Disclaimer: The European Commission support for the production of this website doesnot constitute an endorsement of the contents which reflects the views only of theauthors, and the Commission cannot be held responsible for any use which may bemade of the information contained therein.

Co-funded by theErasmus+ Programmeof the European Union

DIZAJN ELEKTRICNIH SKLOPOVA, PCBDIZAJN ELEKTRICNIH SKLOPOVA, PCBDIZAJN ELEKTRICNIH SKLOPOVA, PCB

Razvoja elektrickih uredaja

Razvoj svakog elektricnog uredaja zapocinje u obliku konceptualnog dizajnaunutar koje se specificiraju:

željena funkcionalnost,neophodni interfejsi,nacin napajanja,radni scenariji,ocekivani rezultati/odziv.

Generalno, životni ciklus razvoj elektricnog uredaja se može karakteriziratijednim od dva pristupa:

Top-Down - pristup kod koga se prioritizira izrada elektricnog uredaja nabazi modula, pisanje izvršnog koda pa tek onda izrada PCB-aBottom-Up - pristup gdje se prvo izraduje PCB i kreira finalni uredaj patek onda piše izvršni kod za MCU/SoC/FPGA.

Razvoja elektricnih uredaja - Top-Down pristup

KONCEPTUALNI

DIZAJN SKLOPA

RAZVOJ

ELEKTRICNE SHEME

SIMULACIJA

DJELOVA SHEME

REVIZIJAna bazi simulacija

IZRADA SKLOPA

na bazi modula

PISANJE KODAMCU/SoC/FPGA/CPLD

REVIZIJAna bazi kreiranog koda

DIZAJN PCBGerber/BOM/3D Model

IZRADA PCB

PCBA

TESTIRANJE SKLOPAIntegritet/funkcionalnost

REVIZIJAna bazi testiranja

KOREKCIJE DIZAJNA

DOKUMENTACIJA

selekcija komponenti

selekcija PCBA

Potencijalne korekcije ufunkcionalnosti sklopa

Sklop ne funkcionise uskladu sa zahtjevima

Razvoja elektricnih uredaja - Bottom-Up pristup

KONCEPTUALNI

DIZAJN SKLOPA

RAZVOJ

ELEKTRICNE SHEME

SIMULACIJA

DJELOVA SHEME

REVIZIJAna bazi simulacija

DIZAJN PCBGerber/BOM/3D Model

IZRADA PCB

PCBA

PISANJE KODAMCU/SoC/FPGA/CPLD

TESTIRANJE SKLOPAIntegritet/funkcionalnost

REVIZIJAna bazi testiranja

KOREKCIJE DIZAJNA

DOKUMENTACIJA

selekcijakomponenti i PCBA

Sklop ne funkcionise uskladu sa zahtjevima

Potencijalne korekcije ufunkcionalnosti sklopa

Razvoja elektricnih uredaja - Top-Down primjer

Pošto je Top-Down pristup fleksibilniji sa stanovišta korekcija, u nastavku cemoprikazati primjer razvoj elektronickog uredaja sa stanovišta PCB-a.

Razvoja elektricnih uredaja - Top-Down primjer

Razvoja elektricnih uredaja - Distributeri el. komponenti

Nakon dizajna elektricne sheme neophodno je odabrati komponente sa kojimace biti realizovan elektricni uredaj.Odabir elektricnih komponenti iskljucivo zavisi od uslova rada, velicineuredaja, dostupnog budžeta, dostupnosti komponenti , željene tacnosti i dr.Selekciju i dostupnost komponenti moguce je izvršiti/provjeriti sa velikog brojaonline distributera.

Razvoja elektricnih uredaja - Tipovi komponenti

Generalno elektricne komponente se mogu klasificirati na:Through-hole - komponente sa cilindricnim metalnim izvodima kojiosiguravaju mehanizam za fiksiranje na PCB-u kroz posebne metaliziraneotvore na PCB-u (via).SMD Surface Mounted Devices - elektricne komponente namijenjene zamontiranje na površini PCB-a.

Danas se u praksi najcešce koriste SMD komponente prvenstveno zbog velicinesamih komponenti.

Through-hole princip montiranja komponenti se najcešce koristi kodvecih/gabaritnih komponenti ili komponenti koje imaju znatno vecu snagu(transformatori, osiguraci, konektori itd).

Through-hole komponente imaju bolju mehanicku vezu sa PCB plocom te jeproces montiranja komponenti jednostavniji za razliku od SMD komponenti.

Za svaku Through-hole komponentu postoji verzija komponente u SMDtehnologiji. Sa druge strane u velikom broju slucajeva ne postoji Through-holeverzija SMD komponente.

Razvoja elektricnih uredaja - Tipovi komponenti

Razvoja elektricnih uredaja - Tipovi komponenti

Razvoja elektricnih uredaja - SMD komponente

Velicina SMD komponenti R, L i C se definira sa jednim od dva standardametricki - dimenzije komponenti (širina × visina) date su u milimetrimaimperial - dimenzije komponenti (širina × visina) date su u mils-ima.

1000 mils = 1 in

1 mm = 39.3701 mils

1 mil = 0.0254 mm

Razvoja elektricnih uredaja - Kucišta aktivnih SMD komponenti

SMD komponente s obzirom na funkciju se izraduju u razlicitim kucištima ciji jeoblik i velicina definirana funkcijom i radnom snagom cipa.

