3.5 Разработка топологии печатной платы и компоновочной схемы

Полученные результаты позволяют перейти к разработке компоновки и топологии печатной платы. В подразделе необходимо описать принципы размещения элементов на печатной плате и формирования компоновочной схемы; описать основные моменты разработки топологии печатной платы; определить метод изготовления печатной платы.

Топологическое конструирование печатной платы включает в се­бя размещение контуров компонентов на рабочей поверхности печатной платы и трассировку соединений между контактными площадками. Размещение компонентов на печатной плате (ПП) осуществляют чаще всего исходя из критерия минимума длины связей и минимума пересечений. Первое условие подразумевает расположение на ПП рядом друг с другом эле­ментов, имеющих максимум электрических связей в схеме, второе – минимум переходных отверстий, что обеспечивает технологичность по минимуму числа слоев.

Размещение компонентов на плате регламентируется условной координатной сеткой из двух взаимно перпендикулярных систем па­раллельных линий, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Это расстояние – шаг координатной сетки – устанавливается равным 2,5 мм. Центры монтажных отверстий и контактных площадок под выводы навесных компонентов располагают в узлах координатной сетки. Если шаг расположения выводов многовыводного элемента не совпадает с шагом координатной сетки, то в узел помещается по меньшей мере одно из отверстий, принимаемое за основное, а ос­тальные располагаются в соответствии с конструкцией элемента. Печатные проводники располагают равномерно по рабочей площа­ди ПП на максимально возможном расстоянии от соседних элементов проводящего рисунка платы, выполняют одинаковой максимально воз­можной ширины по всей длине. В узких местах возможно сужение про­водников до минимального значения, такое сужение должно происхо­дить на возможно меньшей длине.

В заключении подраздела принимается решение о методе изготовления печатной платы. Необходимо привести аргументы по выбору одного из методов – химического, электрохимического, комбинированного.

3.6 Расчет электрических параметров печатной платы

В подразделе «Расчет электрических параметров печатной платы» необходимо произвести расчет основных электрических параметров печатной платы (сопротивления самых длинных печатных проводников – R_ПП; емкости между двумя печатными проводниками – С_ПП; индуктивности печатного проводника – L_ПП), что бы убедиться, что проектные работы произведены верно. В противном случае будет необходимо изменить какие-либо требования, параметры или заново пересчитать.

Печатный проводник имеет боль­шое отношение ширины к толщине поперечного сече­ния, благодаря чему площадь поверхности проводника большая.

Большая поверхность и хороший тепловой контакт с изоляционным основанием обеспечивают интенсивную отдачу теплоты от проводника изоляционной плате и в окружающее пространство, что позволяет пропускать через печатные проводники значительно большие токи, чем через объемные того же сечения.

Для печатных плат, используемых в бытовой аппа­ратуре, допускается плотность тока до 30 А/мм². При этом заметного нагрева проводников не наблюдается.

Допустимое рабочее напряжение между двумя рас­положенными рядом печатными проводниками зависит от минимального зазора между ними (табл. 3.6).

Таблица 3.6

Допустимое рабочее напряжение между проводниками печатной платы

Материал	Напряжение, В, не более, при расстоянии между проводами, мм
	0,15	0,2	0,25	0,3	0,4	0,5	0.6	0,8	1	1,5	2,5
Гетинакс			30	50	75	100	125	175	250	400	450
Стеклотекстолит	20	25	30	50	75	100	125	175	250	400	500

Расчет максимального сопротивления самого длинного печатного проводника производится по формуле:

где l_max – максимальная длина печатного проводника, мм; S_сеч – площадь сечения печатного проводника, мм²;  – удельное объемное сопротивление печатного проводника, Ом·мм²/м; Rпп – сопротивление печатного проводника, Ом.

Сопротивление проводников на печатной плате, изготовленных химическим, электрохимическим или комбинированным методом не должно превышать ограничительных значений, указанных в табл.3.7

Расчет максимальной емкости между двумя самыми длинными параллельными печатными проводниками производится по формуле:

С_ПП = К_П · l · ,

где С_ПП – емкость, образованная соседними (при ОПП) или перекрывающимися (при ДПП) печатными проводниками, пФ; К_П – величина которого зависит от ширины проводников и их взаимного расположения (определяется по графику рис. 3.1) пФ/см; l – длина взаимного перекрытия проводников, см;  – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

Таблица 3.7.

Предельно допустимые значения сопротивлений печатных проводников.

Ширина проводника, мм	Сопротивление, Ом/м (не более)
	При химическом методе ( = 0,0175 Ом·мм2/м)	При электрохимическом методе ( = 0,0235 Ом·мм2/м)	При комбинированном методе ( = 0,02 Ом·мм2/м)
0,3	2,7	-	3,0
0,4	1,8	-	1,9
0,5	1,44	-	1,4
0,6	1,35	-	1,3
0,8	0,9	2,4	1,0
1,0	0,72	2,1	0,9
1,5	0,54	1,5	0,5
2,0	0,36	1,0	0,4

О тносительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика рассчитывается по формуле:

,

где _д – диэлектрическая постоянная, равная: для фенольного гетинакса – 5,3; для эпоксидного гетинакса – 4, 8; эпоксидного стеклотекстолита – 5,4; для фторопласта – 2,0; для стеклофторопласта – 2,7; для полистирола – 2,6.

Емкость между двумя, наиболее близко расположенными проводниками не должна превышать значений, указанным в табл. 3.67., в противном случае необходимо изменить площадь сечения печатных проводников или вид используемого диэлектрического проводника.

Таблица 3.7

Значения предельных емкостей при заданной ширине проводника.

Ширина проводника, мм	Предельная емкость, пФ при расстоянии меж проводниками, мм
	0,5	1,0	1,5	2,0	5,0
0,5	4,0	3,0	2,5	2,0	1,0
1,0	4,5	3,5	2,7	2,5	1,5
2,0	5,0	4,0	3,0	2,8	1,6
3,0	5,5	4,5	3,5	3,0	1,8
4,0	5,6	4,8	3,7	3,2	2,0
5,0	5,7	4,9	3,8	3,3	2,1
6,0	5,8	5,0	3,9	3,4	2,2
7,0	6,0	5,1	4,0	3,5	2,3

Между двумя расположенными параллельно провод­никами кроме емкостной существует индуктивная взаи­мосвязь.

Для расположения проводников, показанных на рисунке взаимоиндукцию можно определить по формуле:

(5)

где М - взаимоиндукция, нГн;

l - длина проводника, см;

D - расстояние между проводниками, см.