Конструирование модуля цифрового устройства

Расчет  ширины проводника. 

При расчете  ширины проводника учитывают:

-класс  точности,

-допустимый  ток нагрузки,

-допустимое  падение напряжения.

Ширина  проводника выбирается из условия:

Где - расчетное значение ширины,

t – минимальная ширина проводника для заданного класса точности.

t = 0.25

- ширина проводника, рассчитанная из условия допустимого тока.

-ширина проводника, рассчитанная  из условия заданного допустимого падения напряжения.

  -  нижний допуск на ширину проводника.

=  0.10 

Расчет  ширины проводника исходя из условия допустимого  тока.

- Максимальный ток через проводник.

i – плотность тока.

h – толщина проводника.

Плотность тока определяется материалом проводника:

для медной фольги i=100 А \ кв.мм.

h = 50 мкм

I_max = 300 мА 

= 0,06 мм 

Расчет  ширины проводника исходя из условия допустимого падения напряжения.

где -удельное сопротивление слоя металла, для медной фольги равно 0,0000000172Ом\м,

-максимальная длина проводника на печатной плате, принимается равной сумме двух сторон платы: 175+110 = 285 мм,

 - допустимое падение напряжения на проводнике, для цифровых схем берется 10% от питающего напряжения = 1,2 В.

I_max = 300 мА

0.025 мм 

Выбираем среди найденных значений максимальное значение ширины проводника 0,25 мм.

 

Таким образом, ширина проводника равна 

Ширину  шин питания выбираем равную 1 мм.  

Расчет  размеров контактных площадок. 

 Расчет для контактных площадок со сквозными отверстиями ведется по формуле:

Где d – диаметр отверстия

b = 0,10 – гарантированный поясок. Определяется для выбранного класса по таблице.

= 0,10 - верхнее отклонение ширины проводника. Определяется по таблице.

= 0 - отклонение диаметра отверстия. Определяется по таблице.

 

У нас  имеются следующие разновидности  диаметров отверстий:

= 0,8 мм; 0,9 мм; 1,1 мм; 1,3 мм.

Для каждого  диаметра отверстия найдем диаметр контактной площадки.

 

Расчет  расстояния между  элементами печатного  рисунка. 

   Наименьшее расстояние между элементами печатного рисунка определяется по формуле:

где - верхнее предельное отклонение ширины проводника из таблицы,

- позиционный допуск расположения  печатных проводников из таблицы,

-минимально допустимое расстояние между элементами печатного рисунка. Определяется по таблице. 

S = 0,2+0,10+0,05/2 = 0,325

   Т.к. рассчитанное значение больше аналогичного из таблицы, берем это значение как наименьшее номинальное расстояние между проводниками:

S = 0,325 мм.

  

6.9.Трассировка  с помощью САПР 

   Трассировку будем осуществлять в автоматическом режиме при помощи программы P-CAD Shape Route. Перед началом трассировки следует установить области запрета трассировки (с помощью команды Place Keepout).

• Запрет трассировки под разъёмом.
• Запрет трассировки под элементами крепления платы.

 

Перед трассировкой необходимо задать правила, по которым она будет выполняться. Правила задаются пунктом меню Options => Design Rules.  

   На вкладке Design задаются нормы и параметры для всего проекта. Для ввода параметра нажимаем кнопку Add, при этом откроется вкладка Place Attribute. Выбираем категорию атрибута Net и вводим параметр Width, равный 0,4 мм.

   На вкладке Layer задаются зазоры для разных слоёв. Зададим все зазоры равными 0,35 мм, кроме зазора Line to Via, его установим для обоих слоёв  равным 0,3 мм. На вкладке Net Class устанавливаются нормы для группы (класса) цепей. Нажмём кнопку Edit Net Classes и создадим два класса цепей: Power и Signal. Для этого в окне  Class Name  введём имя Power  и нажмём кнопку Add. Новое имя появится в окне Classes. Выделим этот класс цепей и запишем в него цепи +12V, +5V и GND, пометив их в окне Unassigned Nets и нажав на кнопку Add.

   Аналогично создадим класс цепей Signal и запишем в него оставшиеся цепи. Нажмём кнопку Close, при этом вновь появится окно Options => Design Rules. Выберем класс цепей Power и нажмём кнопку Edit. Введём параметр Width, равный 1 мм для данного класса цепей.

   Итак, мы задали следующие параметры для автоматической трассировки:

• Ширина цепей питания будет равна 1 мм.
• Ширина остальных цепей будет равна 0,4 мм.
• Зазоры между элементами печатного монтажа будут равны 0,35 мм.
• Зазор между проводником и переходным отверстием будет равен 0,3 мм.

