Конструкторский расчет печатной платы устройства

Прежде, чем проводить расчет компоновочных параметров, определим размер печатной платы устройства. Площадь печатной платы рассчитаем, исходя из площади установочной поверхности элементов. Площади установочных поверхностей приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 Площади установочной поверхности элементов.

Общую площадь печатной платы найдем, используя следующую формулу:

S= SDD+ SC+SR+SVD+SVT+SZQ,.

где SDD — площадь, необходимая для установки микросхем на ПП;

SC — площадь, необходимая для установки конденсаторов на ПП;

SR — площадь, необходимая для установки резисторов на ПП;

SVD — площадь, необходимая для установки диодов на ПП;

SVT — площадь, необходимая для установки транзисторов на ПП;

SZQ — площадь, необходимая для установки кварцевого резонатора на ПП.

Общая площадь, занимаемая ЭРЭ на печатной плате:

Sобщ.=(146,25+450)+(180,375+225)+154+213,75+(69,498+21,84)+172,8= =1633,513 мм².

Площадь печатной платы рассчитаем по формуле:

SПП = Sобщ / 0,6 = 1633,513 / 0,6 =2722,5 мм².

Было рассмотрено несколько вариантов соотношения сторон печатной платы (60· 80, 60· 60, 60· 80), но выбран размер 6080 мм по ГОСТ 10 317–79.

Объем печатной платы определяется с учетом превышения над плоскостью платы самого высокого ЭРЭ плюс толщина основания ПП (высота кварцевого резонатора ZQ1, равная 25,7 мм, плюс толщины платы, равная 1,5 мм). То есть полный объем платы:

Vп.п=608 027,7=132 960 мм3.

Расчет печатного монтажа.

1) Выбор метода изготовления и класса точности печатной платы Для соединения элементов электрической схемы автосторожа между собой в качестве базовой несущей конструкции выбираем двухстороннюю печатную плата размером 6080 выполненную комбинированным позитивным методом из стеклотекстолита фольгированного СФ-2Н-50Г-1,5 (ГОСТ 10 316−78) по четвертому классу точности.

2) Расчёт печатного монтажа Исходные данные:

толщина платы, мм 1,5;

максимальный ток, протекающий в проводнике, Imax, мА 200;

толщина фольги h, мм 0,05;

допустимая плотность тока iдоп, А/мм2 38;

удельное сопротивление печатного проводника, Оммм2/м 0,0175;

максимальная длина печатного проводника ?, м 0,07;

напряжение питания для микросхем Uп, В 6;

шаг координатной сетки, мм 1,25.

Основные конструктивные параметры печатных плат для четвертого класса точности (ГОСТ 23 751−86):

минимальное значение номинальной ширины проводника t1min, мм 0,15;

допуск на ширину проводника без покрытия t, мм ±0,03;

допуск на расположение отверстий d, мм 0,05;

допуск на расположение контактных площадок p, мм 0,15;

гарантийный поясок bм на наружном слое, мм 0,05;

номинальное расстояние между проводниками S, мм 0,15;

допуск на расположение проводников на ДПП l, мм 0,03;

допуск на отверстие d с металлизацией, Двыв?1 мм ;

то же, Двыв>1 мм ;

допуск на отверстие d без металлизации, Двыв?1 мм ±0,05;

то же, Двыв>1 мм ±0,01.

Расчет по постоянному и переменному току.

Минимальная ширина печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления:

где Imax — максимальный постоянный ток протекающий в проводнике;

iдоп — допустимая плотность тока, А/мм2;

h — толщина проводника, мм.

Минимальная ширина проводника, исходя из допустимого падения напряжения на нем:

где — удельное сопротивление, Оммм2/м;

? — длина проводника, м;

Uдоп — допустимое падение напряжения, В.

Uдоп не должно превышать 5% питающего напряжения микросхем, следовательно: Uдоп =Un•5%=6•0,05=0,3 В.

Значения минимальной ширины печатного проводника по постоянному току для цепей питания и заземления bmin1 и минимальной ширины проводника, исходя из допустимого падения напряжения на нем bmin2 по ГОСТ 2375–86 не должны быть меньше рассчитанных значений. Исходя из технических особенностей производства плат по 4 классу точности, выбираем ширину проводника равную 0,15 мм. Это значение больше чем bmin1 и bmin2. При данной ширине проводника печатная плата будет работать стабильно.