Razvoja elektricnih uredaja - Kucišta aktivnih SMD komponenti

Razvoja elektricnih uredaja - Kucišta aktivnih SMD komponenti

Razvoja elektricnih uredaja - Otpornici R

Opseg vrijednosti od 0.2mΩ do 500GΩ

Sa stanovišta tehnologije proizvodnje, tacnosti, reda velicine i snage, SMDotpornike možemo klasificirati na:

Carbon Composition - otpornici na bazi mješavine karbona i izolatora"otpornici, tacnost do 5%, 2.7Ω - 1kΩ, 0.25W - 1WCarbon Film - karbonski otpornici tankog filma na bazi od porculana,tacnost do 2%, 2.7Ω - 1.5MΩ, 0.25W - 1WMetal Film - otpornici na bazi tankog sloja metala, tacnost do 0.1%, 1mΩ- 2MΩ, 0.05W - 5WMetal Element - tacnost do 1%, 0.2mΩ - 1Ω, 0.1W - 12WMetal Foil - tacnost do 0.01%, 0.25mΩ - 150kΩ, 0.0125W - 15WThick Film - debelo-slojni otpornici na substratu od alumijuma se dodajerezistivna pasta, tacnost do 0.1%, 0.5mΩ - 500GΩ, 0.0125W - 250WThin Film - tanko-slojni otpornici - tanak sloj metala se nanosi u vakuumuna izolacionom substratu, tacnost do 1%, 1mΩ - 10MΩ, 0.02W - 40WWirewound - žicani otpornici, tacnost do 0.1%, 5mΩ - 50kΩ, 0.5W - 5W

Prilikom dizajna elektricnog uredaja kljucni parametri koji treba uzeti u obzir kodselekcije otpornika su: tacnost , snaga disipacije i velicina komponente.

Razvoja elektricnih uredaja - SMD R oznacavanje

Razvoja elektricnih uredaja - TH R oznacavanje

Razvoja elektricnih uredaja - Kondenzatori C

Opseg vrijednosti kapaciteta od 0.1pF do 6000F , tolerancija 1% - 50%, probojninapon 1.4V - 50kV, ESR do 130Ω.Sa stanovišta tehnologije proizvodnje, tacnosti, reda velicine, ESR-a i probojnognapona, SMD kondenzatore možemo klasificirati prema sljedecem dijagramu:

Razvoja elektricnih uredaja - Kondenzatori C

Razlika izmedu polarizovanih (elektrolicki) i nepolarizovanih kondenzatora je unacinu izrade. Kod elektrolickih kondenzatora anoda je izražena od metala iprekrivena tankim slojem oksida a izolator je izraden od hemijskih elemenata kojiformiraju elektrolit i cine katodu kondenzatora.Polarizovani kondenzatori se koriste u DC aplikacijama dok se nepolarizovani uAC aplikacijama.

Model realnog kondenzatora ukljucujeESR - ekvivalentni staticki otporESL - ekvivalentni staticki induktivitet

Razvoja elektricnih uredaja - Kondenzatori C

Efekat parazitnog otpora Rp se obicno zanemaruje pa je impedansakondenzatora data izrazom

Z = RESR + jωLESL +1

jωC(1)

Pošto model kondenzatora ukljucuje RLC komponente jasno je da ce odredenojfrekvenciji doci do rezonancije.Frekvencija na kojoj dolazi do rezonancije se naziva sopstvena rezonantnafrekvencija self resonant frequency i uvijek mora biti veca od maksimalnefrekventne komponente signala elektricnog uredaja.

Razvoja elektricnih uredaja - Kondenzatori C

Kondenzator u elektricnom uredaju može obavljati jednu od dvije funkcije:Rezervoar elektricne energije - ima za cilj da nadomjesti nedostatakenergije u kratkim vremenskim intervalima u elektricnom kolu.Filter - da priguši signale visokih frekvencije koji su rezultat prelaska radnihtacaka tranzistora iz zakocenja u zasicenje - switching noise.

PCB - Klasifikacija

Printed Circuit Board - štampana ploca se sastoji od elektricki neprovodljivogmaterijala na kojem se nalaze elektricne veze (od elektricki vodljivog materijala)koje ujedno osiguravaju mehanicko ucvršcivanje elektricnih komponenti.S obzirom na broj elektricki provodljivih slojeva razlikujemo:

Jednoslojne PCB - elektricne veze su samo na jednoj strani PCB-a,

Dvoslojne PCB - elektricne veze su sa obje strane PCB-a,

Višeslojne PCB (cetveroslojne, šestoslojne, ... do 50 slojeva) - elektricneveze su i unutra samog PCB-a.

PCB - Klasifikacija

S obzirom na nacin instalacije elektricnih komponenti razlikujemo:Jednostrane PCB

Dvostrane PCB

PCB sa ukopanim elektricnim komponentama

PCB - Klasifikacija

S obzirom na strukturu izolatora na: i fleksibilne štampane ploceKrute/rigid PCBFleksibilne PCBKombinacija Krute-Fleksibilne PCB

PCB - Osnovni elementi

U opštem slucaju PCB se sastoji od:Traces/Tracks/Route/Conductor - elekricnih veza izradenih od elektrickiprovodnih materijala (Cu, Al, Ag, Au i dr.) i prekrivena su izolacionimmaterijalom.Pads - lemna mjesta, spojna mjesta za komponente.Vias - kratkospojnici izmedu pojednih slojeva i u osnovi postoji 3 tipa:through-hole, blind & buried.

Drill - neprovodna via.Silkscreen - nazivi komponenti na PCB-u.

PCB - Trace

PCB - Plane

PCB - Vias

PCB - Differencial pairs

Literatura

LiteraturaSTM32F4xx Reference manualSTM32F4 Discovery Board User ManualSTM32F407xx Datasheet