чтобы во время непосредственно процесса пайки всегда соприкасались четыре предмета: паяльник, контактная площадка, вывод компонента и припой, а делается это так: прислоняем паяльник к выводу так, чтобы он одновременно касался пояска «пада», затем подносим припой и прислоняем его к паяльнику, как можно ближе к выводу компонента и «паду». В результате этого припой будет затекать в разогретое отверстие и образует небольшой «наплыв», после чего необходимо убрать припой, а затем паяльник от вывода и «пада».

Рис. 7. Пайка выводных компонентов.

В следующей статье я расскажу про установку BGA компонентов (BGA84, BGA78, BGA620 и даже BGA1084) с помощью фена. А также плюсы и минусы установки BGA при помощи специализированной инфракрасной паяльной станции.
PS: Если есть какие-либо советы на тему ручного монтажа, с удовольствием выслушаю, также могу подсказать, если что-то осталось неясным.

Металлизация платы «землей» в Sprint Layout

Всем доброго! В спринте есть фича металлизации платы, но она работает по принципу заливки свободных участков платы. Получаются островки меди, ник чему не подключенные. Можно ли как-то настроить, чтобы получить земляные полигоны?

94731 / 64177 / 26122
Регистрация: 12.04.2006
Сообщений: 116,782
Ответы с готовыми решениями:

Sprint Layout: одновременная ЛУТ-печать двух сторон платы
Одновременная печать двух сторон платы в Sprymt Layout Основная цель: минимизировать.

статья по sprint layout
хотелось бы обещанную на прошлом форум статью прочесть

Sprint Layout 6.0 официальная версия
Не знаю как давно, вышла новая версия Sprymt Layout 6.0 (официальная версия, не та, которая 5.0 и.

Sprint-Layout прямоугольные отверстия
Как в Спринте указать прямоугольное отверстие чтоб на производстве поняли(китайцы). весь спринт.

Регистрация: 12.04.2010
Сообщений: 3,260
У вас программа знает, где «земля»?
Регистрация: 30.01.2011
Сообщений: 335
Вопрос в том числе и в этом. Как ей показать, где земля, и заставить полигоны соединять с землей?
Регистрация: 12.04.2010
Сообщений: 3,260

Никак не показать. Эта программа просто для РУЧНОГО рисования платы БЕЗ привязки к схеме. Ей абсолютно все равно где земля. Можно, конечно, показать что с чем соединять и использовать мало-майский автотрассировщик, но это максимум. Можно с его помощью, кстати, соединить с «землей» и программа проведет эту линию. Но это максимум на что она способна.
Залить полигоном свободное место и перемычкой соединить с «землей» на плате.

Куда заводить землю на плате

Всем привет.
Возникла необходимость развести и изготовить платку небольшую для одного проекта. Пока делаю на ардуине, чтобы быстрее все собрать взял целиком duemilanove на 328-ой меге. Одной из ее задач будет считывание сигнала с емкостного сенсора AT42QT1011. Сам сенсор с необходимой обвязкой будет выполнен физически на другой плате. Так вот вопрос: какую землю заводить на AT42QT1011: ту которая идет с ардуины GND или же можно заземлиться, например, на пятачок меди на самой плате?
В инете нашел готовые микрухи с AT42QT1011 и там везде выведен контакт под землю, т.е я так понимаю под какую-то «внешнюю» землю:

http://store.diyimbiddid.som/images/qt1011.jpg
Почему нельзя просто заземлить все элемены на саму плату и не тащить землю откуда-то еще?
Сильно не бейте плз.

94731 / 64177 / 26122
Регистрация: 12.04.2006
Сообщений: 116,782
Ответы с готовыми решениями:

Куда землю паять?
Ребята, не судите строго. Экранчик к МК подключаю. Есть ножки для земли gnd и vout. Куда их.

Двухканальный усилитель на одной плате: вопрос про землю
Подскажите новичку, как лучше собрать усилок на LM1875. Взять два отдельных блока на одной плате.