Расчет по переменному току не проводится из-за низкой частоты работы схемы, т. е. влиянием паразитных емкостей и индуктивностей проводников можно пренебречь.

Конструктивно-технологический расчет.

1) Номинальное минимальное значение диаметров монтажных отверстий определяется по формуле:

Дmin=Двыв+dн.о.+з, где Двыв — максимальный диаметр вывода устанавливаемого ЭРЭ, мм;

dн.о — нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия. Для 4-го класса точности печатных плат при диаметре отверстия, меньшем либо равно 1 мм, d=0,1 мм.

з — разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода ЭРЭ, ее выбирают в пределах 0,1.0,4 мм. Примем з=0,25 мм.

Отверстия для выводов транзисторов КТ502Б, КТ342А (VT1 и VT2) и микросхемы К561ЛА7 (DD1) при Двыв= 0,5 мм:

Дmin1?=0,5+0,1+0,1=0,7 мм.

Отверстия для выводов диодов КД522Б (VD1-VD9) при Двыв= 0,588 мм:

Дmin2?=0,588+0,1+0,1=0,788 мм.

Отверстия для выводов микросхем К561ИЕ10, К561ИЕ8 (DD2, DD3-DD4).

при Двыв= 0,59 мм:

Дmin3?=0,59+0,1+0,1=0,79 мм.

Отверстия для выводов резисторов МЛТ-0,125 (R1-R7), конденсаторов К52−1А, К53−4А (С1-C2, C3) при Двыв=0,7 мм:

Дmin4?=0,7+0,1+0,1=0,9 мм.

Отверстие для выводов конденсатора К50−6 (C4) при Двыв=0,9 мм:

Дmin5?=0,9+0,1+0,1=1,1 мм.

Отверстие для кварцевого резонатора РК124А-32 768 Гц (ZQ1) при Двыв=1,3 мм и d=0,15 мм (т.к. диаметр отверстия больше 1мм):

Дmin6?=1,3+0,15+0,1=1,55 мм.

Для обеспечения минимизации числа различных диаметров монтажных отверстий полученные значения диаметров необходимо округлить. Тогда, выбирая из ряда предпочтительных размеров, получим следующий набор диаметров — Дmin1=Дmin2=Дmin3=0,8 мм; Дmin4=1мм; Дmin5=1,3 мм; Дmin6=1,8 мм.

2) Номинальное максимальное значение диаметров монтажных отверстий:

Дmax=Дmin+d+(0,1.0,15).

Вычислим номинальные максимальные значения диаметров монтажных отверстий для минимальных диаметром 0,8; 1; 1,3; 1,8 мм:

Дmax1=0,8+0,05+0,1=0,95 (мм);

Дmax2= 1+0,05+0,1=1,15 (мм);

Дmax3= 1,3+0,1+0,1=1,5 (мм);

Дmax4= 1,8+0,1+0,1=2 (мм).

3) Минимальный диаметр металлизированных переходных отверстий найдём из условия:

Дмmin? Hрасч? н, где Hрасч — расчётная толщина платы (Hрасч =1,5 мм);

н — отношение диаметра отверстия к толщине платы, н ?0,33.

Следовательно:

Дмmin?= 1,5?0,33 =0,495 мм.

С учетом требования минимизации количества различных отверстий сводим рассчитанное значение к значению из ряда предпочтительных размеров.

Дмmin= 0,8 мм (данное значение должно быть не больше половины расчётной ширины платы, т. е. не больше 0,8 мм).

• 2.3 Расчёт диаметров контактных площадок
• 1) Эффективный минимальный диаметр контактных площадок для всех видов отверстий вычисляется по формуле:

где bм — гарантийный поясок, мм;

d и p — допуски на расположение отверстий и контактных площадок, мм;

Дmax — максимальный диаметр просверленного отверстия:

Вычислим значения эффективных минимальных диаметров контактных площадок для монтажных отверстий с максимальными значениями диаметров 0,95; 1,15; 1,5; 2,0 мм:

(мм);

(мм);

(мм);

(мм).

2) Минимальный диаметр контактных площадок для всех видов отверстий при оплавляемом покрытии олово — свинец вычисляется по формуле:

где hг — толщина гальванической меди. По поверхности проводников плат средних размеров hг =0,05 мм;

ДminКП — эффективный минимальный диаметр контактной площадки.

Вычислим значения минимальных диаметров контактных площадок при оплавляемом покрытии олово — свинец для отверстий с эффективными минимальными значениями диаметров контактных площадок 1,45; 1,65; 2,0; 2,5мм:

(мм);

(мм);

(мм);

(мм).

3) Максимальный диаметр контактной площадки определим по формуле:

ДmaxКП=Дmin1+0,05.

Вычислим значения максимальных диаметров контактных площадок для отверстий со значениями минимальных диаметров контактных площадок при покрытии олово — свинец 1,525; 1,725; 2,075; 2,575 мм:

ДmaxКП1?=1,525+0,05=1,575 (мм);

ДmaxКП2?=1,725+0,05=1,775 (мм);

ДmaxКП3?=2,075+0,05=2,125 (мм);

ДmaxКП3?=2,575+0,05=2,625 (мм).

Для обеспечения минимизации числа различных диаметров отверстий полученные значения диаметров сведём к значениям из ряда предпочтительных размеров:

ДmaxКП1=1,6 мм;

ДmaxКП2=2,0 мм;

ДmaxКП3=2,3 мм;

ДmaxКП4=2,7 мм;

Результаты расчетов сведены в таблицу 3.2.

Таблица 3.2.

Минимальная ширина сигнального проводника:

tmin=t1 min+1,5hг+t,.

где t1min — минимальная эффективная ширина проводника (0,15 мм);

t — допуск на ширину проводника без покрытия (0,03 мм).

tmin=0,15+1,5?0,05+0,03=0,255 мм Максимальная ширина проводника:

tmax=tmin+0,02;

tmax=0,255+0,02=0,275?0,3 мм.

Расчёт элементов проводящего рисунка.

1) Минимальный зазор между сигнальным проводником и контактной площадкой:

где Lэ — расстояние между центрами рассматриваемых элементов;

l — допуск на расположение проводника, мм.

Вычислим значение для контактной площадки диаметром, равными 1,6 мм, при Lэ=1,25мм:

(мм).

Для, равными 2,0; 2,3; 2,7 мм, при Lэ=2,5мм:

(мм);

(мм);

(мм).

Результаты расчета показывают, что, минимальное расстояние между любыми из используемых сигнальным проводником и контактной площадкой диаметром 1,6 мм, должно быть больше или равно 1,25 мм, а при контактных площадках диаметрами 2,0; 2,3; 2,7 мм, минимальное расстояние должно быть не меньше 2,5 мм.

2) Минимальный зазор между двумя проводниками равен:

S2min=LЭ-(tmax+21).

При Lэ=1,25мм:

S2min=1,25-(0,3+20,03)=0,89(мм).

Таким образом, любые два (из используемых) проводника могут быть проведены на расстоянии 1,25 мм.

3) Минимальный зазор между двумя контактными площадками:

S3min=LЭ -(DmaxКП+2P).

Вычислим значения S3min для диаметров, равных 1,6; 2,0; 2,3; 2,7 мм, при Lэ=2,5мм:

S3min1=2,5-(1,6+20,15)=0,6 (мм);

S3min2=2,5-(2,0+20,15)=0,2 (мм);

S3min3=2,5-(2,3+20,15)=-0,1 (мм) > S3min3=3,75-(2,3+20,15)=1,15 (мм);

S3min4=2,5-(2,7+20,15)=-0,5 (мм) > S3min4=3,75-(2,7+20,15)=0,75 (мм).

Из выше написанного расчета видно, что на расстоянии 2,5 мм могут находиться лишь отверстия с диаметром контактной площадки не выше 2,0 мм. При диаметре контактных площадок отверстий, равном 2,3; 2,7 мм, расстояние между контактными площадками должно быть не менее 3,75 мм.

Таким образом, расчет показывает, что расстояние между элементами проводящего рисунка больше минимально допустимого значения и параметры печатного монтажа отвечают требованиям четвертого класса точности.

Выводы по разделу Была выбрана конструкция печатной платы разрабатываемого устройства — односторонняя печатная плата, и метод изготовления печатной платы устройства — комбинированный, как удовлетворяющий конструктивно-технологическим требованиям к разрабатываемому устройству. Был проведен необходимый расчет конструктивных элементов печатного рисунка платы.