Контроллер резервного может пригодится в разнообразных технических системах и устройствах. Поэтому конструктив платы был выбран максимально нейтральный с возможностью выноса элементов управления на отдельную панель.
Все статьи по проекту
Cсылка на открытый проект: https://github.com/Indemsys/Backup-controller_BACKPMAN-v1.0
Трассировка
Выбор конструкции платы и ее трассировка - это каскад компромиссов. Компромиссы возникают когда надо удовлетворить целый список желаний включающий, но не ограниченный пунктами:
электромагнитная совместимость удовлетворяющая стандартам
высокая теплоотдача и большая рассеиваемая мощность без радиаторов и вентиляторов
низкая цена печатной платы
минимальные размеры
возможность изменять варианты сборки
обеспечение электробезопасности и электрической прочности
ремонтопригодность с минимальной оснасткой и оборудованием
пригодность для коррекций ошибок трассировки и схемотехники
технологичность сборки и невысокая цена сборки
максимальная тестируемость после сборки
удобство монтажа в целевой системе
Естественно что весь этот список невозможно не только максимально удовлетворить, но даже держать в памяти затруднительно.
Поэтому эмпирически выбираем два-три высших приоритета с которыми работаем в первую очередь.
Низкая серийность позволяет нам сдвинуть цену вниз по приоритетам. Боль прошлого опыта заставляет нас поднять ремонтопригодность и тюнингируемость на пару уровней выше чем это принято обычно.
В верхней строчке может оказаться электробезопасность и соответствие стандартам по ЭМС.
И не только потому что без этого регуляторы просто не позволят эксплуатировать плату. Плохая ЭМС может поднять результирующую цену платы многократно, поскольку приведет к длительному циклу отладки, к повышенному проценту ремонтов, удорожанию технической поддержки и многому другому. Соответственно вердикт - плата должна иметь не менее 4-х слоев.
В 4-х слоях удастся сделать максимально большие полигоны земли и питания, а также полигоны отвода тепла.
Толщину платы выбираем из соображений жесткости и из перечня доступных вариантов у производителя плат. Внутренние слои расположены ближе к внешним чтобы иметь лучшую емкостную связь с дорожками в верхних слоях и обеспечивать лучшую ЭМС, а также для лучшей передачи тепла от SMD компонентов в стороны от них.
Шесть слоев конечно было бы лучше, но нельзя забывать что цена еще не выкинута из списка приоритетов.
Вопрос выбора программных инструментов для трассировки решается в пользу Altium Designer. Как считают его разработчики он на сегодня наиболее массово применяемый инструмент в данной области.
Цена за standalone лицензию Altium до акций могла обойтись пределах 10 тыс. евро, еще 3 тыс. евро возможно придется отдать за опцию PDN Analyzer если потребуется точнее рассчитать потери и наводки в проводниках.
К счастью есть возможность поработать с триальной версией Altium и при должной сноровке выполнить трассировку необходимой нам платы в триальный период.
Результат работы показан ниже:
Компоновка
При компоновке внимание было уделено дистанцированию высоковольтных коммутаторов от низковольтных цепей, компактности отдельных ключей для минимизации длины дорожек проводящих большие токи, распределению силовых компонентов способом обеспечивающим наилучший отвод тепла. Таким образом все силовые транзисторы оказались на нижнем слое.
При необходимости на них всех можно установить единый радиатор.
На посадочном месте дисплея находится ряд отверстий под установку разъема. Если дисплей и энкодер нужно вынести, то ставится разъем на который выходят все необходимые для выноса сигналы.
Работа по правилам
В Altium есть оригинальный механизм правил. Правила позволяют делать автоматическую проверку соответствия трассировки заданным технологическим нормам.
Для данной платы были созданы следующие основные правила:
Определение зазоров
Зазоры - это то на чем вас в первую очередь могут подловить сертифицирующие органы если вы не уделите необходимого внимания этому аспекту. Зазоры необходимо увеличивать для защиты от пробоев электрическим напряжением и всяческих неприятностей при длительной эксплуатации, но делать зазоры слишком большими тоже не вариант. Поэтому делать их надо по предельно допустимым величинам из стандартов. На каждое напряжение свой зазор, причем он разный во внешних и внутренних слоях, зависит от того открыта паяльная маска или нет и прочих условий.
Дополнительно надо помнить о двух разных понятиях: зазор (clearance) и длина пути (creepage).
Путь (creepage) должен быть строго таким как указывают стандарты, а вот зазор может быть меньше если между площадками находится вырез в плате. Очень часто высоковольтные разъемы имеют дистанцию между выводами меньшую чем допустимо при указанном на них максимальном напряжении. В этом случае делают вырезы чтобы обеспечить необходимый creepage.
Чтобы иметь возможность разным цепям назначать разные зазоры по отношению к другим цепям на схеме задаются классы цепей. Классы назначаются с помощью специальных визуальных элементов присоединяемых к цепям, как показано на рисунке. При щелчке на элементе открывается диалог, где можно написать имя класса цепи.
Затем в редакторе печатной платы в диалоге правил каждому классу обнаруженному на схеме можно записать свое правило со значением зазора. Естественно для классов можно задать и иные категории правил, например ширину проводников, типы переходных отверстий разрешенных для класса, способы подключения к полигонам, термо-барьеры и проч. Но для данной платы это не используется.
Обратной стороной правил является то что их может стать слишком много и тогда поддерживать правила при рефакторинге станет труднее чем делать ручные операции.
Площадки и их особенности
Как и при разработке программного обеспечения так и при разработке платы не имеет смысла сразу уделять много внимания форме площадок. Для этого есть рефакторинг и в Altium этот рефакторинг делать достаточно удобно.
Но несколько советов все же дам.
Во первых, все площадки скругляю (или почти все, насколько видится целесообразным) .
Это заметно повышает плотность трассировки и заполняемость полигонами. Исключение составляют только первые пины многовыводных компонентов. Их делаю прямоугольными чтобы сразу визуально отличить и понять ориентацию компонента с какой бы стороны платы мы не смотрели (если это не SMD компонент)
Следующим важным моментом является маска для нанесения пасты. Все области открытой маски для пасты на поверхности платы должны быть примерно одинаковыми. Так требуют технологи контрактных сборщиков чтобы лучше контролировать количество наносимой пасты.
Поэтому под большие площади занимаемые SDM транзисторами маска пасты делается не сплошной, а перфорированной. Если ее сделать сплошной, то переизбыток пасты вызовет миграцию корпуса силового транзистора при пайке с сторону со значительным смещением (доли миллиметра). Такой миграции хватит чтобы замкнуть затвор с истоком.
Если переходные отверстия находятся на площадке, то их диаметр не более 0.3 мм и над ними закрыта маска пасты. Паста никогда не ложится на переходные. С обратной стороны платы у таких переходных всегда открыта паяльная маска. Такие меры вполне эффективно препятствуют массивному перетеканию припоя на обратную сторону и образованию дефектов вспучивания паяльной маски на обратной стороне.
Площадки измерительных шунтов
Оба показанных ниже варианта приемлемы. Но все же первый вариант выдаст менее точное измерение. И погрешность будет выше чем заявленная погрешность номинала самого шунта.
Шелкография
Стиль шелкографии на плате достаточно скупой. Насыщенная шелкография, где обводятся контуры каждого элемента может привести к большому объему трудозатрат по корректировки нахлёстов шелкографии на открытые площадки для пайки.
Главное что нужно от шелкографии - показать позиционные обозначения компонентов и их ориентацию.
Когда речь заходит о ремонте платы или тюнинге, то специалисту отдается специально сгенерированный в Altium PDF файл с полной информацией о монтаже и удобной навигацией по компонентам.
Не стоит пытаться в шелкографии воспроизвести полную информацию о монтаже. Иначе будет как на фотографии слева, где шелкография очевидно мешает контролю трассировки, тюнингу и вызывает неоправданные трудозатраты.
Какие рекомендации действительно важны
В интернете на сайтах любителей да и производителей есть множество советов как и что нельзя делать при разработке печатных плат. В целом обычно верно, но часто остается непонятным насколько критичны те или иные рекомендации. Два примера ниже.
Рекомендация по установке термо-барьеров. Она напрямую конфликтует с требованиями ЭМИ и теплопередачи, однако выполнение рекомендации обеспечивает исключительное удобство ремонта. Как правило если элемент не греется, не проводит большие токи, то ремонтировать его не приходится, если только не считать тюнинга.
Современные контрактные сборщики, по моему опыту, не отдают плат с дефектом «надгробного камня», а исправляют его у себя, если он появляется. Они также и претензий не предъявляют в случае отсутствия термо-барьера.
Что же касается ремонта, то современные паяльники без труда справляются с отпайкой компонентов без термо-барьеров. Словом, рекомендация сомнительная.
Рекомендация для паяльной маски. Это очень важная рекомендация. Области открытой паяльной маски ни в коем случае не должны охватывать соседние площадки если они принадлежат разным цепям. Иначе практически гарантировано где-то возникнет замыкание между площадками и контрактный сборщик отдаст плату с дефектом потому что визуальный контроль его не обнаружит, так как замыкания могут быть под корпусами микросхем.
Проблемы земли
Вопрос о земле - важнейший в цифро-аналогово-силовых схемах. Малейшая неосмотрительность может привести к тяжелым финансовым последствиям либо, в лучшем случае, к значительной деградации качества работы схемы.
У Altium есть инструмент под названием PDN Analyzer для точного расчета потенциалов в проводниках с большими токами к которым относятся и полигоны земель. Однако в данном проекте этот анализатор не использовался. Все же это дорогое и трудоемкое удовольствие оправданное в более сложных проектах. Здесь подход был проще.
Были идентифицированы несколько основных доменов земли которые необходимо максимально разделить:
цифровая земля микроконтроллера
аналоговая земля микроконтроллера
возвратная земля силовых ключей и DC/DC преобразователя
чувствительная земля DC/DC преобразователя
непосредственно заземление
Потом эти земли были обратно на схеме разделены специальными компонентами-перемычками представляющими собой просто короткие дорожки, как на рисунке ниже
После такого разделения на плате эти земли уже трассировались как отдельные не связанные между собой цепи. И конечно не забывалось о правиле минимизации петли возвратных токов, т.е. сигналы каждого домена шли поверх или рядом с полигоном земли этого домена.
Ниже показана результирующая топология каждой из земель.
На этом описание трассировки заканчивается. Насколько это возможно в формате короткой статьи я постарался отметить самые важные на мой взгляд моменты.