Контакты на печатной плате Alcatel OT4032 POP C2 — Куда к плате цепляются какие антенны?
Залез в Alcatel OT4032 POP C2. Подскажите, куда к плате цепляются какие антенны (GSM, Wi-Fi.

Куда подсединять провода на плате EP-8RDA+?
У меня материнская плата EP-8RDA+ ,не могу понять, куда и как подсоединить провода ,кнопки запуска.

Регистрация: 03.11.2012
Сообщений: 9

Сообщение от itistro_moob

Почему нельзя просто заземлить все элемены на саму плату и не тащить землю откуда-то еще?

У вас же две разные платы.
Коротко:
Все уровни (напряжения) отсчитываются от некоей точки ( нулевого потенциала), за который принимают эту самую «землю». Не говоря о том, что элементы на плате нужно чем-то (от чего-то) запитывать (а это минимум 2 провода), ибо у вас на ней нет источника питания, для того, чтобы замерить этот самый уровень напряжения, нужно вспомнить, что напряжение- это разность потенциалов. Относительно нулевого провода, «земли». Заземлить каждый из элементов можно, но это потребует соответствующего количества проводов. Если же соединить «земли» на каждой из плат, то для того, чтобы определять уровни, потребуется соединить между собой платы только одним «земляным» проводом, который будет общим и для ардуины, и для сенсора.

Соединить надо земли сенсора, ардуины и источника питания. В принципе, можно и на «пятачок», если токи небольшие.

Или я вопрос не так понял?

itistro_moob

Можно и на пятячок, если токи небольшие. Ну там 5В везде максимум. Просто вот я смотрю на готовую схему сенсора и задаюсь вопросом, почему же они там не заземлились на саму плату, а сделали вывод под землю все таки. Было бы меньше контактов. Наверное это не спроста. Я вот и хочу понять почему так сделано.
Зачем тогда вообще на платах делают метализированный слой для земли?

И вот еще такой вопрос. Когда во всяких CADах типа игла и протеуса на схеме ставишь землю и пин в нее заводишь, он потом на плате куда именно этот пин заземлит то?

Регистрация: 21.08.2011
Сообщений: 1,057

на плате добавляется контакт к которому надо подпаять капсулу с чернозёмом
САПР никуда тот пин не заземляет. Он вообще не особо выделяет землю среди других сигналов. Просто инженер присваивает какому-то сигналу название GND. Чтобы «заземлить плату» обычно рисуют полигон и приписывают его к сигналу GND.

Земля это не какой-то мистический эталон, это просто точка с потенциалом, принятым за 0 В. В двухполярном питании есть отрицательные напряжения, и тогда в цепи такого напряжения «землёй» является именно -Х вольт, а общая земля делается позитивным напряжением +Х вольт.

Регистрация: 24.01.2014
Сообщений: 225

— Почему нельзя просто заземлить все элемены на саму плату и не тащить землю откуда-то еще?
Как это на саму плату? Сама плата из диэлектрика 🙂 Земля (GND) — это не просто заземление, это «нулевой провод» (минус питания в данном случае), относительно него подаются все сигналы, поэтому выводы GND всех модулей, входящих в устройство, должны быть надежно соединены.

А земляной слой, полигон на плате делают не для «заземления» а для экранирования (защиты чувствительных элементов от внешних электронигнитных наводок).

Регистрация: 02.05.2013
Сообщений: 170

Сообщение от Dymomdss

А земляной слой, полигон на плате делают не для «заземления» а для экранирования (защиты чувствительных элементов от внешних электронигнитных наводок).

Земляной плейн на платах делают, главным образом, для обеспечения минимального импеданса на пути распространения возвратного тока 🙂

Экран — это так, приятный бонус.

Регистрация: 30.08.2010
Сообщений: 3,379

Если присутствуют аналоговые датчики, то делается еще и аналоговая земля, отдельно. И с цифровой они объединяются в одной точке, около блока питания (в особо запущенных случаях через RC цепочку). Соответственно, если аналоговая земля нужна на выносной плате с датчиками, то на ее выводится и цифровая, и аналоговая земля, отдельно. И желательно, по несколько пинов на коннекторе.

