PCB: The Good, The Bad and The Ugly

Разводка печатных плат не тривиальный процесс. Нет чётких правил, есть рекомендации. Одни техники хороши, другие плохи, а какие-то уродливы, но при этом работают. При проектировании печатной платы нужно учитывать кучу факторов и это касается не только расположения компонентов, электромагнитной совместимости, но и оптимизации BOM, возможности автоматической сборки, ремонтопригодности и т.д. и т.д. и т.д.

Было бы не плохо собрать примеры хороших (the good), плохих (the bad) и уродливых (the ugly) решений из реальных устройств. Зачем, какой смысл? Так как разводка ПП это не «точная наука», учатся этому через эмпирику. Но зачем косячить косяками, которые допускают постоянно? Смысл этой странички в сжатой форме с примерами показать светлую и тёмную сторону силы. (:

Каждый пункт в этом списке — это либо фотография с кратким описанием что за устройство и примечанием почему это хорошо/плохо, либо история/описание какого-то удачного/неудачного решения, принятого при проектировании.

Список со временем будет пополняться, и вы можете принять в этом участие. Нашли что-то интересное? Или пример использования, уже описанного здесь? Отправляйте материалы мне на почту — alex [хаски] chrns.com — фотографии/скриншоты (и не скупитесь на качество) с описанием. Если решение\пример покажется мне интересным, я добавлю его сюда, а ваш ник попадёт в список ниже:

Контрибьюторы: @chrns

The GoodТест-купонКонтактная площадка с отводомЧетырёх проводное зондированиеСоставные посадочные местаВырез внутри платыДатчик температурыThe BadПлотная компановкаВажные и не важные датчикиThe UglyPCB fuseНаименования


Добавить потом:

https://www.youtube.com/watch?v=jey8NmffhTo


The Good

Этот раздел о хороших практиках в проектировании, т.е. тех, которых стоит придерживаться. Что-то из перечисленного здесь не стоит применять в каждом проекте.

Тест-купон

Для контроля качества печатных плат, пришедших с производства, применяют тест-купон (англ. test coupon). Это небольшая область на заготовке, обычно за пределами печатной платы, где размещены проводники, контактные площадки, нанесена шелкография и т.д. Посмотрев на эту зону под микроскопом, можно быстро все проблемные места: проверить зазор, точность сверловки и нанесение шелкографии.

Пример тест-купона на плате Gigatron из видео Дейва Джонса: EEVblog #1193 - KiCAD PCB 4 Layer Swapping & Stackup.

(Найти картинку в видео!)

Вот другой пример: при отладке технологии нанесения и засветки паяльной маски мы сделали несколько областей с полосками. Цифры с боку -- длительность засветки в секундах. После экспозиции линии просматривались под микроскопом, оптимальное время в наших условиях было 35 секунд.

P.S. В блуре растворился МПХ.

Контактная площадка с отводом

В печатных платах есть такое понятие как «контактная площадка с отводом» (англ. teardrop). Основной смысл такого контакта убрать углы при входе дорожки в площадку. Используются по нескольким причинам:

 

Изображение из Википедии: https://en.wikipedia.org/wiki/Teardrop_(electronics)

Инструкции:

Четырёх проводное зондирование

(НУЖЕН ПРИМЕР ИЗ РЕАЛЬНОГО УСТРОЙСТВА)

Ток в цепи можно измерить по падению напряжения на шунте. Уменьшая потери, сопротивление шунта стараются сделать как можно меньше. Место спайки, т.е. контакта, так же имеет сопротивление и в цепях с большими токами2 оно может вносить существенное искажение в измерение. В таких случаях используют так называемое четырёх проводное зондирование (англ. four-terminal sensing), а само подключение называется Kelvin connection.

Пример рекомендаций по такому подключению в AppNote от MAXIM: Guidelines for the MAX5977’s Critical Component Placement and Routing.

P.S. Четырёх проводная схема подключения так же используется для более точного измерения небольших сопротивлений (менее 1 Ом) обычным мультиметром. Вот видео-инструкция: 4 wire kelvin resistance measurement tutorial.

Составные посадочные места

Не всегда можно купить нужные компоненты в нужном корпусе в заданные временные сроки. Можно подстраховаться и если позволяет место на печатной плате, сделать составное посадочное место. Не можешь достать компонент в SO-8, запаивай SOT-23-5.

multiple_packages

Скриншот из видео EEVblog (микрофон Samson C01U USB): EEVblog #1199 - Samson C01U USB Microphone Teardown.

Вырез внутри платы

Вырезы могут быть использованы для разных целей.

Датчик температуры

Скриншот из видео: EEVblog #1207 - ARM Dev Boards Falling From The Sky! -- Дейв разбирает метеозонд, в котором установлен датчик температуры. Вырез вокруг компонентов датчика нужен для предотвращения влияния температуры платы на измерение.


The Bad

Этот раздел о плохих практиках. Так лучше не делать.

Плотная компановка

Между компонентами должно быть расстояние, называемое клиренсом (англ. clearance). Когда плата собирается на автомате, то к ней предъявляются дополнительные требования. То что можно сделать на руками, не всегда можно сделать на автомате. Если компоненты будут лежать слишком близко друг к другу, то манипулятор просто смахнёт соседний компонент при установке следующего.

Ниже приведён пример размещения SOT-23-5 между ногами D2Pak. Резистор и конденсатор так же находится слишком близко.

Скриншот из видео: EEVblog #1170 - TRUE Mystery Teardown! (not even Dave knows).

Важные и не важные датчики

В видео What franchise can't fix in two months Louis solves in 20 minutes. Franchise = :'( на канале Louis Rossmann рассказывается про починку Macbook. Проблема заключалась в том, что некоторые датчики температуры выдавали странные значения (-124 градуса), что приводило к замедлению частоты процессора, а кулеры крутились с максимальной скоростью. Это логично, так как внутренняя система защиты пытается предотвратить повреждения центрального процессора/графической карты. Однако, в ходе исследования неисправности выяснилось, что датчики работали по I2C на один из них коротил линию на землю. Выяснилось, что на линии с критически важными датчиками (температура CPU и GPU чипов) находился датчик освещённости с модуля веб-камеры, который и вызывал проблему. Очевидно, что неисправность датчика освещённости не должна приводить к замедлению работы всей системы.

Цитата из видео:

So, how does this fail? Well, you'll have to ask Apple. Also, why is it that Apple makes a computer where the webcam having an issue will make the entire computer to slow to work properly?... (giggling) Think different! ... The webcam is not working properly? Oh, yeah! Your computer's gonna run at 800 MHz and the fans are gonna spin in 6000 rpm... that's just magic and beauty of Apple engineering... // YouTube


The Ugly

Этот раздел об «уродливых» (спорных) практиках и решениях. Некоторые из них стоило бы перенести в раздел The Bad, но они работают (не всегда). В любом случае использование таких техник не рекомендуется в серьёзных устройствах.

PCB fuse

(НУЖЕН ПРИМЕР ИЗ РЕАЛЬНОГО УСТРОЙСТВА)

Когда хочется сэкономить на предохранителе вместо него можно использовать дорожку на печатной плате. Чем она шире, тем больший ток она может пропустить. Заузив проводник на входе клеммы питания можно заставить её работать как предохранитель. Минусы очевидны: не понятно что сгорит первым -- дорожка или защищаемый компонент; остатки дорожки могут продолжать сквозить током.

Обсуждение на стеке: https://electronics.stackexchange.com/questions/200350/can-thin-sections-of-copper-traces-be-used-as-fuses, там же можно найти ссылку на документ с расчётом таких предохранителей.

Пример из какой-то старой аудио-системы:

Источник изображения: http://www.bcae1.com/images/rca/temporaryrcashieldrepair.html

(В одном немецкой помпе встречал печатный предохранитель, для ускорения его нагрева дорожка шла змейкой. Добавлю, если найду.)

...

Наименования

Если пишите по английский, делайте это грамотно, проверяйте терминологию.

Во многих китайских устройствах можно найти вместо надписи GND/Ground имя планеты Земля (Earth).


1 С современным уровнем технологий производства они скорее часть эстетики, нежели реальной необходимости.
2 Обсуждение сопротивления контакта бананов в источнике питания: https://electronics.stackexchange.com/questions/281198/typical-value-of-contact-resistance-1-banana-connector-2-solder-joint