Топологическое проектирование

Топологическое проектирование ПП заключается в расчете диаметров отверстий под выводы элементов, ширины проводников, диаметров контактных площадок, а также включает расчёт узких мест, если таковые имеются.

Расчёт ширины печатных проводников. Согласно [8], оценивать минимально допустимую ширину проводников следует по двум формулам:

,

где b — минимальная ширина проводника, мм; a = 35 мкм — толщина фольги;
γ = 20 А/мм² — максимально допустимая плотность тока для внешних слоев коммутации ПП (в нашем случае нет других, т.к. плата однослойная); ρ = 0,0175 Ом*мм²/м — удельное сопротивление материала проводника; ΔU — максимальное падение напряжения на самом длинном проводнике, В; — длина наиболее длинного проводника на плате;
— предельный ток, текущий через печатный проводник в нормальном режиме.

В нашем случае максимальная длина проводника на плате не превысит её линейного размера. Поэтому положим, что = 55 мм. Максимальное падение напряжения выберем равным 0,3 В (взято с избытком), а максимальный ток в неаварийном режиме работы = 0,1 А. Выполнив расчет, получим

Данные значения — минимально допустимые для печатного проводника. Необходимо выбрать большее значение, иначе дорожки на ПП могут быть пережжены текущим через них током. Для класса А, выбранного в предыдущем разделе, ширина проводника должна быть не менее 0,5 мм. Выберем ширину проводника равной 0,8 мм.

Заметим, что при проектировании топологии необходимо как можно большую площадь платы оставить занятой металлизацией. Это позволяет сократить объём работы, связанной с разметкой платы при изготовлении, и увеличивает помехоустойчивость схемы, смонтированной на данной плате. Это ведет и к экономии травителя при производстве ПП химическим методом.

Расчет диаметров отверстий под выводы элементов и контактных площадок. Расчет этих параметров проведём в соответствии с ОСТ4.ГО.010.011 (см. табл.4) и [2] (см. табл.9) на основании ОСТ 4 ГО.010.030-92, регламентирующего установку элементов на ПП. Результаты расчета сведены в таблицу 4.

Таблица 4. Диаметры отверстий под выводы и контактных площадок

При расчете использовались следующие формулы:

Здесь d_B — диаметр вывода элемента, мм; d — диаметр отверстия под вывод элемента, мм; d_К — диаметр контактной площадки, мм. Формулы для расчета зависят от метода производства платы, наличия металлизации отверстий, а также от того, к какому классу принадлежит проектируемая плата. Отверстия не требуют зенковки, т.к. она обычно не применяется при изготовлении односторонних ПП.

Проектирование топологии ПП, как правило, выполняется на основании формализации электросхемы в виде графа, вершинами которого являются элементы, а ребрами — соединения между ними [11]. Граф электрической схемы изображен на рис.11.

Из рис. 11 видно, что входные и выходные КП предполагается располагать попарно рядом. Также видно, что в данном графе имеется одно пересечение. Для ПП это означает пересечение проводящих дорожек, что недопустимо. Пересечение можно устранить, если проводник проложить между выводами элемента, что приведёт к образованию так называемого узкого места, и возможность такой прокладки трассы необходимо проверить расчетами.

Рис. 11. Формализация электрической схемы в виде графа.

Расчет узких мест. Этот расчет проводится с целью выявления проверки возможности прокладки проводника в ограниченном пространстве, например, между двумя выводами одного элемента. Расчет выполняется после проектирования топологии печатной платы.

Как видно из чертежа печатной платы, при данной конфигурации топологии имеется три узких места: между выводами стабилитрона VD1, диода D1, резистора R3 и емкости С2. Проверим возможность прокладки трасс в самом узком месте платы — между выводами VD1. Этого будет достаточно, хотя в принципе и этот расчет можно не проводить.

Рассчитаем минимально необходимое для прокладки расстояние по формуле

где d₁ и d₂ — диаметры КП, между которыми надо проложить трассу или трассы,
n — число прокладываемых трасс. Рассчитаем это расстояние:

Это расстояние оказывается существенно меньше, чем расстояние между отверстиями под выводы, равное 25 мм. Таким образом, трассировка двух проводников между КП VD1 оказывается вполне возможной.

Другие узкие места также обеспечивают прокладку необходимых трасс. Более того, указанные места являются узкими лишь номинально, поскольку проводники трассируются через них с многократным запасом по пространству.

Рассматривая чертеж печатной платы, заметим, что на ней устанавливаются достаточно крупные ЭРЭ, что ведет к большому пространству, не занятому печатными проводниками. Эту площадь необходимо оставить закрытой медной фольгой (не стравливать медь), что при массовом производстве химическим методом ведёт к экономии травителей.