Лучшие методы заземления печатных плат высокой мощности и HDI-плат

В публикации рассматриваются эффективные способы заземления плат большой мощности и плат с высокой плотностью размещения компонентов. Рекомендации, приведенные в данной статье, помогут разработчикам избежать многих ошибок при проектировании электронных устройств.

Управление большими токами и напряжениями в платах с высокой плотностью компоновки, смешанными и высокочастотными сигналами является одной из основных задач разработчика. Выбор метода заземления зависит от размера и топологии печатных плат, а также от их типа (жесткие, гибкие или гибко-жесткие). В этой статье, публикуемой на основе [1], рассматриваются эффективные способы заземления плат большой мощности и плат с высокой плотностью размещения компонентов.

Введение

Разработка и внедрение новых технологий заземления печатных плат, например для специальных заземляющих площадок, переходных отверстий, гальванической изоляции необходимы для проектирования и производства надежных и безопасных электронных устройств. Вопросы заземления наиболее важны для высокомощных печатных плат с большой плотностью монтажа компонентов (HDI), поскольку такие платы в значительной степени подвержены возникновению нежелательных помех, шумов и других угроз, связанных с электричеством.

Выбор метода заземления зависит от размера и топологии печатных плат, а также от их типа (жесткие, гибкие или гибкожесткие). Управление большими токами и напряжениями в платах с высокой плотностью компоновки и смешанными и высокочастотными сигналами является одной из основных задач разработчика. В этой статье рассматриваются эффективные способы заземления для плат большой мощностии HDI-плат.

Для чего требуется заземление в печатных платах?

В конструкции печатных плат заземление обеспечивает общий обратный тракт для электрических сигналов и сигналов мощности, а также служит контрольной точкой для измерения напряжения цепи. Эффективное заземление — важнейшее условие безопасной работы печатной платы. Надежная система заземления также является основой оптимальной передачи электроэнергии. Более того, заземление обеспечивает термическую стабильность, защиту, предотвращает электромагнитные помехи и сохраняет целостность сигнала. Для реализации надежных соединений между компонентами и плоскостями заземления разработчики должны знать и применять современные методы маршрутизации печатных плат.

Разные типы заземления в конструкциях печатных плат

На рис. 1 показаны заземления разных типов, которые обозначаются специальными значками.

Заземление через электрод

Это опорная точка на печатной плате, в которой измеряется напряжение сигнала. Она соединяется с внутренней плоскостью заземления. Если дизайн платы подразумевает использование аналоговых и цифровых сигналов, то разработчику необходимо обеспечить отдельные заземляющие тракты для сигнала каждого типа.

Заземление на корпус/шасси

Такой тип заземления предназначен для создания обратного тракта для электрических сигналов, которые требуется заземлять отдельно от других сигналов.

Потенциально заземленная точка

Заземление этого типа не соединено с основной заземляющей плоскостью. Пример такого заземления — обеспечение обратной связи операционного усилителя (рис. 2).

В схеме за счет резистора Rf создается глубокая отрицательная обратная связь и, как следствие, особый режим точки V₂. Эта точка представляет собой заземленную точку, так как ее потенциал равен потенциалу точки V₁ и потенциалу земли. Потенциально заземленные точки могут использоваться для анализа функциональности операционного усилителя. Заметим, что для других схем заземление такого типа не подходит.

Непрямое (плавающее) заземление

В изолированных системах непрямое заземление представляет собой контрольный проводник без физического соединения с землей или другими заземленными проводниками. Напряжение на заземляющих контактах и проводниках не определено. Плавающее заземление считается системной ошибкой, хотя в некоторых случаях оно намеренно используется в целях безопасности. Например, в схеме на рис. 3 разделительный трансформатор используется в источниках питания низкого напряжения (НН) для отделения основного заземления от заземления НН.

Таким образом тракт заземляющего тока от основного источника питания исключается за счет плавающего заземления низкого напряжения. Эта схема обеспечивает электробезопасность всей системы даже при возникновении неисправности на стороне НН.

Заземление переменного тока

Такой тип заземления представляет собой заземляющие тракты с низким импедансом, которые блокируют обратный постоянный ток, обычно получаемые путем подключения конденсатора к заземляющему слою.

Заземление на корпус

Заземление формируется при соединении печатной платы с металлическим корпусом шасси. В качестве меры безопасности корпус также напрямую соединен с землей. Кроме того, заземление такого типа может дополняться радиочастотными фильтрами и средствами защиты от электростатического разряда. Недостатком этой системы является паразитная емкость (рис. 4).

Защитное заземление с помощью обратной цепи

Это физическое соединение с землей, которое действует как безопасная точка возврата избыточного тока. Такое заземление обеспечивает канал для рассеивания нежелательной энергии и защиты цепи, что особенно необходимо в высоковольтных источниках питания.

7 методов заземления в мощных печатных платах и HDI-платах

Рекомендации по заземлению различаются для изолированных и неизолированных силовых цепей. Наилучшее решение для заземления конкретной конструкции печатной платы определяется путем комбинации способов, описанных в этом разделе.

1. Специальные плоскости заземления

Заземляющая плоскость (земляной полигон) — медный слой в сборке печатной платы, который обеспечивает обратный тракт для сигналов. Обычно эта плоскость располагается сразу под сигнальным слоем печатной платы, что уменьшает длину тракта. Земляные полигоны обеспечивают маршрутизацию сигнала с контролируемым импедансом в микрополосковой или полосковой конфигурации. В многослойных печатных платах одна из внутренних медных плоскостей может использоваться в качестве заземляющей. Наличие отдельных слоев заземления для участков высокого и низкого напряжения (рис. 5) может уменьшить перекрестные помехи.

Заземляющие плоскости должны быть подключены к источнику питания отдельно. Кроме того, земляные полигоны большого размера помогают управлять тепловым режимом в случае высоких токов: действуя как радиаторы, они позволяют равномерно распределять тепло по всей плате.

Рекомендации по проектированию плат с заземляющими плоскостями.

• Земляные полигоны должны быть однородными и покрывать максимально возможную площадь печатной платы. Это позволяет минимизировать падение напряжений и улучшить целостность сигнала.
• Плоскость заземления должна располагаться сразу под сигнальным слоем платы, чтобы уменьшить обратный тракт сигнала. Это помогает снизить количество токопроводящих контактных колец и контуров заземления.
• Следует предусмотреть наличие отдельных заземлений для входного переменного, нерегулируемого и регулируемого постоянного тока, чтобы обеспечить хорошую электрическую изоляцию.
• Цепи возврата тока следует сгруппировать таким образом, чтобы каждая группа была обеспечена отдельным заземлением. Это позволит изолировать помехи от токов одних цепей от других.
• Корректная маршрутизация цепей (без пересечений) поможет избежать возникновения перекрестных помех.
• В случае, когда сигнал меняет свое опорное заземление, применяется сшивающий конденсатор. Для получения однородного слоя заземления используются медные заливки (рис. 6), которые в дальнейшем соединяются при помощи переходных отверстий.

• В соответствии с «общей стратегией заземления» свободное пространство на печатной плате должно быть покрыто медными заливками.
• Поскольку слои питания могут вызвать помехи, они должны располагаться как можно дальше от краев печатной платы. По краям платы, даже на силовых плоскостях, следует использовать земляные полигоны, действующие как экран (рис. 7)

При заземлении на корпус необходимо спроектировать специальный пустой проем на слое заземления, который присоединится к корпусу (рис. 8). Это позволит избежать образования петли заземления. Заземление переменного тока можно обеспечить с помощью конденсатора. Если конструкция платы такова, что все сигнальные токи и токи питания возвращаются в одну точку, такой точкой может стать вывод корпуса устройства.

Конденсатор, используемый для соединения полигона заземления и обычного заземления на печатной плате, обеспечивает изоляцию сигналов постоянного тока и предоставляет обходной путь для высокочастотных шумовых сигналов. Необходимо выбирать конденсаторы с высоким напряжением и низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR). Если обратный ток цепи меньше, плоскость шасси замыкается непосредственно на плоскость заземления. В случае очень высокого обратного тока необходимо изолировать плоскости шасси с помощью конденсаторов.

2. Заземляющие дорожки для предотвращения петли заземления

Заземляющие контуры (петли) возникают из-за множественных обратных трактов тока, вызванных разницей потенциалов по всей цепи. Чтобы поддерживать одинаковое напряжение заземления на всей плате, контакты заземления разъемов и компонентов подключаются отдельно к соответствующей заземляющей области с помощью переходных отверстий или коротких дорожек (рис. 9).

Эта структура называется многоточечным заземлением и используется преимущественно в высокочастотных печатных платах. При использовании такой конструкции следует избегать размещения дорожек между заземляющими контактами, так как они создают контур заземления, который, в свою очередь, становится причиной возникновения помех и шумов (рис. 10). Кроме того, необходимо убедиться в отсутствии неподсоединенных (открытых) проводников, поскольку они могут действовать как антенна.

При использовании технологии с несколькими точками заземления для монтируемых в отверстия компонентов следует применять теплоотводящие контактные площадки. Такие контактные площадки не только обеспечат достаточное количество металла для протекания тока, но и поспособствуют аккумуляции тепла, необходимого для пайки при сборке.

Заземление по схеме «звезда» обеспечивает индивидуальные тракты обратного тока

Любая электронная система с одной или несколькими печатными платами должна быть оснащена одной точкой, в которой сходятся все заземления. Такой точкой может быть выделенный заземляющий слой на печатной плате или шасси. В низкочастотных конструкциях имеется одна точка, в которой все заземления связаны
вместе. Как правило, такая схема называется заземлением по принципу звезды. Пример такого заземления — источники питания высокого напряжения (рис. 11).

На схеме рис. 11 показаны три линии, которым необходимо заземление: возврат входной мощности, заземление в цепи сигнала и возврат высокого напряжения. Для обеспечения оптимальной производительности всей системы каждая линия должна оснащаться отдельным возвратным трактом для предотвращения нежелательных помех и смешивания сигналов. Кроме того, данный метод заземления позволяет контролировать ширину трасс для каждого отдельного пути в зависимости от требований к токонесущей способности.

При проектировании платы следует учитывать, что размещение чувствительных дорожек (для тактовых и других цифровых сигналов) рядом с проводниками питания может спровоцировать возникновение шумов. Внутренние проводники могут быть уже внешних, так как они не подвержены внешнему вмешательству. В сильноточных печатных платах следует всегда использовать широкие заземляющие проводники, чтобы предотвратить перегрев и свести к минимуму импеданс заземления. А в платах высокого напряжения необходимо проконтролировать зазоры между проводниками и обеспечить достаточный тракт утечки, чтобы не образовался электрический пробой цепи. Если конструкция печатной платы не предусматривает наличие эксклюзивных заземляющих плоскостей, ширина сигнальных проводников должна быть наименьшей (6–8 мил), а ширина силовых и заземляющих дорожек — 15–25 мил. Заметим, что ширина проводника должна быть пропорциональна протекающему по ней току.

Программа для проектирования таких должна отвечать следующим требованиям:

• IPC-2152 (определение допустимых токовпечатных плат);
• возможность вычислений 3-в-1 для определения превышения температуры над окружающей средой, ширины проводников и максимального тока трассы;
• наличие опций вычисления сопротивления, падения напряжения и потерь мощности;
• поддержка внутренних и внешних слоев печатной платы.

Защитные дорожки для уменьшения перекрестных помех

Для уменьшения перекрестных помех часто используются специальные защитные дорожки, которые устанавливаются с обеих сторон чувствительного сигнала и заземляются с обоих концов (рис. 12).

Однако для плат с высокой плотностью размещения элементов технология защитных дорожек не подходит, так как требует достаточно большого пространства на плате. Кроме того, лучше не применять эту технологию для трасс с контролируемым импедансом. В свою очередь, при использовании защитных дорожек следует помнить, что промежуток между ними и сигнальными проводниками должен превышать их ширину не меньше чем в 3–5 раз, чтобы избежать воздействия на импеданс.

3. Гальваническая развязка с отдельными участками высокого и низкого напряжения

В случае высоковольтных приложений используется гальваническая развязка, позволяющая предотвратить утечку тока, которая может привести к поражению им оператора или к повреждению других частей платы. Этот метод также применяется, когда у двух участков печатной платы имеются разные потенциалы заземления, но при этом между ними должен передаваться сигнал. Развязка позволяет избежать нежелательной связи переменного и постоянного тока между двумя частями платы. Эта технология применяется также для разрыва контуров заземления с целью поддержания целостности связи. При этом по вышающие или понижающие трансформаторы используются вместе с предохранителями и конденсаторами (рис. 13), а обмен информацией между изолированными участками обеспечивается с помощью оптронов (рис. 14), датчиков Холла или реле.

Например, если входное питание поступает от трехпроводной однофазной сети переменного тока с большими токами, трансформатор используется для понижения напряжения. Заземление, подкюченное к вторичной обмотке трансформатора и другим частям печатной платы, называется вторичным заземлением (SGND). Гальваническая изоляция развязывает питание платы на физическом уровне. Если необходимо сохранить изоляцию постоянного тока в системе питания, гальваническую развязку следует реализовать так, как показано на рис. 15.

Заземляющая плоскость соединяется с заземлением только на входе (первичная сторона). Металлизированные отверстия используются для установки соединения между шасси и печатной платой. На выходе (вторичная сторона) металлизированные отверстия соединяются только с шасси, но не с заземлением печатной платы.

Следует соединять PGND и SGND с конденсатором класса Y, чтобы предотвратить шумовое излучение и обеспечить гальваническую развязку для больших значений постоянного тока и равномерный потенциал заземления для переменного тока. Развязка искусственно ограничивает передачу энергии из одной цепи в другую, что предупреждает повреждение компонентов цепи или поражение электрическим током людей, прикасающихся к оборудованию, у которого электрический контакт с цепью. Фильтр электромагнитных помех может также использоваться на изолированном главном (первичном) входе, направляя любой низкий шум на заземление. Высокочастотные дифференциальные или синфазные шумы, возникающие от вторичной обмотки, допустимо направлять на заземление через первичную сторону. Возникающие на входном/выходном разъеме разряды электростатического электричества заземляются сначала через SGND, а затем по тому же тракту направляются на системное заземление.

4. Отдельные аналоговые и цифровые участки для предотвращения помех

Когда аналоговая и цифровая секции изолированы друг от друга, их заземление можно соединить в одной точке с помощью заземляющих сеток, резисторов с нулевым сопротивлением или ферритовых колец. Альтернативой этому методу служит размещение возвратного тракта питания между двумя плоскостями таким образом, чтобы обратные токи от каждого сегмента не попадали в другую плоскость (рис. 16).

Компоненты смешанных сигналов, например АЦП, могут размещаться между секциями. Заземление устройств со смешанными сигналами должно производиться через общую точку заземления, с которой цифровые сигналы передаются на другие части печатной платы.

5. Сетки (решетки) переходных отверстий для слоя заземления

Переходные отверстия обеспечивают прямой доступ к заземлению из любой точки на плате (рис. 17). Идея в том, чтобы возвратные тракты сигнала были максимально короткими для уменьшения контуров заземления. Заземление этого типа очень удобно для многослойных печатных плат высокой потности с четырьмя и более слоями.

