Утилита помощи разработчику печатных плат
При проектировании печатных плат часто требуется рассчитать те или иные электрические свойства объектов платы и влияние их механических размерностей на поведение и целостность электрических сигналов. Нередко встречается и обратная задача - по известным токам и напряжениям вычислить минимально допустимые расстояния между проводниками, ширину дорожек и температуру нагрева слоев меди. Для решения подобных (и не только) вопросов удобно использовать бесплатную утилиту Saturn PCB Design Toolkit, работающую в среде Windows.
При запуске утилиты открывается главное окно программы, содержащее 12 вкладок, каждая из которых предназначена для определенного вида расчетов.
Нижняя часть окна содержит логотип разработчика и неизменна для всех вкладок. Правая часть окна также одинакова для каждой вкладки и описывает дополнительные опции для расчетов. Однако некоторые ее части могут становиться неактивными там где эти опции неприменимы или не играют роли.
Рассмотрим что содержится в правой части (сверху вниз):
Выбор единиц измерения (Units): метрические (Metric) или дюймовые (Imperial). Стоит учитывать, что независимо от выбранных единиц измерения и языковых настроек системы программа не принимает запятую «,» в качестве разделителя целой и дробной частей, и следует всегда использовать символ точки «.».
Выбор толщины дополнительного покрытия слоя металлизации печатной платы (Plating thickness). Если дополнительного покрытия слоя металлизации не планируется – нужно выбрать пункт Непокрытая плата (Bare PCB). Как правило, все внешние слои платы покрываются дополнительным слоем меди в процессе металлизации отверстий, все внутренние слои – непокрытые.
Выбор типа основания печатной платы (Substrate Options). В большинстве случаев это типовой текстолит FR-4, но можно выбрать любой другой из списка (Material Selection) или задать уникальные параметры диэлектрической постоянно (Er) и температуры стеклования (Tg) для своего типа основания, выбрав из списка пункт Custom.
Выбор максимального или желаемого роста температуры (Temp Rise) для проводника или переходного отверстия в градусах Цельсия. Ниже можно задать температуру окружающей среды (Ambient Temp).
Две кнопки ниже позволяют либо распечатать (Print), либо рассчитать (Solve) результат по введенным данным.
Проанализируем теперь каждую вкладку по отдельности.
1. Вкладка свойств переходного отверстия (Via Properties) позволяет рассчитывать активные и реактивные параметры переходного отверстия на печатной плате. Для этого задаем следующие известные характеристики переходного отверстия (Via Characteristics):
Количество слоев в плате (Layer Set) - два или более.
Диаметр сверловки переходного отверстия (Via Hole Diameter).
Диаметр внутренней (Internal; задается для многослойных плат) или внешней (External; для двуслойных) контактных площадок (Pad Diameter).
Диаметр области вокруг переходного отверстия, свободной от меди на слое питания или земли (Reference Plane Opening Diameter). Задается только для многослойных плат и не может быть меньше чем диаметр внутренней контактной площадки.
Высота переходного отверстия (Via Height).
Толщина стенок металлизации переходного отверстия (Via Plating Thickness). Этот параметр может быть разным у разных производителей, поэтому для получения точных результатов желательно уточнить эту величину у производителя.
Задав вышеперечисленные параметры и кликнув на Solve получим следующие характеристики:
Емкость переходного отверстия (Via Capacitance) в пикофарадах. Этот параметр вычисляется только для многослойных плат и, по сути, является емкостью между внтуренней контактной площадкой и окружащим ее внутренним слоем меди. Для уменьшения этого параметра, очевидно, необходимо увеличивать диаметр свободной от меди области вокруг контактной площадки.
Индуктивность переходного отверстия (Via Inductance).
Модуль импеданса переходного отверстия (Via Impedance) в Омах. Рассчитывается только для многослойных плат, так как зависит от емкости переходного отверстия.
Сопротивление переходного отверстия постоянному току (Via DC Resistance) в Омах.
Резонансная частота переходного отверстия (Resonant Frequency). Также как и импеданс, зависит от емкости и рассчитывается только для многослойных плат.
