Примеры трассировок печатных плат
Ознакомиться с самыми последними вариантами выполнения трассировки (разводки) печатных плат можно в галерее выполненных работ Сайта разработчика печатных плат
Здравствуйте, уважаемые посетители сайта PCBdesigner.ru. Раздел мои работы посвящен вопросам разработки печатных плат, а именно вопросам их разводки (слово звучит не совсем красиво, правильнее всего все таки говорить «трассировки», но я буду употреблять оба выражения), выполнению сопровождающей этот процесс конструкторской документации (включающей примеры выполнения детальных, сборочных чертежей печатных плат, спецификации).
Совершенно очевидно: поскольку эта статья называется «Пример трассировки печатной платы», то об этом и пойдет речь.
Ниже представленные рисунки иллюстрируют один из примеров разводки печатной платы. Для вашего удобства приведены примеры трассировки нескольких печатных плат пронумерованные арабскими цифрами. К каждому примеру выполнения проводящего рисунка (разводки) печатной платы дано краткое описание сопровождающееся перечислением касающихся трассировки печатных плат характерных особенностей.
На рисунке 1 представлен пример разводки печатной платы. Основными характеристиками данного печатного узла являются: конструкция, элементная база, проводящий рисунок (результат разводки), класс точности, которые, соответственно, будут определять сложность выполнения трассировки плат.
Пример конструкции разведенной печатной платы
Контур платы выполнен прямоугольным – средних размеров, по углам имеются фаски, присутствуют крепежные отверстия общим количеством 6 штук, трассировка платы выполнена двухсторонней, расположение элементов – одностороннее. Сверху узла по короткой стороне расположен соединитель (разъем), крепление которого обеспечивается винтами, см. пример сборочного чертежа.
Элементная база печатного узла с выполненной трассировкой
Среди факторов определяющих сложность, как результат, плотность проводящего рисунка (трассировки, в простонародии – «разводки») немалую роль играет элементная база.
Узел содержит как элементы поверхностного (SMD) монтажа, так и компоненты сквозного, среди которых, два разъема, часть конденсаторов, резисторов, микросхем, один резонатор.
Типоразмеры элементов поверхностного монтажа начинаются от 0805. В общем случае данный пример трассировки печатной платы содержит 165 элементов. Имеется одна микросхема типа QFP, имеющая четырехстороннее расположение выводов.
Проводящий рисунок разводки печатной платы
Из приведенного примера разводки печатной платы видно: плотность прилегания друг к другу проводников небольшая, поэтому вполне хватает 3 класса точности. Расположение печатного рисунка соответствует правилам трассировки печатных плат. Области металлизации отсутствуют, если вас интересуют примеры металлической сплошной заливки — рекомендую ознакомиться изучить печатные платы с проводящим рисунком (пример разводки печатной платы с заливкой).
Анализируя привиденный пример разводки печатной платы, очевидно, что проводящий рисунок (разводка) данного примера впоследствии может быть усовершенствована, без сильного изменения трассировки ввиду наличия достаточной свободной области отсутствия проводящего рисунка правого верхнего угла.
Комплексный подход к проектированию печатной платы от «А» до «Я» одного из проектов (начиная с принципиальной электрической схемы – заканчивая разработкой конструкторской документации) представлен в статье «Проект радиоприемника своими руками».
Для общего представления и ознакомления, ниже приведены примеры трассировок печатных плат.
13beast › Блог › Печатные платы делаем сами своими руками. Технология ЛУТ.
Здравствуйте, дорогие читатели блога. Сейчас на улице замечательная погода, а у меня прекрасное настроение. Сегодня я хочу вам рассказать о том, как можно изготовить качественные печатные платы в домашних условиях.
Не спорю, что в сети информации на эту тему очень много и, наверное, на каждом радиолюбительском сайте есть описание ЛУТовской технологии. Но из всех этих вариантов я выбрал один, который позволяет мне делать действительно качественные печатные платы не уступающие заводским. В этом варианте нет каких-либо тонкостей способных повлиять на результат. Именно этим методом я хочу с вами поделиться.