Формирование соединений методом сшивания переходных отверстий укорачивает возвратные тракты тока от устройств нагрузки к источнику питания. Во избежание резонанса расстояние между заземляющими переходными отверстиями и соответствующим проводником должно составлять 1/8 (или меньше) от длины волны. Такая конструкция обеспечивает защиту важных компонентов благодаря переносу тепла к специальным тепловым площадкам. Заметим, что плоскости питания, находящиеся близко к краю платы, оказывают влияние на другие слои. Этого можно избежать, если создать экран (клетку Фарадея) путем сшивания переходных отверстий с шагом 50–100 мил по краям (рис. 18, 19).

Для того чтобы прочность платы не ухудшилась, необходимо уделять особое внимание физической стабильности ее краев и тщательно подбирать расстояние между переходными отверстиями. Заземляющие сетки должны обеспечивать подходящие опорные плоскости для трасс (рис. 20). Если нет возможности создать общую заземляющую плоскость, можно использовать заземляющую сетку, которая соединяется с переходными отверстиями, расположенными через соответствующие интервалы. Заземляющие сетки применяются также в гибких печатных платах, поскольку обычные земляные полигоны в таких платах могут оказывать влияние на их гибкость. Часто полосы заземляющей сетки располагаются под углом 45°; эта технология называется штриховкой.

Технология, в которой переходные отверстия для заземляющей сетки располагаются по краям, образуя внешнюю границу, может использоваться в случае особых требований к конструкции, напримердля высокочастотных печатных плат, которые содержат микрополосковые линии и копланарные дорожки импеданса. Если конструкция платы подразумевает наличие дорожек от ВЧ-разъемов, необходимо предусмотреть полоски заземления по обеим сторонам дорожки с соответствующим интервалом и переходными отверстиями (рис. 21).

Программа для проектирования таких плат должна отвечать следующим требованиям:

• возможность использования двумерных численных решений уравнений Максвелла для линий передачи на печатных платах;
• поддержка 82 моделей импеданса на основе геометрии трассы и соответствующих опорных плоскостей;
• возможность вычисления оптимальной ширины трассы для заданного значения импеданса;
• определение общих вносимых, диэлектрических и проводниковых потерь.

6. Установка обходных и развязывающих конденсаторов для предотвращения ошибок заземления

Когда шина питания распределяется между несколькими компонентами платы, активные компоненты могут создавать опасные явления и помехи, например, звон или дребезг земли. Явление дребезга возникает, когда напряжение разных точек заземления на плате колеблется. Большинство методов решения этой
проблемы предполагает установку блокировочного конденсаторав схему. Это позволяет эффективно блокировать скачки напряжения и шумы источника питания. Блокировочные конденсаторы устанавливаются рядом с выводом питания каждого устройства на плате и присоединяются отдельно к заземлению с помощью коротких дорожек или переходных отверстий. Необходимо избегать последовательного подключения заземления, так как это увеличивает индуктивность.

Разделительные конденсаторы используются параллельно источнику питания для отделения входящих сигналов переменного тока от сигналов постоянного тока и подключаются между контактами питания и заземлением. Однако нередки ситуации, когда дорожки идеально не подходят для соединения заземления и конденсатора. Разделительные конденсаторы сглаживают колебания, создаваемые напряжением питания, уменьшая шум и электромагнитные помехи, а также отфильтровывают любые возникающие пики и защищают микросхемы в цепи. Установка разделительных конденсаторов рядом с контактом источника питания гарантирует, что микросхема будет получать питание независимо от колебаний напряжения.

7. Заземляющие провода и устройства защиты от грозовых разрядов для безопасной эксплуатации

Высоковольтные и сильноточные системы можно сделать безопасными с помощью:

• заземляющих проводов, которые обеспечивают низкоимпедансные тракты для обратных токов в высокомощных платах;
• устройств и технологий защиты от перенапряжений и грозовых разрядов. Эти устройства предназначены для отведения скачков напряжения от электрических компонентов и распределения их по земле. В таких случаях плоскостью заземления может стать медная труба внутри здания или земля. Разрядники с воздушным зазором, газоразрядные трубки и силовые изоляторы — оборудование, которое применяется для защиты от электростатического разряда. Защиту от коротких замыканий, перегрузок по току и напряжению обеспечивают предохранители. При выборе устройства защиты необходимо основываться на номинальной отключающей способности, номинального напряжения системы и способа монтажа.

