2020-01-14
137
Для моделирования в системе OrCad была выбрана схема стабилизации напряжения питания +3,3 В. Схема питания состоит из: стабилизатора питания LM1117, диода Шотки MBRS130T3 и блокировочных конденсаторов. На рис. 2.8 представлена схема для моделирования в редакторе Schematics.
Рис. 2.8 – Схема для моделирования DC Sweep
Для моделирования были использованы специальные библиотеки моделей от производителей, чтобы получить максимально достоверные результаты. Так как на вход этой схемы напряжение подается от USB, то промоделируем ее по напряжению питания от 0 до 6 В с шагом 0,1 В. Для этого в меню Analysis/Setup выбираем вид анализа DC Sweep и проводим анализ схемы по Voltage Source от 0 В до 6 В с шагом 0,1 В.
В результате как показано на рис. 2.9, данная схема стабилизирует напряжение 3,3 В начиная с 4,5 В источника, т.е. подходит для нашего устройства.
Рис. 2.9 – DC Sweep анализ
Чтобы проверить как стабилизатор справляется с низкочастотной помехой, промоделируем схему, подключив на вход источник синусоидального напряжения 50 Гц со смещением в 5 В и амплитудой колебаний 0,1 В. Для этого вместо источника постоянного напряжения VDC установим источник типа VSIN, как показано на рис. 2.10.
|
|
|
Рис. 2.10 – Схема питания с источником синусоидального сигнала
На рис. 2.11 показан сигнал, подаваемый на вход, а на рис. 2.12 – сигнал получаемый на выходе стабилизатора.
Рис. 2.11 – Входной синусоидальный сигнал
Рис. 2.12 – Выходной сигнал стабилизатора
Как видно из рис. 2.12 амплитуда колебаний составляет 0,00006 В, при входной амплитуде 0,1 В.
Т.е. коэффициент подавления будет:
(Дб);
3. РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНОГО УЗЛА АППАРАТНОГО ШИФРАТОРА
3.1 Выбор и обоснование типа печатной платы
Существует 4 типа печатных плат (ПП) [4]:
- односторонние (ОПП);
- двухсторонние (ДПП);
- многослойные (МПП);
- гибкие (ГПП).
ОПП просты в конструировании и экономичны в изготовлении. Они характеризуются: возможностью обеспечить повышенные требования к точности выполнения проводящего рисунка; установки навесных элементов на поверхность платы со стороны, противоположной пайке, без дополнительной изоляции; возможностью использования перемычек из проводникового материала. Монтажная и трассировочная возможности этих плат низкие. Надежность и механическая прочность крепления элементов низкие. Для повышения прочности крепления элементов возможно изготовление ОПП с металлизацией отверстий. Обычно, ОПП применяют для монтажа бытовой ЭВА, в силовой электронике, в НЧ устройствах.
ДПП имеют высокую плотность монтажа и хорошую механическую прочность крепления.
|
|
|
МПП – это совокупность слоев диэлектрика и слоев печатного монтажа, имеющие межслойные соединения или открытый доступ к внутренним слоям. По сравнению с ОПП и ДПП они характеризируются повышенной плотностью монтажа, устойчивостью к климатическим и механическим воздействиям, уменьшением размеров и числа внешних выводов.
Преимущества ГПП:
– толщина d=0,1…0,28 мм → значительное уменьшение веса;
– высокая ударопрочность (удары практически не влияют).
Для своего устройства я решил использовать ДПП, т.к.:
· Применение двухсторонней печатной платы позволяет облегчить трассировку соединений, компактнее разместить элементы, рационально использовать площадь печатной платы, следовательно, уменьшить ее размер и расход материала.
· ДПП с металлизированными монтажными и переходными отверстиями характеризуются: высокими коммутационными свойствами; повышенной прочностью соединения вывода навесного элемента с проводящим рисунком платы; повышенной плотностью монтажа.