Переходная характеристика переходного отверстия как реакция на единичный скачок (Step Response). Выражается в виде времени, необходимого переднему фронту сигнала чтобы достичь уровня от 10% до 90%
Рассеиваемая мощность (Power Dissipation). Это примерная мощность, рассеиваемая на данном переходном отверстии при заданных параметрах. Рассчитывается как произведение квадрата силы тока на сопротивление.
Поперечное сечение проводника (Conductor Cross Section). Примерная площадь поперечного сечения переходного отверстия по сравнению с плоским проводником.
Ток через переходное отверстие (Via Current). Расчетное значение тока через переходное отверстие, приводящее к заданному росту его температуры.
2. Вкладка свойств проводника позволяет рассчитать сопротивление и рассеиваемую мощность в проводнике на печатной плате, а также величину скин-эффекта и площадь поперечного сечения. Здесь требуется задать следующие параметры проводника (Conductor Characteristics):
Слой печатной платы, на котором располагается проводник (Conductor Layer) – внутренний (internal) или внешний (external).
Ширину (Width) и длину (Length) проводника, а также частоту сигнала (Frequency) проходящего через проводник.
Толщину печатной платы (PCB Thickness). Чем тоньше плата, тем меньшее количество тепла она способна рассеивать, следовательно меньшая величина протекающего тока способна нагреть проводник до заданной температуры.
Наличие параллельных проводников (Parallel Conductors) и их количество (Parallel Conductor Count). Параллельно проложенные дорожки, проводящие один и тот же сигнал, позволяют пропорционально увеличить суммарную площадь поперечного сечения и, соответственно, уменьшить рассеиваемую мощность в пересчете на один проводник.
Наличие большого полигона или слоя одной из шин питания на плате (Plane present) позволяет увеличить количество рассеиваемого печатной платой тепла, а следовательно через дорожку может пропускаться больший ток до того момента как рост ее температуры достигнет максимально заданного значения. Естественно, чем толще слой меди (Plane thickness) и ближе расстояние между ним и проводником (Distance to plane), тем лучше он исполняет роль радиатора.
На основе введенных данных программа рассчитает:
Глубину проникновения тока в толщу проводника, ограниченную скин-эффектом выраженную в абсолютных единицах (Skin Depth) и в процентном отношении к заданной толщине дорожки (Skin Depth Percentage). Если проникновение тока меньше 100%, то эта величина выведется красным шрифтом, сигнализируя, что скин-эффект влияет на расчетные параметры проводника.
Сопротивление проводника постоянному току (DC Resistance).
Площадь сечения проводника (Conductor Cross Section).
Падение напряжения на проводнике (Voltage Drop).
Рассеиваемая в проводнике мощность (Power Dissipation). Рассчитывается на основе сопротивления постоянному току и протекающего тока.
Допустимый ток (Conductor Current) который вызовет заданный рост температуры проводника.
Здесь же можно рассчитать параметры дорожки на печатной плате, используемой в качестве предохранителя. Для этого переключаемся в режим расчета тока предохранителя (Fuse current vs. Time).
Задав толщину проводника (Conductor Width), желаемое время срабатывания предохранителя (Time) и частоту сигнала (Frequency), получаем в графе ток через проводник (Conductor Current) то значение, которое приведет к срабатыванию предохранителя за заданное время. Разработчики программы предупреждают что формула, по которой вычисляется это время, не тестировалась и используется в основном для приложений с большими токами и малыми временами срабатывания предохранителя.
3. Вкладка свойств сигнала (Signal Properties) .
Позволяет рассчитать некоторые параметры, полезные при проектировании печатных плат для высокочастотной техники.
Верхняя часть окна (Wavelength Calculator) предназначена для расчета длины волны или ее части (¼, ½, и т.п.) для заданной частоты сигнала.