Вообще метод изготовления печатных плат с помощью лазерного утюга не сложен. Его суть заключается в способе нанесения защитного рисунка на фольгированный текстолит.
В нашем случае защитный рисунок мы сначала с помощью принтера выводим на фотобумагу, глянцевую ее сторону. Затем в результате нагрева утюгом, размягченный тонер прижаривается к поверхности текстолита. Подробности сего действа читайте далее…
Для изготовления платы по технологии ЛУТ нам понадобится:
фольгированный текстолит (одно- или двухсторонний)
лазерный принтер
утюг
ножницы по металлу
глянцевая фотобумага (Lomond)
растворитель (ацетон, спирт, бензин и т.д.)
наждачная бумага (с мелким абразивом, нулевка вполне подойдет)
сверлилка (обычно моторчик с цанговым патроном)
зубная щетка (очень нужная вещь, не только для здоровья зубов)
хлорное железо
собственно сам рисунок платы нарисованный в Sprint-Layout
Берем в руки ножницы по металлу и вырезаем кусок текстолита по размеру нашей будущей печатной платы. Раньше я резал текстолит ножовкой по металлу, но это, оказалось, по сравнению с ножницами не так удобно, да и пыль текстолитовая очень докучала.
Полученную заготовку печатной платы хорошенько шкурим наждачной бумагой – нулевкой до появления равномерного зеркального блеска. Затем смачиваем кусочек ткани ацетоном, спиртом или каким еще растворителем, тщательно протираем и обезжириваем нашу плату.
Наша задача очистить нашу плату от окислов и “потных рук”. Само собой после этого стараемся руками нашу плату не трогать.
Подготовка рисунка печатной платы и перенос на текстолит.
Нарисованный заранее рисунок печатной платы, мы распечатываем на фотобумагу. Причем в принтере отключаем режим экономии тонера, а рисунок выводим на глянцевой стороне фотобумаги.
Теперь достаем из-под стола утюг и включаем в сеть, пускай нагревается. Свежераспечатанный лист бумаги ложим на текстолит рисунком вниз и начинаем проглаживать утюгом. С фотобумагой, в отличие от кальки, подложки от самоклейки церемониться не нужно, “елозим” утюгом до начала пожелтения бумаги.
Здесь можно не бояться передержать плату, или переборщить с давлением. После берем этот бутерброд с прижаренной бумагой и несем его в ванную. Под струей теплой воды подушечками пальцев начинаем скатывать бумагу. Далее берем в руки заготовленную зубную щетку и хорошенько проходим ею по поверхности платы. Наша задача содрать белый меловой слой с поверхности рисунка.
Просушиваем плату и под яркой лампой хорошенько проверяем.
Зачастую меловой слой сдирается с первого раза зубной щеткой, но бывает, что этого оказывается недостаточно. В этом случае можно воспользоваться изолентой. Белесые волокна налипают на изоленту оставляя нашу платку чистой.
Для приготовления травящего раствора нам понадобится хлорное железо FeCL3.
Этот чудо порошок в нашем радиомагазине стоит около 50р. Наливаем в неметаллическую посудину воды и засыпаем туда хлорного железа. Обычно на три части воды берут одну часть FeCL3. Далее погружаем в посудину нашу плату и даем ей время.
Время травления зависит от толщины фольги, температуры воды, свежести приготовленного раствора. Чем горячее раствор, тем быстрее пройдет процесс травления, но в тоже время в горячей воде есть вероятность повредить защитный рисунок. Также процесс травления ускоряется при помешивании раствора.
Некоторые приспосабливают для этого “бульбулятор” от аквариума или же крепят вибромоторчик от телефона. Вытравленную плату вынимаем и промываем под струей воды. Травящий раствор сливаем в баночку и прячем под ванну, главное чтоб жена не увидела.
