Dobry layout PCB nie polega tylko na estetycznym połączeniu wszystkich padów zgodnie ze schematem. W praktyce o jakości płytki decydują setki zasad i parametrów. Przez lata przeglądania cudzych projektów widziałem wiele płytek, które wprawdzie działały na biurku albo jedynie w symulacji komputerowej, ale… zawodziły podczas badań EMC, w podwyższonej temperaturze, w czasie produkcji albo po podłączeniu dłuższego przewodu zasilającego. Najczęściej problem nie wynikał z jednego spektakularnego błędu, lecz z wielu drobnych decyzji projektowych podjętych zbyt późno lub – co gorsza – bez gruntownego zrozumienia konsekwencji. W tym artykule zebrałem dla naszych Czytelników 10 najczęstszych błędów, z jakimi spotykałem się, oceniając powierzane mi dokumentacje.
1. Projektowanie PCB jako „łączenie kropek”
Najczęstszy błąd zaczyna się jeszcze przed trasowaniem konkretnych połączeń. Z moich obserwacji wynika, że zdecydowana większość początkujących projektantów traktuje layout raczej jako mechaniczną realizację netlisty, a nie jako część układu elektrycznego. Tymczasem każda ścieżka ma pewną indukcyjność, pojemność pasożytniczą, rezystancję i… określoną drogę powrotu prądu. Szczególnie dobrze widać to w przetwornicach impulsowych, szybkich interfejsach cyfrowych czy torach analogowych. Innymi słowy: nie wystarczy, że połączenie jest zgodne ze schematem – musi mieć jeszcze właściwą geometrię.
Co gorsza, wielu mniej doświadczonych konstruktorów kurczowo trzyma się autoroutera – i choć właściwie zastosowane funkcje automatyzujące prowadzenie całych grup ścieżek potrafią istotnie przyspieszyć proces projektowania, to użycie automatu praktycznie nigdy nie sprawdzi się w odniesieniu do całej płytki. Trzeba zawsze pamiętać, że źle skonfigurowany (lub w ogóle nieustawiony) autorouter będzie zwykle tylko przeszkodą, a nie pomocą w procesie opracowywania PCB.
2. Zła kolejność lub niewłaściwa metoda rozmieszczania elementów
Wielu problemów nie da się już naprawić na etapie prowadzenia ścieżek. Jeżeli komponenty zostały rozmieszczone przypadkowo lub według niewłaściwego klucza (np. gdy projektant kieruje się wyłącznie symetrią i estetyką, bagatelizując dobre praktyki w zakresie planowania PCB), routing szybko zmienia się w nierówną walkę z konsekwencjami złej architektury całej płytki. Najpierw należy ustalić kierunki przepływu energii i sygnałów: zlokalizować wejście zasilania, obwody konwersji i stabilizacji napięć, sterowniki obciążeń impulsowych, interfejsy zewnętrzne, tory pomiarowe, punkty odniesienia układów analogowych czy wreszcie wszelkie magistrale cyfrowe. Dopiero potem można zabierać się za łączenie poszczególnych padów, ścieżek sygnałowych czy szyn zasilania.
3. Nadgorliwość, która kosztuje, czyli o przesadnie dużej liczbie warstw
Jeszcze kilkanaście lat temu obwody o sześciu, ośmiu lub większej liczbie warstw były zarezerwowane tylko dla najbardziej rozbudowanych projektów, a z uwagi na zaporowe ceny produkcji decydowali się na nią tylko zamożniejsi gracze na rynku elektroniki. Dziś niedrogie obwody 4- czy 6-warstwowe są dostępne niemal od ręki dla najmniejszych firm, a nawet dla początkujących amatorów, przez co… wszelkie niedociągnięcia projektowe projektanci próbują kompensować „idąc na ilość”. I choć rozbudowane obwody wielowarstwowe mają niezliczone zalety, to często ich zastosowanie nie ma absolutnie żadnego sensu, gdyż całość układu da się dobrze ułożyć na płytce 2- lub co najwyżej 4-warstwowej. Tymczasem płytka o prostszej budowie stosu zawsze jest tańsza niż ta bardziej rozbudowana, co więcej – w większości przypadków okaże się także nieco łatwiejsza w montażu manualnym, co ma niebywałe znaczenie zwłaszcza przy prototypach czy małych seriach testowych.
4. Kondensatory odsprzęgające umieszczone „gdzieś obok”
Kondensator o „tradycyjnej” wartości 100 nF przy pinie zasilania nie działa dlatego, że po prostu jest na schemacie. Skuteczne odsprzęganie zasilania jest możliwe tylko wtedy, gdy kondensator tworzy drogę o małej impedancji pomiędzy pinem zasilania (np. +3,3 V czy +/-5 V) a wyprowadzeniem GND układu lub przynajmniej najbliższym punktem solidnie poprowadzonej masy. Jeśli ścieżki od wyprowadzeń układu do kondensatora mają kilka centymetrów długości albo przelotka łącząca go z masą znajduje się gdzieś po drugiej stronie elementu, kondensator zaczyna pełnić głównie funkcję… dekoracyjną. W szybkich mikrokontrolerach, układach FPGA, przetwornicach DC/DC czy konwerterach ADC i DAC trzeba ponadto myśleć nie tylko o pojemności, ale też o ESR, ESL, rozmieszczeniu przelotek i wielu innych aspektach.
5. Dzielić (masę) albo nie dzielić – oto jest pytanie!
Nie ma chyba we współczesnej elektronice kości niezgody większej niż odwieczny dylemat dotyczący sposobu prowadzenia masy w układach sygnałów mieszanych (analogowo-cyfrowych). Podział płaszczyzny miedzi na masy: analogową (AGND) i cyfrową (DGND) bywa często stosowany mechanicznie, „bo tak wypada” – bez świadomej analizy ścieżek prądów powrotnych. W efekcie szybka linia cyfrowa przechodzi nad szczeliną w masie, a prąd powrotny musi szukać okrężnej drogi. W ten prosty sposób powstaje obszerna pętla, która zwiększa emisję zakłóceń radiowych oraz podatność na zaburzenia odbierane z zewnątrz. W większości projektów lepszym punktem wyjścia jest ciągła płaszczyzna masy, rozsądna separacja funkcjonalna bloków i kontrola miejsc, w których potencjalnie mogłyby mieszać się prądy impulsowe, sygnały cyfrowe i analogowe.
6. Brak kontroli impedancji i geometrii sygnałów szybkich
Interfejsy pamięci DDR, magistrale USB, łącza Ethernet, MIPI, LVDS czy HDMI nie wybaczają swobodnego prowadzenia ścieżek. Błędem jest traktowanie par różnicowych jako dwóch zwykłych połączeń, które „mniej więcej” biegną obok siebie. Należy kontrolować impedancję, długość, symetrię, odległość od krawędzi płytki, rozłożenie przelotek i ciągłość płaszczyzny odniesienia. W przeciwnym razie problemy pojawiają się dopiero po zastosowaniu dłuższego kabla, innej partii laminatu albo wyższej temperatury.
W jednym z przypadków, z którymi zetknąłem się w swojej praktyce, brak zachowania integralności sygnałowej skutkował… współpracą układu tylko z niektórymi modelami dysków M.2, podczas gdy zmiana nośnika powodowała błędy odczytu/zapisu lub wręcz każda próba nawiązania komunikacji kończyła się fiaskiem. Uczuliłem projektanta na kwestie impedancji i opóźnień sygnałowych – poprawki wprowadzone do layoutu zniwelowały problem, a układ zaczął działać jak marzenie.
7. Prowadzenie sygnałów wrażliwych obok źródeł zakłóceń
Wejście wzmacniacza pomiarowego, linia sprzężenia zwrotnego przetwornicy czy wejście napięcia odniesienia ADC – tego rodzaju ścieżki nigdy nie powinny przebiegać obok węzła przełączającego przetwornicy, linii zegarowej czy połączeń prowadzących od sterownika PWM do złącza silnika. Wbrew pozorom największym problemem jest równoległe prowadzenie kolidujących ze sobą sygnałów na długim odcinku.
Podobne zasady dotyczą nie tylko pojedynczych ścieżek, ale także całych bloków funkcjonalnych. W recenzowanych przeze mnie projektach często spotykam układy, w których część analogowa jest poprawna na schemacie, ale… fizycznie znajduje się w najgorszym możliwym miejscu płytki.
8. Nieprzemyślane aspekty termiczne
Pole miedzi pod stabilizatorem, scalonym mostkiem H lub tranzystorem MOSFET nie jest detalem mechanicznym, lecz integralną częścią układu chłodzenia. Często spotykany błąd to pozostawienie padu termicznego (exposed pad, thermal pad) bez specjalnych przelotek termicznych, użycie zbyt małej powierzchni miedzi albo przecięcie drogi odprowadzania ciepła szczelinami w polygonie. Warto pamiętać, że temperatura struktury komponentu zależy w takim samym stopniu zarówno od mocy strat, jak i od rezystancji cieplnej całej drogi pomiędzy strukturą półprzewodnikową a otoczeniem układu.
9. Ignorowanie DFM, DFA i tolerancji produkcyjnych
Projekt poprawnie przechodzący testy DRC nie zawsze jest „z automatu” dobry także pod względem technologicznym. Zbyt małe odstępy izolacyjne, wąskie mostki soldermaski albo miedzi, ekstremalnie cienkie ścieżki, zwykłe przelotki umieszczone w padach, elementy położone zbyt blisko krawędzi PCB, brak znaczników optycznych czy też zbyt ciasne rozmieszczenie elementów mogą zemścić się dopiero, gdy płytka znajdzie się w hali produkcyjnej lub w montażowni. Przegląd layoutu zawsze powinien obejmować nie tylko aspekty elektryczne, ale również weryfikację zgodności projektu z realnymi możliwościami wykonawcy PCB bądź firmy EMS. Cóż z tego, że uda nam się zminiaturyzować płytkę do granic możliwości, skoro nikt nie będzie w stanie jej zmontować, albo proces montażu okaże się niebotycznie kosztowny lub trudny?
10. PCB jako komponent
Oprócz powyższych błędów bardzo często zauważam także wiele innych niedopatrzeń projektowych, których wspólnym mianownikiem jest traktowanie PCB tylko jako bazy do mechanicznego umocowania komponentów i poprowadzenia miedzianych ścieżek, polygonów lub płaszczyzn zasilania. Tymczasem w wielu projektach – a szczególnie tam, gdzie mamy do czynienia z szybkimi magistralami cyfrowymi, czułymi wejściami analogowymi, obwodami RF czy układami zasilającymi o wysokim prądzie i/lub napięciu roboczym – PCB należy traktować jako bardzo ważny i rozbudowany, choć niewidoczny na schemacie, komponent elektroniczny. Najlepsze projekty PCB powstają bowiem wtedy, gdy layout jest traktowany jako integralna część projektu elektrycznego, a nie końcowy etap pracy po narysowaniu schematu.