 

   Необходимо также выполнить настройку самого автотрассировщика. Для этого используется пункт меню Options => Auto-router. На вкладке Parameters установим единицу измерения (Units) – миллиметры. Остальные параметры оставим по умолчанию. 

   Кнопка Start Autoroute – запуск трассировки. После завершения трассировки переносим результат в PCB с помощью пункта меню File => Save and Return. Наносим координатную сетку с помощью команды Place Copper Pour.

7. Разработка сборочного  чертежа и спецификации

   Сборочный чертеж и спецификация разрабатываются с помощью программы P-CAD PCB в соответствии с методическими указаниями «Разработка сборочного чертежа для электронного модуля» к лабораторной работе №7. 

Сборочный чертёж модуля 

   Сборочный чертёж допускается выполнять в следующих масштабах: 1:1, 2:1, 2.5:1, 4:1.

   На первом листе размещается главный вид модуля и боковая проекция со всеми крепёжными деталями. Размещение компонентов на этом чертеже не указывается.

   На втором и третьем листах представляются стороны А и Б с размещением компонент. Для модулей с односторонним размещением компонент допускается  компоненты показывать непосредственно на рисунке с главным видом. В этом случае чертёж выполняется на одном листе.

   Сборочный чертёж должен давать полное представление о конструкции модуля, поэтому, чтобы показать сложные конструктивные участки, например, элементы крепления, фиксации и т.п., необходимо в этих местах выполнять разрезы.

   На чертёж наносят габаритные, установочные и присоединительные размеры, предельные отклонения, позиционные обозначения. Компоненты изображаются в упрощённом виде. Всем составным частям  присваивают позиционные номера, которые указывают  с помощью выносок вне поля платы. Сборочный чертёж должен содержать технические требования по монтажу и сборке. 

Спецификация  на модуль 

   Спецификация представляет собой таблицу, содержащую перечень всех составных частей, входящих в данное изделие, и конструкторских документов. Она выполняется на листах формата А4. 

Спецификация  состоит из следующих разделов:

• Документация.
• Сборочные единицы.
• Детали.
• Стандартные изделия.
• Прочие изделия.
• Материалы.

 

8. Поверочные расчеты

8.1. Расчет надежности

Заполним  таблицу данных для расчета. Она  имеет вид: 

компонент
1	2	3	4	5	6	7	8	9

 

В графе 1 перечисляются все компоненты и  элементы печатного монтажа, влияющие на надежность.

В графе 2 устанавливается значение коэффициента , учитывающего механические воздействия. Он определяется объектом размещения. Для портативных устройств .

В графе 3 устанавливается значение коэффициента , который зависит от максимальной температуры и влажности, при которых эксплуатируется изделие. Он определяется: 

Температура	Влажность
	До 70%	1.0
Более	До 70%	1.5
До	70-100%	2.0
Свыше	70-100%	2.5

Для наших условий  .

В графе 4 устанавливается  значение коэффициента K3, который зависит от высоты над уровнем моря и определяется по таблице:

Высота  км.	0-1	1-2	2-3	3-5	5-6	6-8	8-10	10-15	15-20	20-25
K3	1	1,05	1.1	1,14	1,16	1,2	1,25	1,3	1,35	1,38

Для наших условий  .

Коэффициент нагрузки вычисляется только для компонент. Он вычисляется исходя из электрического режима работы i-го компонента индивидуально по одному или нескольким электрическим параметрам. В общем случае он равен , где:

- рабочий параметр компонента. Находится путем расчета режима  работы схемы.

- допустимый рабочий параметр  компонента. Находится по справочным  данным. 

Коэффициент зависит от и от температуры корпуса компонента. Для учебных целей рассчитываем по формулам: 

- при температуре корпуса  компонента менее  ;

- при температуре корпуса  компонента от  до ;

- при температуре корпуса компонента более . 

Для элементов  печатного монтажа и элементов, не выделяющих тепло, коэффициент  принять равным 1. Температуру корпусов компонентов для расчетов принять одинаковой для всех компонентов с учетом перегрева субблока по отношению к температуре внешней среды на и перегрева корпуса компонента относительно температуры субблока на . 

В графе  7 указывается интенсивность отказов элементов .

В графе 8 указываются интенсивности отказов компонент и элементов печатного монтажа с учетом условий эксплуатации и режимов работы.

 определяется по формуле: