Płytki drukowane (PCB – Printed Circuit Board) stanowią podstawę budowy niemalże wszystkich aktualnie projektowanych urządzeń. W dużej mierze określają wiele ich cech oraz możliwości. Opracowanie nowoczesnych wielowarstwowych obwodów drukowanych o bardzo dużej gęstości wymaga ogromnej staranności już na samym etapie projektowania. Błędy w tym miejscu mogą okazać się kosztowne nie tylko w związku z ceną prototypów, ale także czasem poświęconym na ich poprawę i ponowną weryfikację.
Coraz częściej uwaga skupiana jest również na powtarzalnej jakości, ponieważ wadliwy lub źle zaprojektowany obwód drukowany może spowodować duże straty finansowe
i wizerunkowe dla firmy. Inżynierowie od dawna korzystają
z zaawansowanego oprogramowania wspomagającego projektowanie, które na bieżąco śledzi i weryfikuje reguły projektowe. Jednak gotowy układ sprawdzany jest najczęściej dopiero na etapie prototypu. Dla prostych obwodów takie podejście jest odpowiednie, jednak przy tych bardziej złożonych, okazuje się niewystarczające. Rozwiązaniem jest zastosowanie numerycznego modelowania obwodów drukowanych i weryfikacja projektu jeszcze przed powstaniem prototypu.
Rys. 1. Wymagania rynkowe dotyczące płytek wciąż rosną, dlatego bardzo istotne jest dostarczanie obwodów drukowanych najwyższej jakości
Rys. 2. Realizacja płytki drukowanej dla każdego urządzenia rozpoczyna się od jej projektu w programie ECAD
Jakie analizy numeryczne wykonuje się dla PCB?
Płytki drukowane z uwagi na swoją kluczową rolę powinny zostać poddane analizie uwzględniającej kwestie:
- elektryczne
- cieplne
- mechaniczne
Poszczególne zagadnienia coraz rzadziej można rozpatrywać niezależnie od siebie i konieczne staje się uwzględnienie interakcji pomiędzy nimi. Nie bez znaczenia pozostaje też kwestia związana z analizą systemową sprawdzającą współdziałanie płytki z innymi elementami urządzenia. Punktem wyjścia dla tych analiz jest projekt (Rys. 2) przygotowany w formacie ECAD (Electronic Computer-Aided Design).
Ważną kwestią są też uwarunkowania prawne, takie jak normy emisji i odporności na zaburzenia elektromagnetyczne, które muszą spełniać wszystkie współcześnie produkowane urządzenia. Małe rozmiary oraz coraz wyższe częstotliwości, na których pracują współczesne płytki, wymagają kompleksowego podejścia do tych zagadnień oraz systemowej analizy numerycznej.
Integralność elektryczna obwodu drukowanego
Pojęcie integralności obwodu drukowanego jest obszerne i obejmuje całe spektrum często powiązanych ze sobą zagadnień. Najważniejsze z nich to:
- integralność linii i powierzchni zasilających
- integralność sygnałowa
- integralność cieplna
Wykorzystanie symulacji komputerowej dla tych zagadnień pozwala na uwzględnienie wszystkich składowych pasożytniczych. Składowe te wynikają z rzeczywistej geometrii i umiejscowienia przestrzennego ścieżek na płytce oraz podłączonych do niej – w konkretnych miejscach – elementów elektronicznych. Dla wszystkich elementów przy analizie numerycznej można wykorzystać ich rzeczywiste modele uwzględniające też ich własne parametry pasożytnicze. To oznacza odwzorowanie niemalże rzeczywistych warunków i zbudowanie “wirtualnego” prototypu.
Połączenie pakietu SIwave z Icepak pozwala na analizę sprzężoną i uwzględnienie przy analizie termicznej wpływu współczynników temperaturowych ścieżek.
Linie i powierzchnie zasilające
Linie zasilające na płytkach występują w postaci pojedynczych ścieżek lub też większych powierzchni. Niezależnie od kształtu będą one wykazywały pewne parametry pasożytnicze, takie jak: rezystancja, indukcyjność i pojemność (Rys. 3).
Rys. 3. Linie zasilające oraz odpowiadający im schemat zastępczy
Powstałe z połączenia tych elementów struktury będą charakteryzowały się rezonansami, które mogą negatywnie wpływać na jakość napięcia zasilającego. System zasilający na płytce musi być w stanie poradzić sobie z wszelkimi obciążeniami i zaburzeniami. Dobra konstrukcja powinna minimalizować tętnienia napięcia, aby zapewnić stabilne i niezawodne napięcie dla wszystkich układów aktywnych. W tym celu stosuje się kondensatory odsprzęgające. Powodują one lokalne zmniejszenie modułu impedancji linii zasilającej oraz gromadzą ładunek niezbędny dla układów kluczujących. Dodatkowo kondensatory blokują prąd zaburzeń, który mógłby negatywnie wpłynąć na zasilane układy. Ważną kwestią staje się zatem optymalne rozmieszczenie tych kondensatorów na płytce drukowanej.
Jak rozmieścić kondensatory odsprzęgające?
Inżynierowie często umieszczają kondensatory odsprzęgające intuicyjnie nie szczędząc ich liczby, wychodząc z założenia, że lepiej dać o jeden kondensator za dużo niż za mało. Optymalizacja rozmieszczenia pozwala na dokładne określenie miejsca i wartości pojemności kondensatorów odsprzęgających (Rys. 4).
Rys 4. Algorytm postępowania przy optymalizacji rozmieszczenia kondensatorów
Do optymalizacji służy analiza rezonansowa. Umożliwia ona wstępne wytypowanie problematycznych obszarów znajdujących się na płytce, gdzie mogą pojawić się problemy z zasilaniem. Dla konkretnych częstotliwości ścieżki mogą wykazywać duży moduł impedancji, a co za tym idzie, są w stanie powstawać w tym miejscu spadki napięć, a w skrajnym przypadku nawet przepięcia (Rys. 5). Dokładając dodatkowe kondensatory lub zmieniając typ/parametry już istniejących, możliwe jest zmniejszenie modułu impedancji w danym punkcie, a tym samym zmniejszenie tętnień napięcia.
Rys. 5. Animacja przedstawiająca wahania napięcia powierzchni zasilających na płytce drukowanej
W programie ANSYS SIwave odpowiednie algorytmy pozwalają na automatyzację tego procesu oraz na optymalizację uwzględniającą wiele kryteriów; oprócz miejsca, także wartość pojemności kondensatora, jego model rzeczywisty, czy nawet cenę komponentu.
Podsumowanie
Symulacje numeryczne pozwalają na analizę złożonych zagadnień fizycznych w płytkach drukowanych, dzięki czemu możliwe jest przyspieszenie wdrożenia nowych rozwiązań konstrukcyjnych. Takie podejście jest też sposobem na wychwycenie błędów już na etapie projektowania układu. Odwzorowanie rzeczywistych parametrów obwodów drukowanych i wpływu środowiska pracy, zapewnia niezawodność projektowanym urządzeniom. Dodatkowym atutem jest optymalizacja komponentów, która minimalizuje koszty produkcji. Należy brać pod uwagę, że jeden dodatkowy kondensator więcej w urządzeniu nie ma znaczenia, ale przy wyprodukowaniu miliona sztuk, nawet najmniejsza optymalizacja stanowi już realny zysk.
Autor artykułu
dr inż. Marek Szymczak, Application Engineer w Symkom. Specjalizuje się w zagadnieniach związanych z elektromagnetyzmem, wysokimi częstotliwościami oraz obwodami drukowanymi. Absolwent wydziału Elektrycznego Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Tytuł doktora uzyskał za pracę: Analiza porównawcza możliwości zastosowania filtrów pasywnych i aktywnych do tłumienia zaburzeń przewodzonych.