Платы высокого напряжения, сильноточные и высокоплотные печатные платы требуют хорошо структурированной системы заземления для обеспечения надежности. Без надлежащего заземления конструкция платы может подвергаться воздействию электромагнитных помех и других шумов, поэтому перед разработкой и производством таких плат следует рассмотреть все методы и технологии заземления и выбрать наиболее подходящий.

Литература

1. Ramesh K. Best PCB Grounding Techniques for High-Power and HDI Designs // www.protoexpress.com

Комментирует Сергей Шихов, директор по управлению проектами, А‑КОНТРАКТ

Целостность сигналов, электромагнитная совместимость (как устойчивость к помехам, так и минимизация генерации собственных помех), электробезопасность неразрывно связаны с характеристиками заземления. Самое лучшее схемотехническое решение может оказаться неработоспособным, если не уделить должного внимания вопросу обеспечения корректного тракта возвратного тока. Рекомендации, приведенные в этой статье, помогут избежать многих ошибок при разработке электронных устройств.

Эта статья была опубликована в журнале «Электронные компоненты», № 6’2023 при поддержке А-КОНТРАКТ. Скачать эту статью в формате pdf можно по ссылке ниже.

Связанные файлы

• Лучшие методы заземления печатных плат высокой мощности и HDI-плат 3 МБ

• ← Компьютерные чипы смогут обучаться, подобно человеку
• Диод на основе нанокристаллов — новое слово в создании электронных компонентов →

Технологии и оборудование

• СВЧ
• Жгуты и кабели в составе изделий
• Корпуса для приборостроения
• Влагозащита печатных плат
• Ремонт плат с BGA
• Реболлинг выводов BGA
• POP монтаж
• Селективная пайка
• Лазерная маркировка
• Рентген-контроль
• 3D-рентген
• Отмывка печатных плат
• Запрессовка разъёмов
• Испытания электронных блоков
• Настройка электронных блоков
• Оборудование

Монтаж печатных плат

• Возможности производства
• Сложные печатные узлы
• Поверхностный монтаж печатных плат
• Выводной монтаж
• Монтаж BGA
• Реболлинг выводов BGA
• Электронные блоки для экстремальных условий
• Комплектация для автоматического монтажа
• Качество электронных блоков
• Упаковка готовых электронных блоков
• Заказ на монтаж печатных плат

Контрактное производство

• Этапы выполнения заказа
• Система прослеживаемости
• Качество
• Комплектация
• Заказ на контрактное производство

Печатные платы

• Проектирование печатных плат
• DFM анализ
• Трассировка печатных плат
• Изготовление печатных плат
• Технические возможности
• Виды печатных плат
• Срочное изготовление
• Планарные трансформаторы
• Качество печатных плат
• Заказ печатных плат

Контроль качества

• DFM анализ
• Электроконтроль печатных плат
• Контроль волнового сопротивления
• Контроль плат перед монтажом
• Контроль электронных компонентов
• Контроль нанесения паяльной пасты
• Визуальный контроль
• Автоматический оптический контроль
• Рентген-контроль
• Внутрисхемный контроль
• Периферийное сканирование
• Контроль качества отмывки
• Функциональный контроль

А-Контракт Санкт-Петербург , a-contract.ru

Россия , Санкт-Петербург , БЦ «Красная Нить» , телефон: +7 812 703-00-55

А-Контракт Москва , a-contract.ru

115419 , Россия , Москва , 2-ой Рощинский пр., д. 8 , БЦ «Серпуховской двор» , телефон: +7 812 703-00-55