Нижняя часть не связана с верхней и позволяет рассчитать требуемую полосу пропускания и максимальную длину проводника для заданного времени нарастания сигнала. Время нарастания (Signal Risetime) задается в наносекундах. Расчет производится двумя методами — по стандарту IPC-2251 и в частотной области (Frequency domain method). На основании заданного времени нарастания рассчитывается минимальная требуемая полоса пропускания в МГц (Bandwidth) и длина волны (Wavelength). Остальные параметры рассчитываются с учетом материала подложки печатной платы. Так, задав дополнительно ограничения на время нарастания сигнала от уровня 10% до 90% в виде множителя (Sr divide by factor), можно рассчитать максимально допустимую длину проводника (Conductor maximum) в метрах и долях дюйма. Чем выше значение множителя, тем более длинным может быть проводник при прочих равных условиях.
Скорость распространения сигнала (Propagation speed) зависит от материала подложки и выражается в метрах в секунду. Задав делитель для соответствующей длины волны (Lambda Divide by Factor), также можно определить длину проводника в метрах и долях дюйма.
4. Вкладка расчета импеданса дифференциальных пар (Differential Pairs).
Позволяет на основании размерностей проводников и заданного материала подложки печатной платы рассчитать импеданс как дифференциальной пары (Zdifferential), так и одиночного проводника в ней (Zo).
Параметры обоих проводников в паре подразумеваются одинаковыми и показаны на рисунке. Для расчета необходимо знать ширину проводника (Conductor Width), расстояние между проводниками (Conductor Distance) и высоту проводника над слоем (обычно землянным), по которому течет обратный ток (Conductor Height). Если дифференциальная пара проходит на внутреннем слое печатной платы (опция Internal Layer справа), то для расчета необходимо задать высоту проводников до второго слоя (Conductor Height H2). Помимо расчета точного значения импеданса, програма расчитывает максимальное и минимальное значения для заданного разброса параметров (Tolerance).
Следует обратить внимание на отображаемые значения отношений ширины проводника к толщине диэлектрика (W/H) и расстояния между проводниками к толщине (S/H). Формулы, используемые в программе справедливы, если эти значения не выходят за пределы 0.1<W/H<3.0 и 0.2<S/H<3.0.
5. Вкладка расчета стека контактных площадок (Padstack Calculator).
Позволяет рассчитать размеры стека контактных площадок. Для этого надо выбрать один из стандартных типов отверстий (Hole Type) или при выбранном Hole Type → Custom задать вручную:
- диаметр сверла (Drill Diameter);
- минимальный диаметр отверстия, полученного в результате сверления (Annular Ring);
- ширину изоляции желаемого теплоотвода (Isolation Width).
В результате расчета станут известны:
- диаметр контактной площадки на внешних слоях платы (External Layers : Pad Diameter);
- диаметр контактной площадки на внутренних сигнальных слоях (External Signal Layers : Pad Diameter);
- для внутренних слоев шин питания или земли (Internal Plane Layers) внешний (Outer Diameter) и внутренний (Inner Diameter) диаметры стека (пояснены рисунком справа от расчетов), а также ширина спиц теплоотвода (Spoke Width), т.е. ширина участков меди соединяющих внутрений полигон стека с внешним в промежутках кольца теплоотвода.
На этой же вкладке, переключив Pad Type из Thru-Hole в BGA, можно рассчитать номинальный диаметр посадочного места контактов корпуса BGA (Nominal Land Diameter) с вариацией (Land Variation) на основе заданного диаметра контактного шарика (Ball Diameter). Расчет производится согласно IPC-7351A.
6. Вкладка информации относящейся больше к механическим компонентам проектируемого устройства (Mechanical Info).
Содержит справочную информацию по различным механическим компонентам, которые могут встретится при разработке печатной платы. Так, например, эта вкладка поможет перевести диаметр провода из американской системы AWG в привычные нам миллиметры, оценить погонное сопротивление такого провода (в Омах на километр) и максимальный допустимый ток.
Здесь же можно по номеру сверла узнать его диаметр в дюймах и миллиметрах (Drill Chart), а также по типовым размерам винтов и классу узнать их размеры с учетом резьбы.
7. Вкладка тепловых параметров компонентов (Thermal).
Содержит два подраздела — расчет температуры p-n перехода в полупроводниковом устройстве (Device Junction Temperature) и выбор радиатора (Heat Sink Selection).
Для расчета первого параметра задаем температурное сопротивление компонента (Device Thermal Resistance – оно, как правило, приводится в спецификации) в градусах Цельсия на Ватт, и рассеиваемую компонентом мощность в схеме в Ваттах (Device Power Dissipation). В результате расчета получим температуру кристалла.
Аналогичным образом производится расчет температуры радиатора. При этом температурное сопротивление радиатора выбирается для условия подъемы температуры на 75°C в условиях нормальной конвекции.
В обоих случаях температура окружающей среды задается в правой части окна программы.
8. Вкладка расчета импеданса силовой сети проводников на печатной плате (Power Delivery Network Impedance).
В качестве входных параметров от разработчика требуется задать напряжение питания ша шине в вольтах (Supply Voltage), максимальное значение тока в шине (Maximum Current), на сколько процентов допускается возрастание тока при переходном процессе в шине (чем выше это значение, тем меньшим сопротивлением должна обладать шина). Также необходимо определиться с желаемыми шумовыми характеристиками питающего напряжения в шине. Для этого задается максимальная граница суммы всех шумов питающего напряжения в процентах от номинального значения (Total Noise Margin) и сколько процентов из них выделено на переходные процессы переменных сигналов (AC allocation of margin).
Заполнив все параметры и выполнив расчет, получим максимальное значение сопротивления шины питания в Омах. Зная это значение и воспользовавшись расчетами сопротивления проводника на постоянном токе, выполняемыми с помощью вкладки 2, можно оценить минимальную ширину проводника в проектируемой сети питающей шины.
9. Вкладка расчета плоских катушек (Planar Inductors Calculator).
Позволяет рассчитать параметры плоскостных катушек, выполняемых в виде спиральных дорожек на печатной плате. В качестве входных параметров необходимо задать общее количество витков (Turns), ширину дорожки (Conductor Width), расстояние между дорожками (Conductor Spacing) и внешний радиус катушки (Outer Radius). В результате расчета получим значения внутреннего радиуса (Inner Radius) катушки, ее средний радиус (Average Radius) и значение индуктивности (Inductance).
10. Вкладка преобразования физических величин (Unit Conversion Data) помогает преобразовать расстояние из долей дюйма в миллиметры (Distance Conversion) и температуру из градусов Фаренгейта в градусы Цельсия (Temperature Conversion). Здесь же содержится расшифровка префиксов системы Си, означающих множители на различные степени числа 10.
11. Вкладка расчета импеданса проводника (Conductor Impedances) будет полезна при проектировании СВЧ-цепей.
В зависимости от одного из четырех выбранных типов конфигурации проводника в правой части окна (Stripline – полосковая линия; Microstrip – микрополосковая линия; Embedded microstrip – встроенный микрополосок; Coplanar Wave – копланарный волновод) соответственно изменяется изображение в главном окне и количество вводимых параметров. Так, например, для полосковой линии, задается ширина проводника (Conductor Width) и расстояние от проводника до внешних слоев меди (Conductor Height). Программа рассчитывает импеданс проводника в Омах.
12. Последняя вкладка предназначается для расчета минимального расстояния между проводниками (Conductor Spacing) и окажется в основном полезна проектировщикам высоковольтных схем.
В зависимости от заданного напряжения между проводниками (Voltage Between Conductors) и выбранного типа проводника или компонента платы (Device Type Selection) программа рассчитывает минимально безопасное требуемое расстояние между проводниками.
Допускается указывать следующие типы проводников:
B1 – внутренние проводники;
B2 – внешние непокрытые проводники при использовании платы на высоте до 3050 метров над уровнем моря;
B3 – внешние непокрытые проводники при использовании платы выше 3050 метров над уровнем моря;
B4 – внешние проводники с постоянным полимерным покрытием;
A5 – внешние проводники, собранная плата защищена конформным покрытием;
A6 – внешние выводы компонентов, плата не покрыта защитным слоем;
A7 - внешние выводы компонентов, собранная плата защищена конформным покрытием.
На этом все. Скачать программу можно с этой страницы. Удачного проектирования!
Разместить у себя на ресурсе или в ЖЖ:
На любом форуме в своем сообщении:
