Osnove fiziOsnove fizičkog projektovanjakog …leda.elfak.ni.ac.rs/education/PEK_stari/literatura...Prečnik stopica najmanje 1.8 puta ve ći od prečnika otvora ili za najmanje 0

Projektovanje elektronskih kola

d jSadržaj:I. Uvod - osnovni pojmoviI. Uvod osnovni pojmoviII. Analiza el. kola primenom

čračunaraIII. Optimizacija el. kolap jIV. Logička simulacijaV O fi ičk j k jV. Osnove fizičkog projektovanja

(projektovanje štampanih ploča)02.06.2011. 1

Projektovanje štampanih ploča

Osnove fizičkog projektovanjaOsnove fizičkog projektovanjaProjektovanje štampanih ploča

Sadržaj:–Šta su štampane ploče?Š p p–Tipovi štampanih ploča–Proces projektovanja štampane pločep j j p p–Izazovi fizičkog projektovanja

•Integritet signalag g•Razvođenje napajanja•Temperaturski efekti

02.06.2011. 2

p

Št št l č ?


Šta su štampane ploče ?Sistem provodnih veza ugrađenih na izolacionoj

dl i k j h ički b b đ j l kt ičpodlozi koja mehanički obezbeđuje električnu vezu između elektronskih komponenata: otpornikaotpornika, kondenzatora, integrisanih kolaintegrisanih kola, konektora, napajanjanapajanja, kućišta uređaja.

02.06.2011. 3

Št št l č ?


Šta su štampane ploče?Osnova

Komponenta

Konektori

Mehanički spoj

02.06.2011. 4

Št št l č ?


Šta su štampane ploče?

ŠŠtampana ploča = Printed Circuit Board (PCB)

02.06.2011. 5

Št št l č ?




02.06.2011. 6

Št št l č ?




02.06.2011. 7

Ti i ŠP PCB


Tipovi ŠP - PCB

02.06.2011. 8

Ti i ŠP PCB


Tipovi ŠP - PCB

•Za montažu kroz otvore (Through Hole)

•Za površinsku montažu (Surfice MountedZa površinsku montažu (Surfice Mounted Devices)

02.06.2011. 9

Ti i ŠP PCB


Tipovi ŠP - PCB

Dimenzije Broj provodnih slojeva- 1 do 50!!!Različiti materijaliČ- Čvrstina

- Otpornost na temperaturu- Savitljive / krute- Lagane / teške

02.06.2011. 10


Izazovi fizičkog projektovanjaTerminologijaTerminologija• Merne jedinice• Raster (Grid)• Veza (Track)• Stopica (Pad)• Prolaz (Via)• Prolaz (Via)• Poligon (Polygone)• Rastojanje (Clearance)

02.06.2011. 11

I i fi ičk j kt j


Izazovi fizičkog projektovanjaTerminologija• Merne jedinice

Metarske (mm, μm) ALI uobičajeno da se koriste Imperial Units (IU) (inč=2 5cm;Imperial Units (IU) (inč=2,5cm; mils=mili_inč=inč/1000=thou)

raspored nožica na komponentama još uvek u IU• Raster (Grid)

100, 50, 25, 20, 10, 5 mils– Vidljivi– Nevidljivi (Snap grid)

l kt ič i ( t d ik )– električni (centar uvodnika)

02.06.2011. 12


Izazovi fizičkog projektovanjaTerminologijaTerminologija• Veza

P d (b k ) k k j l k ič j kProvodna (bakarna) traka koja električno povezuje komponente

02.06.2011. 13


Izazovi fizičkog projektovanjaParametri veza

w- širinat – debljinah- udaljenost odh udaljenost od

donjeg provodnogslojasloja

Od ih di ij i i t t (DC)Od ovih dimenzija zavisi otpornost veze (DC) karakteristična impedansa veze (VF)

02.06.2011. 14

I i fi ičk j kt j


Izazovi fizičkog projektovanjaTipovi veza

VezaVezaIzolatorMasa ili napajanjeMasa ili napajanje

Vl

Masa ili napajanje

VezaIzolator

Masa ili napajanje

02.06.2011. 15

I i fi ičk j kt j


Izazovi fizičkog projektovanjaTipovi vezaDiferencijalne veze

VezaVezaIzolatorMasa ili napajanjeMasa ili napajanje

lIzolator

02.06.2011. 16



Minimalnu širinu trake daje proizvođač:širina/rastojanje do susedne 10/8 thouj jŠirina zavisi od struje koju treba da vode i specifične otpornosti provodnog slojap p p g jPreporuka za početnike MINIMUM:

- Signal 25 milsSignal 25 mils- Napajanje (PWR=VDD/VCC, GND) 50 mils

Između nožica IC 10 15 mils- Između nožica IC 10-15 milsŠTO ŠIRE VEZE – jeftinije, pouzdanije

02.06.2011. 17

I i fi ičk j kt j



02.06.2011. 18


Izazovi fizičkog projektovanjaTerminologijaTerminologija• Stopica (Pad)

S j k iSpoj komponente i veze

02.06.2011. 19


Stopica otvorIzazovi fizičkog projektovanjaTerminologija

Stopica otvor

Terminologija• Stopica (Pad)

P i đ č d j d S i / (P d/H l i )Proizvođač daje odnos Stopica/otvor (Pad/Hole ratio)Prečnik stopica najmanje 1.8 puta veći od prečnika otvora

ili za najmanje 0 5mmili za najmanje 0.5mm Stopice IC ovalne 60x90 mils – prva pravougaona

02.06.2011. 20


Izazovi fizičkog projektovanjaTerminologijaTerminologija• Stopica (Pad)U i j k j PCB ji bibli kU programima za projektovanje PCB postoji biblioteka

stopica. Korisnik može da kreira sopstvene prema potrebamaKorisnik može da kreira sopstvene prema potrebama.Izbegavati pravougaone stopice

02.06.2011. 21


Izazovi fizičkog projektovanjaTerminologijaTerminologija• Prolaz (Via)• Spaja veze iz različitih slojeva

02.06.2011. 22

I i fi ičk j kt j


Izazovi fizičkog projektovanjaTipovi via

02.06.2011. 23

I i fi ičk j kt j


Izazovi fizičkog projektovanjaSpecifikacija via

St i OtvorStopica

RastojanjeRastojanje

(anti-pad)02.06.2011. 24

I i fi ičk j kt j


Izazovi fizičkog projektovanjaVia za diferencijalne signaleZahtevaju razmak (Separation) i udaljenost

od mase (Clearance)

02.06.2011. 25


Izazovi fizičkog projektovanjaTerminologijaTerminologija• Poligon (Polygone)A ki j ši b kAutomatski popunjava sve površine bakrom

02.06.2011. 26


Izazovi fizičkog projektovanjaTerminologijaTerminologija• Rastojanje (Clearance)Mi i l i k i đ d ih šiMinimalni razmak između provodnih površina na

različitim potencijalima (različiti čvorovi)Preporuka: Najmanje 15milsPreporuka: Najmanje 15mils

Za 240V najmanje 8mm (315mils) P t j t d d k ji j likPostoje standard koji povezuje razliku napona, vrstu sloja (unutrašnji, spoljašnji) i nadmorsku visinu!!!nadmorsku visinu!!!

02.06.2011. 27


Izazovi fizičkog projektovanjaTerminologija: Rastojanje (Clearance)Terminologija: Rastojanje (Clearance)

02.06.2011. 28

P j kt j


Proces projektovanja:Električna

ŠULAZ

DimenzijeŠemaSpisak

materijala

IZLAZPodaci o bušenju

MontažnaMontažna ŠemaGERBER

fajlovi

02.06.2011. 29

j

P j kt j


Proces projektovanja:Tri ulazna parametra1. Električna šema

Kako su komponente međusobno povezane2. Spisak materijala (Bill of Material – BOM)

Spisak svih komponenata po tipu i vrednostimap p p p3. Dimenzije (Outline)

Ograničenje sa stanovišta dimenzija i oblika pločeg j j p

02.06.2011. 30

P j kt j


Proces projektovanja:Ostali neophodni parametri 1 Tlocrt komponenata (Part Footprints)1. Tlocrt komponenata (Part Footprints)

• Podaci o fizičkim dimenzijama svake komponente (veličina i rastojanje između stopica)

