РАЗРАБОТКА ТОПОЛОГИИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

4 РАЗРАБОТКА ТОПОЛОГИИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

4.1 Конструкторско-технологический расчёт печатных плат

Конструктивно-технологический расчет печатных плат проводится с учетом производственных погрешностей рисунка проводящих элементов, фотошаблона, базирования, сверления и т.п. За основу принимаем параметры плат третьего класса точности, как наиболее оптимальный вариант по технологичности и простоте изготовления. Платы данного класса точности так же являются наиболее распространенными в области микроэлектроники.

Граничные значения основных параметров печатного монтажа, которые могут быть обеспечены при конструировании и производстве для третьего класса точности приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Номинальные значения размеров основных параметров элементов конструкции печатных плат для узкого места

Элементы, которые содержит разрабатываемый печатный узел, приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Габаритные размеры элементов

Общая площадь, занимаемая компонентами с учетом припусков вокруг каждого элемента, обусловленных шириной контактных площадок, равна 5752,95мм². Коэффициент заполнения платы не имеет существенного значения, т.к. разрабатываемое устройство является стационарным. Ориентировочный коэффициент заполнения 0.6. При этом площадь платы будет составлять 9588,25. При проектировании печатного узла одним из наиболее важных критериев оптимизации является правильная компоновка, т.е. максимальное использование площади печатной платы при минимально возможных ее размерах. В соответствии со стандартом МЭК 297-3 выбираем из предложенных типоразмеров размер печатной платы: 100 x 160 мм.

Таблица 4.3 Основные размеры печатных плат по стандарту МЭК 297-3

При выборе типоразмера учитывались прежде всего функциональные требования, выражающие плотность компоновки. Математическое представление оптимизации представляет собой коэффициент заполнения платы, который равен отношению площади, занятой элементами к общей площади печатной платы.

Произведем расчет параметров нашей печатной платы.

Номинальные значения диаметра монтажного отверстия:

(4.1)

где d_Э – максимальное значение диаметра вывода навесного элемента, устанавливаемого на плату;

r – разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным диаметром вывода элемента;

d_Н.О. – нижнее предельное отклонение номинального значения диаметра отверстия.

d=0,6+0,1+0,2=0,9 (мм)

Минимальный диаметр контактной площадки вокруг монтажного отверстия:

 (4.2)

где d_ВО – верхнее предельное отклонение диаметра отверстия;

t_ВО – верхнее предельное отклонение ширины проводника;

t_НО – нижнее предельное отклонение ширины проводника;

b_Н – гарантированный поясок контактной площадки;

d_ТР – допуск на подтравливание отверстия;

d – допуск на расположение отверстия;

p – допуск на расположение контактной площадки.

D=(0,9+0,05)+2*0,1+0,1+2*0,035+(0,08²+0,3²+0,08²)^0,5=0,64 (мм)

Минимальный диаметр переходного отверстия:

(4.3)

где j – коэффициент = 0,33

h_ПП – толщина печатной платы.

d_П0,33*20,66 (мм)

Номинальное значение ширины проводника:

(4.4)

где t_ТД – минимально допустимое значение ширины проводника.

t_П=0,17+0,08=0,25 (мм)

Номинальное значение расстояния между соседними элементами проводящего рисунка:

(4.5)

где S_ТД – минимально допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка.

S=0,15+0,1=0,25 (мм)

Минимальное расстояние для прокладки n-го количества проводников между двумя отверстиями с контактными площадками с диаметрами D:

(4.6)

где n – количество проводников;

l – допуск.

l=(1,64+1,64)/2+0,25*1+0,25*(1+1)+0,05=2,44 (мм)

т.е. между двумя контактными площадками можно провести максимум только один проводник.

Сопротивление самого длинного из возможных проводников:

(4.7)

где h_ФС – толщина фольгированного слоя.

R=(1,72*10^-8*0,34)/(0,25*10^-3*35*10^-8)=0,55 (Ом)

Допустимый ток в печатном проводнике:

(4.8)

где  - допустимая плотность тока.

I_MAX=20*0,25*0,035=0,175 (А)

Падение напряжения на самом возможно длинном печатном проводнике:

(4.9)

U=0,0172*20*0,34=0,116 (В)

Требуемое сечение печатного проводника шины питания и ‘земли’:

(4.10)

где I_П – ток, протекающий через проводник и равный сумме токов всех элементов. В таблице 3 приведены токи потребляемые микросхемами. Просуммируем их и умножим на коэффициент запаса, который учитывает токи утечек и токи, потребляемые пассивными элементами и транзисторами. Поэтому примем коэффициент запаса равным 40.

S_ПЗ0,0172*0,34*0.17/(0,015*5)*40=0,2 (мм)

Принимаем ширину шины питания 1 мм.

Используя полученные данные можно приступать к трассировке платы системы управления.

Таблица 4.4 - Электрические параметры микросхем

При трассировке печатной платы блока питания устройства, необходимо подсчитать ширину трассы для каждого вида нагрузки. Блок питания, содержит в себе источник опорного напряжения 2,5 В, ток потребления не более 1-3 мА, питание системуы управления +5В на ток не более 170мА, и питание шагового двигателя напряжением +12В с током потребления не более 2А.

Из вышесказанного следует что по формуле (4.10) определяем требуемую ширину трасс питания для каждого из оставшихся двух потребителей:

S_ПЗ0,0172*0,34*0.003/(0,015*5)*40=0,001 (мм)

S_ПЗ0,0172*0,34*2/(0,015*5)*40=1,7(мм)

Таблица 4.5 - Площади элементов блока питания

Принимаем толщину проводников для 2.5В и 5 В равную 1мм, а для питания шагового двигателя и других исполнительных устройств – 2мм. Коэффициент заполнения печатной платы блока питания можно довести до значения 0.9, т.к блок питания имеет в своём составе достаточно крупногабаритные элементы. Таким образом площадь трасс незначительна по сравнению с площадью элементов. Для удобства дальнейшей компоновки плат в корпусе выберем габариты печатной платы блока питания 100х160мм.