Принципы проектирования печатной платы микроконтроллерной платы 

Основной процесс проектирования печатных плат можно разделить на три этапа: разработка схемы электрической принципиальной, формирование сетевого файла и проектирование печатной платы. Как размещение компонентов на плате, так и трассировка имеют конкретные требования. Например, входные и выходные трассы следует избегать параллельного расположения, чтобы предотвратить помехи. Если параллельная трассировка двух сигнальных проводников неизбежна, необходимо добавить экранирующую землю. Трассировка на соседних слоях должна быть перпендикулярной, так как параллельная может вызвать паразитную связь. Питание и заземление следует размещать на двух перпендикулярных слоях. Что касается ширины проводников, для цифровых схем печатных плат можно использовать широкую земляную линию, образуя земляную сеть (аналоговые схемы не могут так использоваться), с нанесением медного покрытия на большую площадь.
Вот объяснение принципов и некоторых детальных вопросов, на которые следует обратить внимание при проектировании печатной платы микроконтроллера.
1. Размещение компонентов
При размещении компонентов следует максимально сближать взаимосвязанные элементы. Например, генераторы тактовых сигналов, кварцевые резонаторы и входы тактовых сигналов CPU легко создают шумы, поэтому их следует располагать близко друг к другу. Для устройств, подверженных помехам, маломощных и высокомощных цепей, а также переключающих схем, необходимо максимально удалить их от логических управляющих цепей микроконтроллера и памяти (ROM, RAM). Если возможно, эти цепи лучше разместить на отдельных платформах, что способствует устойчивости к помехам и повышает надежность работы схемы.
2. Демпфирующие конденсаторы
Ставьте демпфирующие конденсаторы как можно ближе к ключевым компонентам, таким как чипы ROM, RAM и т.д. На самом деле, трассы печатной платы, выводы и соединения могут иметь значительную индуктивность. Большая индуктивность может вызывать сильные импульсные шумы при переключении на линиях Vcc. Единственный способ предотвратить импульсные шумы на линиях Vcc — установить демпфирующий конденсатор емкостью 0,1 мкФ между Vcc и землей. Если на плате используются SMD-компоненты, можно закрепить керамический конденсатор непосредственно рядом с элементом на выводе Vcc. Лучше всего применять керамические конденсаторы, поскольку они обладают низким электростатическим сопротивлением (ESL) и высокочастотным импедансом, а также отличной стабильностью диэлектрика по температуре и времени. По возможности избегайте танталовых конденсаторов, так как их импеданс на высоких частотах высок.
При установке шумоподавляющих конденсаторов следует учитывать следующие моменты:
1) На входе питания печатной платы установите электролитический конденсатор емкостью около 100 мкФ. Если позволяет габарит, лучше выбрать конденсатор с большей емкостью.
2) В принципе, рядом с каждым микросхемным чипом необходимо размещать керамический конденсатор емкостью 0,01 мкФ. Если на плате нет достаточно места для их установки, можно установить танталовый конденсатор емкостью 1-10 мкФ примерно каждые 10 чипов.
3) Для элементов с низкой устойчивостью к помехам и значительным изменением тока при выключении, а также для запоминающих устройств, таких как RAM и ROM, следует подключать фильтрующий конденсатор между линией питания (Vcc) и заземлением.
4) Выводы конденсаторов не должны быть слишком длинными, особенно для высокочастотных фильтрующих конденсаторов, которые не должны иметь выводов.

3. Проектирование заземляющих проводников В микроконтроллерных системах управления существует множество типов заземляющих проводников, таких как системное заземление, экранированное заземление, логическое заземление, аналоговое заземление и другие. Рациональность размещения заземляющих проводников определяет помехоустойчивость платы. При проектировании заземляющих проводников и точек заземления следует учитывать следующие вопросы:
1) Логические и аналоговые проводники должны быть раздельно проложены, не допускается их совместное использование. Их отдельные заземляющие проводники должны быть соединены с соответствующими заземляющими проводниками источника питания. При проектировании аналоговые заземляющие проводники следует утолщать и увеличивать площадь заземления выводов. Как правило, для аналоговых сигналов ввода и вывода лучше использовать оптронные изоляторы для разделения с цепями микроконтроллера.
2) При проектировании печатной платы логических схем заземление должно быть выполнено в виде замкнутого контура для повышения помехоустойчивости схемы.
3) Заземляющий провод должен быть максимально толстым. Если заземляющий провод слишком тонкий, его сопротивление будет высоким, что приведет к изменению потенциала заземления в зависимости от тока, вызывая нестабильность уровня сигнала и снижение помехоустойчивости схемы. При наличии достаточного пространства для разводки необходимо обеспечить ширину основных заземляющих проводов не менее 2-3 мм, а заземляющие провода на выводах компонентов должны составлять около 1,5 мм.
4) Важно правильно выбирать точки заземления. Когда частота сигналов на печатной плате ниже 1 МГц, влияние электромагнитной индукции между трассами и компонентами незначительно, а токи замыкания в заземляющей цепи оказывают значительное воздействие на помехи, поэтому следует использовать одноточечное заземление, чтобы избежать образования контура. Если частота сигналов на плате превышает 10 МГц, из-за явного индуктивного эффекта трассировки печатной платы сопротивление заземляющего проводника становится высоким, и токи замыкания в заземляющей цепи уже не являются основной проблемой. В этом случае следует применять многоточечное заземление, стремясь максимально снизить сопротивление заземляющего проводника.
4. Прочее Помимо увеличения ширины проводников питания в зависимости от величины тока, при проектировании печатной платы следует также совмещать направление прокладки линий питания и заземления с направлением прокладки линий данных. В завершающей стадии проектирования печатной платы необходимо заполнить все свободные участки нижнего слоя заземляющим проводником. Эти методы способствуют повышению помехоустойчивости схемы. Ширина линий данных должна быть максимально возможной, чтобы уменьшить импеданс. Минимальная ширина линий данных не должна быть менее 0,3 мм (12 мил), а при использовании 0,46–0,5 мм (18–20 мил) результат будет еще более оптимальным.
Поскольку один переходное отверстие на печатной плате создает емкостный эффект около 10 пФ, что вносит слишком много помех в высокочастотные цепи, при проектировании разводки печатной платы следует минимизировать количество переходных отверстий. Кроме того, избыточное количество переходных отверстий также снижает механическую прочность платы.