Этот раствор нам еще потом пригодится. Вытравленную платку очищаем от защитного слоя тонера. Я для этого применяю ацетон, но вроде как спиртом или бензином тоже не плохо получается.
Вытравленная и очищенная плата нуждается в сверловке, так как не всегда есть возможность применения поверхностного монтажа. Для сверления платы у меня припасена небольшая сверлилка. Она представляет собой моторчик типа ДПМ с насаженным на вал цанговым патроном. Брал я его в радиомагазине за 500р. Но думаю можно применить для этого любой другой моторчик, например от магнитофона.
Сверлим плату острым сверлом, стараясь сохранять перпендикулярность. Перпендикулярность особенно важна при изготовлении двусторонних плат. Кернение отверстий под сверловку нам не требуется, так как отверстия в фольге образовались при травлении автоматически.
Проходимся по плате шкуркой нулевкой, снимая заусенцы после сверловки, и готовимся к лужению нашей платы.
Я стараюсь залуживать свои платы, и делаю это по нескольким причинам:
Залуженная плата более стойка к коррозии, и через год вы не увидите следов ржавчины на вашем устройстве.
Слой припоя на печатном рисунке увеличивает толщину токопроводящего слоя, так снижается сопротивление проводника.
На предварительно залуженную плату легче напаивать радиодетальки, подготовленные поверхности способствуют качественной пайке.
Обезжириваем плату и очищаем от окисла. Воспользуемся ацетоном, а затем буквально на секунду обмакнем в раствор хлорного железа. Порозовевшую плату обильно красим флюсом. Далее достаем паяльник помощнее и, набрав небольшое количество припоя на жало, быстрыми движениями проходимся по дорожкам нашего печатного рисунка. Остается только пройтись немного наждачной бумагой по рисунку, и получаем в результате красивую, блестящую платку.
Ну что же, вот мы и познакомились со способом изготовления печатных плат своими руками в домашних условиях.
Так что создавайте свои устройства, делайте печатные платы, а технология ЛУТ будет вам в помощь.
angindustry › Блог › Создание печатных плат. Метод для начинающих
Начну с того, что рано или поздно мы все совершенствуем свои навыки и умения, и на смену «дедовским методам» приходят все новые технологии.
Поэтому друзья мои в данном посте речь пойдет про создания макета печатных плат без использования маркеров, лака или прочего, а непосредственно для ЛУТа.
Итак года 2 назад я начинал свои познания с простеньких схем где превидя что то на подобии GND взрывало мой мозг (т.к. физика в школе была моим любимым предметом по прогуливанию), и я отправлялся на различные форумы, где задавал глупые вопросы отчего потом сидел с красным лицом. Но время идет и с ним растут интересы. И тут начинается познания все нового. Так и дошел сначала до изготовления плат в домашних условиях старыми методами.
И все бы это хорошо, но надо двигаться дальше. Но остается маленькая закавырка, а именно — схемы то вроде читать научился, а вот как именно из принципиальной схемы разработать будущую плату? Или точнее как правильно расставить компоненты на будущей плате так, что бы это было минимально и культурно?
Все эти вопросы постоянно ходили за мной, и я переодически просил знающих людей о помощи, и они помогали! Но говорили что пора бы уже и самому научиться! И это правда пора бы)
Извиняйте за приведенную туфтологию и теперь к сути)
Поэтому я постараюсь как можно более детально показать, насколько это не сложно даже для самых начинающих в этом деле)
Для своего метода я использую 2 программы:
— Немало известную Sprint layout чертилку —
— И весьма полезную DipTrace утилиту —
Обе программы хороши своими возможностями, но и у каждой есть свои недостатки. Но об этом чуть позже.
Вообщем берем утилиту по названием DipTrace. Выглядит она примерно так:
Набор из 4 утилит из которых нам надо всего лишь 2 верхних
1ая для создания чертежа
2ая для создания макета
Немного отступлюсь. Данный метод можно не использовать если в схеме всего по паре резистор, транзисторов и конденсаторов, то тогда можно сражу перерисовать их в Sprint layout!
