Принцип работы печатных плат

Основные концепции и принцип работы печатной платы

Печатная плата (Printed Circuit Board, сокращенно PCB) является основным фундаментом современных электронных устройств. Она изолирует проводящий слой медной фольги на поверхности с помощью изоляционного материала основы, позволяя току течь по заранее разработанным маршрутам через различные компоненты, реализуя такие сложные функции как работа, усиление, ослабление, модуляция, демодуляция, кодирование и т.д.

Ключевой принцип работы: По своей сути печатная плата является платформой электрических соединений, которая заменяет сложные проводные соединения, обеспечивая стабильное электрическое подключение и механическую поддержку для электронных компонентов через травленные медные дорожки на изолирующей подложке. При подаче питания электроны движутся вдоль этих предустановленных медных путей, передавая сигналы и энергию между различными компонентами, реализуя определенные функции схемы.

Детальная структура компоновки печатной платы

Классификация и применение печатных плат

Классификация по количеству слоев

Односторонняя плата

• Имеет только один слой проводящей медной фольги
• Простая структура, низкая стоимость
• Подходит для простых схем и недорогой электронной продукции

Двусторонняя плата

• Медное покрытие и дорожки имеются с обеих сторон
• Соединение между двумя слоями осуществляется через переходные отверстия
• Подходит для схем средней сложности

Многослойная плата

• Три и более слоя проводящих графических изображений
• Слои разделены изоляционным материалом
• Поддерживает высокую плотность и сложный дизайн схем
• Применяется в высокопроизводительных вычислениях, телекоммуникационном оборудовании и других высококлассных приложениях

Классификация по характеристикам

• Жесткая плата (PCB): Жесткий базовый материал, используется в большинстве электронных устройств
• Гибкая плата (FPC): Гибкий базовый материал, подходит для гибких устройств
• Комбинированная жестко-гибкая плата (FPCB): Сочетание жесткости и гибкости, объединяет структурную прочность и гибкость

Детальный обзор рабочих слоев печатной платы

Печатная плата содержит различные рабочие слои, каждый со своей функцией:

1. Сигнальный слой: Размещение компонентов и трассировка, включает верхний, нижний и промежуточные слои
2. Защитный слой:

• Паяльная маска: Предотвращает лужение областей, где это не требуется
• Защита паяльной пасты: Защищает области паяльной пасты

1. Шелкографический слой: Нанесение идентификаторов компонентов, информации о компании и других символов
2. Внутренний слой: В основном используется для слоев питания и заземления, обеспечивает стабильное распределение питания
3. Другие слои:

• Запрещающий слой трассировки: Определяет электрические границы платы
• Сверлильный слой: Обозначает положение и форму отверстий
• Многослойность: Установка сквозных монтажных отверстий и других межслойных элементов

Роль ключевых компонентов на печатной плате

Выбор и применение конденсаторов

• Алюминиевые электролитические конденсаторы: Большая емкость, подходят для низкочастотной фильтрации
• Танталовые конденсаторы: Хорошие температурные характеристики, подходят для высокочастотной фильтрации (требуется использование с пониженным номиналом)
• Керамические конденсаторы: Высокая стабильность, широко используются для высокочастотной фильтрации питания

Разница между дросселями и ферритовыми бусинами

• Дроссель: Пропускает постоянный ток, блокирует переменный, образует с конденсатором LC-фильтрующую цепь
• Ферритовая бусина: Специально подавляет высокочастотный шум, преобразует шум в тепло
• Ключевое различие: Ферритовая бусина — это поглощающий компонент,根本上 устраняет шум; дроссель — накапливающий компонент, может создавать самовозбуждение

Ключевые факторы проектирования печатных плат

Проектирование защиты от ЭСР (ESD)

• Чувствительные сигнальные линии располагаются вдали от краев платы
• Добавление экранов и защитных устройств
• Соблюдение принципа «линейного» расположения: ESD (TVS-диод) → трансформатор развязки → синфазный дроссель → конденсатор → резистор

Теплоотвод

• Мощные компоненты оснащаются специальными теплоотводящими площадками
• Добавление соответствующих переходных отверстий на теплоотводящих площадках для улучшения теплоотвода

Основные моменты проектирования зигзагообразной трассировки

• Увеличение расстояния между параллельными сегментами (как минимум больше 3H)
• Уменьшение длины связи
• Избегание зигзагообразной трассировки для высокоскоростных сигналов
• Использование углов 45° или скругленных углов для уменьшения отражения сигнала

Процесс проектирования печатной платы

1. Проектирование принципиальной схемы: Рисование логической схемы соединений
2. Генерация сетевой таблицы: Установление связи соединений между компонентами
3. Компоновка и трассировка PCB: Преобразование принципиальной схемы в дизайн физической платы
4. Генерация производственных файлов: Вывод файлов для производства (Gerber, сверловка и т.д.)

Ответы на часто задаваемые вопросы

1. Что такое «радиус развязки» печатной платы?

Радиус развязки — это максимальное расстояние, на котором конденсатор эффективно фильтрует шум питания. Малые конденсаторы в маленьких корпусах имеют малый радиус развязки и должны размещаться как можно ближе к выводам питания микросхемы; конденсаторы большой емкости в больших корпусах имеют больший радиус развязки и могут одновременно обеспечивать развязку для нескольких выводов питания.

2. Какова важность процесса ламинирования в многослойных печатных платах?

Процесс ламинирования является ключевым этапом производства многослойных печатных плат, он обеспечивает прочное соединение проводящих слоев с изоляционными слоями, одновременно поддерживая точность совмещения слоев. Хороший процесс ламинирования гарантирует механическую прочность, электрические характеристики и долгосрочную надежность печатной платы, что особенно важно для передачи высокочастотных и высокоскоростных сигналов.

3. Как определить, требуется ли в дизайне печатной платы контроль импеданса?

Контроль импеданса необходимо учитывать, когда частота сигнала высока (обычно выше 50 МГц) или время нарастания сигнала очень короткое. Дифференциальные сигналы, высокоскоростные последовательные интерфейсы (такие как USB, HDMI, PCIe), радиочастотные схемы и другие приложения должны иметь контроль импеданса для обеспечения целостности сигнала и уменьшения отражений.

Резюме

Печатная плата, как «скелет» и «нервная система» электронных устройств, напрямую влияет на производительность и надежность всего продукта. От простых односторонних плат до сложных многослойных, технология печатных плат постоянно развивается, поддерживая движение электронной продукции в направлении более высокой производительности, меньшего размера и更低 энергопотребления. Понимание принципов работы и ключевых аспектов проектирования печатных плат крайне важно для проектирования и оптимизации электронных схем инженерами-электронщиками.