2. Podaci o slojevima (Layer Stacks)j ( y )Broj sloja, tip sloja, razmak ...

3. Specifikacija veza i via Di ij k ti k l j i i ( i đ d• Dimenzije svakog tipa veze u svakom sloju i via (veza između dva sloja)

02.06.2011. 31

Proces projektovanja:Projektovanje štampanih ploča

Proces projektovanja:Na kraju projektovanja dobija se tri tipa

podataka:p1. GERBER fajlovi

• Podaci o poziciji svake veze – podaci o trasiranim blik liči l ž j l jvezama: oblik, veličina, položaj, sloj,...

služe za izradu svih veza u svim slojevima na štampanoj pločiš p oj p oč

2. Montažna šema• Pozicija svake komponente tokom montaže

služi za automatsko pozicioniranje komponenata 3. Podaci za bušenje (Drill lists)

• Specifikacija o poziciji i veličini svih rupa na pločisluži za automatsko pozicioniranje i izbor svrdla na bušilici.

02.06.2011. 32

bušilici.

P j kt j


Proces projektovanja:Tokom projektovanja (generalno) od projektanata

ht d đ k i š j k jise zahteva da nađe kompromisno rešenje kojim će ispuniti projektne zahteve u okviru raspoloživih resursa sa potrebnim kvalitetom.spo o v esu s s po eb v e o .

Ukoliko su zahtevi fiksni (koje komponente i kako povezati) do većeg kvaliteta može da se dođe samo ukoliko se nađu bolji resursi.

Kvalitet: Resursi:Integritet signala, Bolja tehnologijaEMI, Više slojeva metala

žOdvođenje toplote Duže vreme projekt.

02.06.2011. 33

P j kt j


Proces projektovanja:Resursi:Tip ploče FR-2 (Phenolic cotton paper),FR 3 (Cotton paper and epo )FR-3 (Cotton paper and epoxy), FR-4 (Woven glass and epoxy), FR-5 (Woven glass and epoxy),FR 5 (Woven glass and epoxy), FR-6 (Matte glass and polyester), G-10 (Woven glass and epoxy), CEM-1 (Cotton paper and epoxy), CEM-2 (Cotton paper and epoxy), CEM 3 (Woven glass and epoxy)CEM-3 (Woven glass and epoxy), CEM-4 (Woven glass and epoxy), CEM-5 (Woven glass and polyester).02.06.2011. 34

CEM 5 (Woven glass and polyester).

P j kt j


Proces projektovanja:Resursi: Proizvođači/Tipovi ploča

02.06.2011. 35


Proces projektovanja:1 S l k ij k t t h l ij1. Selekcija komponenata, tehnologije2. Crtanje električne šeme2. Crtanje električne šeme3. Verifikacija el. šeme (analiza kola)4. Raspored elemenata (Floor planning)

č5. Povezivanje (Automatsko-ručno)6 Provera pravila projektovanja6. Provera pravila projektovanja7. Izrada02.06.2011. 36








Proces projektovanja:4 R d l t (Fl l i )4. Raspored elemenata (Floor planning)

Podesi softver za projektovanje (alat) naodes so ve p oje ov je ( )snap grid

P t i d ši ( l č ) l tPostavi na radnu površinu (ploču) sve elementePostavi sve komponente logički u odnosu na:p g

• protok signala, (pravac ulaz-izlaz)

f k ij k l• funkciju u kolu, (analogni, digitalni, frekvencija)

• osetljivost (na temperaturu, smetnje)02.06.2011. 39

j ( p , j )


Proces projektovanja:4 R d l t (Fl l i )4. Raspored elemenata (Floor planning)

Identifikuj kritične vezede uj č e ve ePoređaj elemente uredno, simetrično,

l j i ( k l i l d dić l )alajnirano (ako lepo izgleda, radiće lepo)Dobar raspored je 90% poslap j p

02.06.2011. 40

I i fi ičk j kt j


Izazovi fizičkog projektovanjaPlaniranje rasporeda (Floor Planning)

02.06.2011. 41





Proces projektovanja:5 P i j (A t t k č )5. Povezivanje (Automatsko-ručno)

Setuj Electrical grid = snap to center;Setuj Electrical grid snap to center;sve veze na istom potencijalu = mreža

Svaka mreža što kraća;Koristi uglove od po 45 (zbog proizvodnje);

Koristi celu površinu ploče;Koristi celu površinu ploče;Centriraj vezu sa stopicama;

02.06.2011. 43

j p ;


Proces projektovanja:5 Povezivanje (Automatsko ručno)5. Povezivanje (Automatsko-ručno)

Koristi veze od 100mils kad god može;Između dve stopice stavi 2 veze samo ako ne postoji drugo rešenje (obiđi);ako ne postoji drugo rešenje (obiđi);

Suzi vezu između stopica;Za veze između dva sloja kroz koje protiče veća struja koristi višestruki prolaz – via;veća struja koristi višestruki prolaz via;

02.06.2011. 44


Proces projektovanja:5 P i j (A t t k č )5. Povezivanje (Automatsko-ručno)

Ne postavljaj prolaze (vie) ispodNe postavljaj prolaze (vie) ispod komponenata (neće moći da im se priđe k d i k )kada se postavi komponenta)Koristi nožicu komponente umesto vieKoristi nožicu komponente umesto viekad god može (pouzdanije, kraće vreme montaže)

02.06.2011. 45


Proces projektovanja:5 Povezivanje (Automatsko ručno)5. Povezivanje (Automatsko-ručno)

Ukoliko su PWR, GND kritični, prvo njih trasiraj;Veze PWR i GND proširi koliko možeVeze PWR i GND proširi koliko možePWR i GND što bliža jedna drugoj;Simetriraj veze;N t lj j b kNe ostavljaj nepovezan bakar (veži za GND ili ga ukloni)

02.06.2011. 46

( g )


Proces projektovanja:5 P i j (A t t k č )5. Povezivanje (Automatsko-ručno)PrimeriPrimeriLoše PWR, GND

02.06.2011. 47


Proces projektovanja:5 P i j (A t t k č )5. Povezivanje (Automatsko-ručno)PrimeriPrimeri

Dobro

02.06.2011. 48



Loše

02.06.2011. 49



Dobro

02.06.2011. 50


Proces projektovanja:5 P i j (A t t k č )5. Povezivanje (Automatsko-ručno)Završna šminka:

Na T kontaktima dodaj proširenje

Na stopicama i viama vezanim za tanke trake dodaj proširenjetrake dodaj proširenje

02.06.2011. 51


Proces projektovanja:5 Povezivanje (Automatsko-ručno)5. Povezivanje (Automatsko-ručno)Završna šminka:

Proveri prostor za montažu (šrafovi)Proveri dimenzije otvora (da li komponenta j ( pmože da prođe)Proveri dimenzije via i stopicaProveri dimenzije via i stopicaProveri fizički razmak između k tkomponenataMinimizuj broj različitih dimenzija otvora

02.06.2011. 52





Proces projektovanja:6 P il j kt j6. Provera pravila projektovanja

Design Rule Check (DRC)esig ule C ec ( C)Automatska provera fizičkih dimenzija

• širine veza• razmakarazmaka• povezanost mreža (kratak spoj/ prekid)• širina otvora

02.06.2011. 54



č5. Povezivanje (Automatsko-ručno)6 Provera pravila projektovanja6. Provera pravila projektovanja7. Izrada štampane ploče02.06.2011. 55

p p


Proces projektovanja:7 I d št l č7. Izrada štampane pločeOsim “provodnih slojeva” generišu se i slojevi/maskep j g j• Za oznke komponenata na gornjoj ploči (C1, R1,...)

“Silkscreen”/ “top/bottom overlay”/ “component layer”Silkscreen / top/bottom overlay / component layer • Maska za lemljenje “solder mask” štiti ostatak ploče

d l t P k i t i i iod lemne paste. Prekriva sve sem stopica i via sa proširenjem od nekoliko milsa. Sprečava kratak spoj između veza tokom lemljenja.

02.06.2011. 56


Proces projektovanja:7 Izrada štampane ploče7. Izrada štampane pločeOsim “provodnih slojeva” generišu se i slojevi/maske

č š• Mehanički sloj “Mechanical Layer” definiše oblik i dimenziju ploče (odvajanje od susednih ploča)

š č• “Keepout” sloj definiše deo ploče na kome nema bakra (npr. razmak između visokonaponskih komponenata)komponenata)

• Sloj (maska) za poravnanje (alajniranje) “Alignment Layer” koristi proizvođač da podesi“Alignment Layer” koristi proizvođač da podesi sve ostale slojeve

• Netlista lista veza (mreža) “Netlist”svi podaci02.06.2011. 57

• Netlista – lista veza (mreža) “Netlist”svi podaci koji se nalaze na električnoj šemi


Proces projektovanja:7 Izrada štampane ploče7. Izrada štampane ploče

02.06.2011. 58



02.06.2011. 59



02.06.2011. 60

Izazovi fizičkog projektovanja


Izazovi fizičkog projektovanjaRazvođenje mase

• Koristiti poseban sloj za GND, ako postojip j p j

• Kod višeslojnih, GND što bliže gornjem sloju

• Što veća površina bakra

• Koristi višestruke vie da bi smanjio impedansu do masep

02.06.2011. 61



Izazovi fizičkog projektovanjaZašto je važno razvođenje napajanja?

Pri promeni stanja u digitalnim kolima p j gdešavaju se nagle promene struje.

Kondenzatori se pune/prazne. Potrebnu p pkoličinu naelektrisanja obezbeđuju izvori – baterije koji NISU IDEALNI

Veze imaju konačnu otpornostMenja se pad napona VDD/VSS i to j p p

neravnomerno duž ploče. Jedno kolo utiče na drugo – dolazi do interakcije preko

02.06.2011. 62napona napajanja.



Izazovi fizičkog projektovanjaZašto je važno razvođenje napajanja? Elektromagnetna interferencija

02.06.2011. 63

i fi ič j j


Izazovi fizičkog projektovanjaZašto je važno razvođenje napajanja?Zašto je važno razvođenje napajanja? Uticaj konačneotpornosti ploča

02.06.2011. 64



Izazovi fizičkog projektovanjaRazvođenje napajanja

02.06.2011. 65



Izazovi fizičkog projektovanjaRazvođenje napajanja kod višeslojne štampe

02.06.2011. 66



Izazovi fizičkog projektovanjaRazvođenje napajanja

02.06.2011. 67

i fi ič j j


Izazovi fizičkog projektovanjaKondenzatori za premošćavanje napajanjaKondenzatori za premošćavanje napajanja

BypassK i titi b k d t št bliž• Koristiti baypass kondenzatore što bliže digitalnim kolima – neposredno uz VDD/VSS pinove

• Tipična vrednost 100nF koriste se i 1uFTipična vrednost 100nF, koriste se i 1uF, 10nF, 1nF, zavisno od frekvencije koju treba premostititreba premostiti

02.06.2011. 68

I i fi ičk j kt j


Izazovi fizičkog projektovanjaIntegritet signalaZavisnost amplitude od dužine veze

02.06.2011. 69



Izazovi fizičkog projektovanjaIntegritet signala

š č žPreslušavanje manje ako su veze fizički bliže masi

02.06.2011. 70



Izazovi fizičkog projektovanjaTemperaturski efektiPouzdanost Si opada 2x pri porastu T od 10oC Zato treba obezbediti hlađenjej

02.06.2011. 71



Izazovi fizičkog projektovanjaTemperaturski efekti

Termička otpornostθCA[oC/W]CA[ ]

Razlika temperature

ΤCA= θCA P02.06.2011. 72

ΤCA θCA P




Hlađenje

02.06.2011. 73




Bolje

HlađenjeHlađenje

02.06.2011. 74



Izazovi fizičkog projektovanjaPreporuke

Kopiraj postojeći projekatPrilagodi ga potrebamaKonsultuj iskusnijeg projektantaKonsultuj iskusnijeg projektantaUradi sve provere (DRC) koje ti alat p ( ) j

omogućavaNapravi uzorak i fizički ga testirajNapravi uzorak i fizički ga testirajAko je OK, ide u proizvodnju02.06.2011. 75

Sledeće nedelje:

Pitanja odgovori-Pitanja - odgovori

-Test

02.06.2011. 76

Documents

Osnove fiziOsnove fizičkog projektovanjakog …leda.elfak.ni.ac.rs/education/PEK_stari/literatura...Prečnik stopica najmanje 1.8 puta ve ći od prečnika otvora ili za najmanje 0