Предлагаю рассмотреть все это дело на примере схемы «бегущие огни», где ко всему прочему идет две микросхемы.
Открываем первую утилиту DipTrace и просто на просто перерисовываем нашу схему туда.
На первый взгляд все выглядит непонятно, но поработав немного в этой программе все быстро становится понятным. Самое главное это понять как пользоваться библиотекой компонентов. А для этого в утилите есть грамотный поиск. Хотя правда искать там отечественные аналоги на примере транзисторов кт315 или прочего просто бес толку. Но зная зарубежный аналог, то без проблемм.
На примере приведенной выше схемы нам надо транзисторы кт315, их аналог BC547 или BC182. Главное что бы корпуса совпадали.
Создав схему мы сохраняем проект и переходим ко второй утилите, где открываем созданный ранее наш проект.
Выглядит это примерно таким образом:
Да. Все согласно схеме) расбросанно, но зато уже есть связи между компонентами!
У утилиты есть функция «упорядочить» или «авто постановки» элементом, но в режиме авто может выйти полная каша, так что лучше «упорядочить»
А после расставить в ручную, как нам угодно.
При чем удобно то, что при перетаскивании или поворачивании компонентов связи адаптируются автоматом (в Sprint layout все приходится корректировать вручную).
Так же у программы есть функция «авто трассировки» что упрощает весь процесс).
Только иногда трассировка для 1го стороннего макета может стать кашей на подобии:
Ну и черт с ним) И т.к. я использую 2ух сторонний текстолит, то трассировать на обе стороны)
Кстати очень классная функция 3D просмотра будущего изделия)
И все бы ничего, но у данной программы есть афигительный минус, а то бишь напрямую отправить на принтер Вам не удастся((( Как и прочем переконвертировать файл для Sprint layout. Для этого надо будет сделать их проекта файл для Paint типа Bmp и только потом отправлять на печать. Согласитесь — геморой!
И именно поэтому мы берем чертилку Sprint layout, где опять же главное — это разобраться в библиотеках макросов и перерисовываем наш проект.
В конечном виде имеем такое вот:
И теперь все готово. Остается лишь нажать на печать)
Про дальнейшие действия под названием ЛУТ думаю никому объяснять не нужно) It’s Simple) Принтер — Утюг — Паяльник)))
Знающие в Sprint layout скажут «Зачем такой гемор?» Отвечу: для тех кто освоил прогу может и да, а для начинающего извините гемор сразу расставить компоненты и/или расчертить плату
Да и думаю другие могут сказать «как то муторно!», но поверьте, как только немного поработав в этих программах, то составить проект у Вас займет чуть больше времени, нежели Вы потратили на прочтении данного поста!
Ну Все можно закидывать яйцами)))
Если есть вопросы — спрашивайте)
Все спасибо кто дочитал до конца
Мира и добра
himiks › Блог › Печатная плата старым дедовским способом. Или на пути к утюжно-лазерному методу изготовления плат
Давным давно…
Увлекаясь занимаясь радиолюбительством, была изготовлениа печатная плата под одно устройство, не столько полезное по своей сути, сколько бесполезное вообще как оказалось… (((
Но не об этом речь. Расскажу, как я печатные платы делал без использования лазерного принтера и утюга.
1. В спец.програмке Sprint-Layout по изготовлению печатных плат была набросана нужная и очень простая схемка.
2. Вырезаем нужный кусок фольгированного одностороннего гетинакса. На тот текстолит, что продают в радиомагазинах он не похож.
Этот пласт раньше использовался под вывеску в маршрутке))) Мне достался на халяву)))
3. Высверливаем отверстия под радиоэлементы. Сверло было порядка 1мм.
4. Теперь самое интересное — нанесение дорожек. Используем краску и спичку для нанесения дорожек ))) У меня была автомобильная краска вот такого синего цвета.
А пока сохнет краска, ждем (пьем кофе, отдыхаем, курим — кому что нравится)…
5. Краска высохла. Готовим раствор хлорного железа. В пластиковую тару заливаем, кладем плату в подогретый раствор.
Для ускорения протравливания можно ванночку покачивать, создавая потоки и тем самым увеличивая взаимодеиствие раствора с платой. Можно увеличивать температуру раствора, или увеличить концентрацию раствора.
6. Следим за степенью готовности платы. Передержав плату можно все дорожки испортить, раствор будет под краску попадать медный слой. Как только вся нужная медь исчезнет с платы, вытаскиваем плату и промываем в проточной воде. Сушим плату.
7. Соскребаем краску с дорожек.
8. Лудим дорожки с помощью паяльника и припоя.
9. Припаиваем на свое законное место нужные детали.
10. Собираем устройство в корпус.
11. Без комментариев
12. Собираем корпус.Устройство готово. Громоздко.
Минусов куча. Но не об устройстве в целом тут речь, а про изготовление платы…
Основная задача — это показать процесс изготовления старым способом без использования лазерного принтера и паяльника )))
Спасибо за внимание)
Комментарии 88
Добрый день, а можно поподробнее про процесс травки(травления), ну вы поняли), первый раз делаю плату для гитарной примочки… Хочу сразу правильно…
Безопасный способ травления плат. Пусть тут лежит, может кому поможет.
Ингредиенты:
Лимонная кислота, поваренная соль и перекись водорода.
Способ приготовления травильного раствора:
В 100 мл аптечной 3% перекиси водорода растворяется 30 г лимонной кислоты и 5 г поваренной соли. Этого раствора должно хватить для травления 100 см2 меди, толщиной 35мкм.
Соль при подготовке раствора можно не жалеть. Так как она играет роль катализатора, то в процессе травления практически не расходуется. Перекись 3% не стоит разбавлять дополнительно т.к. при добавлении остальных ингредиентов её концентрация снижается.
Чем больше будет добавлено перекиси водорода (гидроперита) тем быстрее пойдёт процесс, но не переусердствуйте — раствор не хранится, т.е. повторно не используется, а значит и гидроперит будет просто перерасходован. Избыток перекиси легко определить по обильному «пузырению» во время травления.
Однако добавление лимонной кислоты и перекиси вполне допустимо, но рациональнее приготовить свежий раствор.
Вы можете использовать вместо лимонной и уксусную кислоту, но неприятный запах и меньшая скорость травления могут вас не устроить. ОВП реакции с уксусной кислотой 1,35В – что в принципе не так уж и мало, например в сравнении с ХЖ.
Трассировка силовых цепей на печатных платах FR4: рекомендации и ограничения
Мощность компактных преобразовательных устройств, использующих печатные платы для промежуточных соединений и подводки силовых цепей, непрерывно растет. В качестве примера на рис. 1 показана сборка миниатюрного интеллектуального силового модуля MiniSKiiP, широко используемая в промышленных приводах мощностью до 20 кВт.
Рис. 1. Сборка миниатюрного интеллектуального силового модуля MiniSKiiP
Протекание токов по проводникам печатной платы приводит к возникновению активных потерь мощности и перегреву. Величина активного сопротивления токонесущей трассы зависит от свойств материала проводника (меди), длины и площади поперечного сечения. Геометрическая форма трасс влияет на распределение тепла и эффективность его передачи на саму печатную плату и в окружающую среду.
Топология разводки платы, на которой размещены мощные элементы, чрезвычайно важна для обеспечения надежности работы системы. Существующие правила нормирования размеров проводников PCB основаны на анализе зависимости температуры медной трассы по ее сечению от протекающего тока. В различных источниках 1 приводятся методики расчета, основанные на данной зависимости и определяющие перегрев меди относительно окружающей среды. Базы данных для подобных вычислений получены с помощью двух независимых моделей, описанных в [4].
На рис. 2 приведены два варианта топологии печатных плат и диаграммы, демонстрирующие измеренные и расчетные значения температуры как функции тока. Как видно на графиках, оценочные величины, полученные с помощью базовых моделей (модель 1, модель 2), не дают точного отображения температуры соответствующей структуры PCB. Причиной малой достоверности является высокая степень упрощения, присущая данным моделям. В них не учтены такие важные факторы, как характеристики системы охлаждения, свойства окружающей среды, структура ламината и эффект взаимного теплового влияния. Открытым также остается вопрос о допустимости использования стандартных методик для токов выше 35 А, поскольку все опубликованные данные относятся к меньшим значениям [5, 6]. Именно поэтому исследование тепловых режимов печатных плат при работе на больших токах является актуальным и рассматривается в данной статье.
Рис. 2. Расчетные и измеренные значения температуры перегрева для двух топологий печатных плат
Дизайн тестовой платы и измерения
Для проведения испытаний было разработано несколько тестовых плат с различной топологией. С помощью PCB, структура трасс которой показана на рис. 3, исследовалось влияние дополнительных медных слоев (A-D), ширины дорожек (Е и D) и геометрии токового пути (Е-D).
Рис. 3. Тестовая плата для исследования влияния топологии трассировки и положения термодатчика
Плата была изготовлена в двух версиях с толщиной слоя меди 70 и 105 мкм. Положение термодатчиков, установленных с помощью пайки, показано в правой части рис. 4. В ходе испытаний проводилась запись стационарного значения температуры в установившемся состоянии для заданного тока и исследовалось время отклика системы при изменении нагрузки. Мониторинг температуры осуществлялся на дорожках, проводящих ток, и соседних с ними, а также в окружающем пространстве внутри тестовой камеры; контролировался ток и напряжение между дорожками. В ходе измерений ток увеличивался с шагом 10 А (максимум 80 А) до наступления критического перегрева меди (125 °С).
Рис. 4. Измерительный стенд: общий вид, тестируемая плата
Анализ установившегося состояния
Влияние сечения проводника
Рис. 5. Влияние площади сечения меди на токонесущую способность
В соответствии с рекомендациями производителей печатных плат [7] предельная рабочая температура ламината FR4 не должна превышать 125 °С. Диаграммы на рис. 5 позволяют определить максимальную токовую нагрузку рассматриваемых типов трасс, удовлетворяющую этому условию. Горизонтальная линия на уровне 125 °С ограничивает значения предельных токов на уровне 30, 40, 48 и 62 А соответственно.
Влияние геометрии токового пути
В ходе испытаний исследовалась взаимная связь дорожек, расположенных на разных слоях PCB. Как видно на рис. 3, трасса Е размещается на верхнем крае платы, а топология F включает оба слоя, однако ток пропускается только по верхней трассе. Структура G состоит из дорожек на обеих сторонах PCB, соединенных между собой переходным отверстием на конце, что дает возможность исследовать тепловой режим платы при протекании тока по последовательному соединению проводников.
В ходе данного вида испытаний изучались трассы, имеющие толщину 70 и 105 мкм и одинаковую ширину, таким образом, поперечное сечение составляло 0,35 и 0,525 мм 2 соответственно.
На рис. 6 и 7 показана зависимость измеренной температуры от тока нагрузки для различных вариантов токовых трасс. Судя по графикам, влияние геометрии проводников идентично для обеих плат: температура каждой структуры для PCB 70 мкм при заданном токе выше, чем для PCB 105 мкм из-за меньшей площади сечения.
Рис. 6. Влияние геометрии дорожки на перегрев при одинаковой площади сечения (PCB 70 мкм)
Рис. 7. Влияние геометрии дорожки на перегрев при одинаковой площади сечения (PCB 105 мкм)
Сравнение результатов на рис. 6 и 7 для структур E-G показывает, что наименьшей токонесущей способностью обладает трасса G, проводящая ток на обоих слоях и имеющая, соответственно, в 2 раза больше омическое сопротивление, чем E и F. Температура односторонней дорожки Е при максимальном токе нагрузки оказывается несколько меньше, чем у двусторонней F. Очевидно, что «пассивный» медный слой структуры F практически не влияет на тепловое равновесие токонесущего слоя. С точки зрения уровня генерируемых потерь тепловые режимы трасс Е и F оказываются практически идентичными, так как одинаковы их активные сопротивления и пропускаемые токи.
Влияние площади сечения меди
В данной главе делается попытка приближения к реальным параметрам PCB, трассировка которых, как правило, выполняется без учета всех тепловых режимов. В частности, здесь проводится сравнение дорожек с одинаковым сечением в точке измерения температуры, но находящихся под влиянием близко расположенные трасс с различной площадью сечения меди.
При переходе от структуры А к С сечение дорожки уменьшается, для трассы D оно минимально. Эпюры на рис. 8 демонстрируют перегрев проводников платы 70 мкм в зависимости от тока нагрузки для этих четырех случаев. Как показывают графики, увеличение площади сечения дорожки позволяет существенно снизить температуру перегрева, и с ростом тока этот эффект становится еще более выраженным.
Рис. 8. Оценка зависимости температуры перегрева от тока для различных видов медных трасс с одинаковым поперечным сечением
Оценка действующих правил трассировки
Для правильного выбора сечения трассы, обеспечивающего достаточную токонесущую способность, необходимо средство расчета, позволяющее определять температуру перегрева дорожки в зависимости от ее сечения и тока нагрузки. Наиболее корректным путем нахождения этого соотношения является использование термодинамической модели, описываемой следующим образом:
где I — ток нагрузки, А; ΔΤ — градиент температуры, °С; А — сечение трассы, мм 2 ; k, x, y — специфические константы.
Коэффициенты k, x, y определяются экспериментально; два набора констант, полученных в результате измерений (DN и IPC [4]), приведены в таблице. Расчет температуры перегрева меди относительно окружающей среды производится на основе значения тока и площади сечения трассы. В качестве определяющего фактора используется наименьшее значение ширины дорожки. Оценка качества модели была проведена с помощью обоих наборов коэффициентов для структуры D с толщиной слоя меди 70 мкм при ширине дорожки 10 мм.
Таблица. Константы для вычислений
| Модель | k | x | y |
| IPC | 100,75 | 0,43 | 0,68 |
| DN | 62,00 | 0,45 | 0,69 |
На рис. 8 показана зависимость температуры перегрева от тока для трасс А и D с использованием моделей DN и IPC. Приведенные данные нормализованы по отношению к температуре окружающей среды. Модель DN дает преувеличенные значения температуры для всех трасс, модель IPC позволяет получить хорошее приближение для структуры С и преувеличенное — для А и В. Температура дорожек для обоих значений толщины слоев с одинаковой шириной при использовании модели IPC оказывается заниженной (кривая D на рис. 8).
Полученные результаты позволяют объяснить разницу между измеренными и расчетными значениями на рис. 2. Трасса на тестовой плате (рис. 2а) имеет постоянную ширину, а модель 2 (соответствующая IPC) дает заниженное значение. Температура в примере на рис. 2б измеряется в самой узкой зоне трассы, где модель IPC дает завышенное значение.
При оценке абсолютных значений, получаемых с помощью описанных моделей, необходимо учитывать реальную толщину слоя меди. Стандартные правила проектирования позволяют выбрать размер проводника и рассчитать температуру перегрева для номинального значения толщины слоя меди. Действительная же величина с учетом производственных допусков может оказаться существенно меньше.
Измерения показали, что при номинальном значении 70 мкм действительное среднее значение толщины слоя меди на верхнем слое платы составляет 61 мкм. На рис. 9 приведена зависимость температуры перегрева от тока для структуры D в сравнении с расчетными значениями на базе модели IPC при номинальной и минимальной толщине слоя. Очевидно, что результаты вычислений для второго случая (61 мкм) оказываются в области более высоких температур, чем для первого (70 мкм), при одинаковом токе.
Рис. 9. Измеренные значения температуры при увеличении тока для номинальной и реальной толщины слоя меди
Девиация ширины печатных трасс из-за дефектов травления не превышает 0,1%, и ей можно пренебречь.
Анализ переходных режимов
Приведенные выше рассуждения относятся к случаю установившегося теплового равновесия при протекании по трассе PCB фиксированного постоянного тока. Однако для анализа реальных рабочих режимов большое значение имеют переходные состояния, вызванные изменением нагрузки. Поскольку уровень тока DC при испытаниях увеличивается с дискретным шагом (10 А), это дает возможность оценить тепловую постоянную времени печатной платы.
На рис. 10 показаны результаты измерения температуры, проведенные в центре дорожек А и С (рис. 3) на плате 70 мкм. Мониторинг температуры также проводился на ненагруженной трассе А при протекании тока по проводнику С.
Рис. 10. а) Измеренные и расчетные значения температуры; б) определение тепловой постоянной времени
Для анализа динамических тепловых режимов была создана простая 3D-модель PCB, представленная на рис. 11. Потери, определяемые произведением падения напряжения и тока нагрузки, рассеиваются в структуре С, имеющей постоянную ширину и известное сечение слоя меди. Печатная плата помещается между двумя идеальными радиаторами с переходным слоем, моделирующим передачу тепла в окружающую среду. Параметры интерфейсного слоя выбирались таким образом, чтобы модель обеспечивала достоверное значение установившейся температуры при различных значениях тока нагрузки. Чтобы корректно задать тепловую связь токонесущей трассы и ненагруженной дорожки А, теплопроводность материала FR4 задана на уровне 1,5 Вт/мК. Как показано на рис. 10, созданная таким образом модель позволяет получить хорошее приближение при анализе тепловых переходных процессов.
Рис. 11. Поперечное сечение моделируемой структуры
Протестированная тепловая модель печатной платы может быть использована для исследования динамических тепловых характеристик на частотах, где медленные термодатчики не способны дать корректные результаты. Моделирование подтвердило, что пульсации температуры на частоте 50 Гц составляют около 0,1%, и ими можно пренебречь. Как показано на рис. 12, переходные тепловые процессы в печатных дорожках наиболее ярко выражены на частотах ниже 1 Гц. При 0,5 Гц амплитуда изменения температуры составляет примерно ±5% от среднего значения перегрева трассы относительно окружающей среды.
Рис. 12. Моделирование теплового режима при протекании низкочастотного переменного тока при окружающей температуре 25 °С
Эаключение
В преобразователях малой и средней мощности силовые транзисторы и модули, как правило, размещаются на печатных платах, а сильноточные соединения цепей питания и выходов осуществляются с помощью печатных трасс. Для обеспечения надежной работы системы в этих условиях большое значение приобретает правильный выбор ширины и толщины дорожек PCB.
Экспериментальные исследования тестовых печатных плат, созданных на стандартном материале FR4, показали, что существующие правила трассировки и методики теплового расчета могут быть использованы только для установившихся состояний при токах, не превышающих 35 А. Модель IPC [4] дает хорошие результаты только для длинных трасс с постоянной площадью сечения.
Вопреки некоторым рекомендациям размещение параллельной дорожки на обратной стороне PCB не увеличивает токонесущую способность трассы. Значительного повышения допустимой токовой нагрузки можно добиться только за счет увеличения сечения меди в проводящих слоях, а значит, при разводке силовых трасс следует максимально использовать свободную площадь печатной платы.
Анализ динамических тепловых режимов, проведенный с помощью созданной модели PCB, подтвердил, что колебания температуры дорожки относительно среднего значения вносят существенный вклад при частоте изменения тока ниже 1 Гц.