3.2 Выбор и обоснование материала печатной платы
Основными материалами для изготовления двухсторонних печатных плат являются гетинакс и стеклотекстолит. Гетинакс – спрессованные слои электроизоляционной бумаги, пропитанные фенольной смолой. Стеклотекстолиты – прессование слои стеклотканей пропитанные эпоксидной смолой. Оба материала имеют малую водопроницаемость (0,2-0,8 % при Т = 260 ºС), большое поверхностное сопротивление (104 МОм), термостойкость материала в течении 1000 часов. Но по остальным электромеханическим параметрам стеклотекстолит превосходит гетинакс. Поэтому я выбрал стеклотекстолит фольгированный марки СФ-2-35-1,5 ГОСТ 10316-78. Как видно из обозначения, толщина фольги – 35 мкм, толщина основания – 1,5 мм.
3.3 Выбор и обоснование класса точности печатной платы
По точности изготовления элементов печатного монтажа ПП делят на 5 классов.
Таблица 3.1 – Классы точности печатных плат [4]
| Класс точности | Плотность монтажа | Мин. ширина проводника | Расстояние между краями соседних эл-тов | Разрешающая способность | Предельные размеры |
| 1 | малая | 0,75 | 0,75 | 0,6 | без огр. |
| 2 | средняя | 0,45 | 0,45 | 1,2 | 240 |
| 3 | средняя | 0,25 | 0,25 | 2 | 170-240 |
| 4 | высокая | 0,15 | 0,15 | 3,3 | 170 |
| 5 | высокая | 0,1 | 0,1 | 5 | 100-170 |
Для своего устройства я решил использовать четвертый класс точности, потому что:
· Это самый низкий класс, который позволяет провести печатный проводник к выводам ИМС (шаг 0,5мм);
· Он имеет достаточно высокую плотность монтажа, что позволяет уменьшить габариты.
Таблица 3.2 – Параметры 4-го класса точности печатной платы [4]
| Параметр | Значение |
Минимальная ширина печатного проводника,  , мм
| 0,15 |
| Минимальное расстояние между проводниками, s, мм | 0,15 |
Допуск на диаметр отверстий с металлизацией  , Æ<1, мм
| +0,05; -0,1 |
 , Æ>1, мм
| +0,1; -0,15 |
Допуск на размещение отверстий,  , мм
| 0,05 |
Допуск на размещение КП,  , мм
| 0,05 |
Допуск на размещение проводников,  , мм
| 0,03 |
Минимальная ширина пояска КП,  , мм
| 0,025 |
3.4 Конструкторско-технологический расчет печатного узла шифратора
3.4.1 Минимальная ширина печатного проводника по постоянному току.
В схеме сканера присутствуют ШП (+3,3 В) и ШЗ. Следовательно, минимальную ширину проводника по постоянному току можно рассчитать только для ШЗ, т. к. в ней будет протекать максимальный ток.
, (3.1)
где 
– максимальный постоянный ток, протекающий в проводниках;
– допустимая плотность тока 
;
– толщина проводника
, (3.2)
где 
– толщина фольги;
– толщина гальванически осажденной меди 
(мм);
– толщина химически осажденной меди 
(мм);
|
|
|
(мм);
Таблица 3.3 – Потребление тока
| Радиоэлемент | Iпотр, мА | Колич. |
| AT91SAM7S64 | 60 | 1 |
| DMHG-GJS-NP-LM-1 | 20 | 1 |
(А);
Подставим значения в формулу 3.1:
(мм);
3.4.2 Минимальная ширина проводника с учетом допустимого падения напряжения.
, (3.3)
где 
– объемное удельное сопротивление фольги для данного метода изготовления проводника, 
;
– самый длинный проводник (
);
;
;
– допустимое падение напряжения 
;
(мм);
3.4.3 Минимальный диаметр монтажных отверстий.
, (3.4)
где 
– диаметр вывода элемента (для USB разъема 
);
– нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия 
.
– разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром вывода, 
.
Таким образом, для ИМС 
(мм).
3.4.4 Диаметр контактных площадок.
Минимальный диаметр КП:
, (3.5)
где 
- толщина фольги;
– минимальный эффективный диаметр КП:
, (3.6)
где 
– ширина пояска КП (
);
– погрешность расположения центра отверстия (
);
– погрешность расположения центра КП 
;
– максимальный диаметр просверленного отверстия:
, (3.7)
где 
– номинальный диаметр отверстия;
– допуск по диаметру отверстия (
);
(мм);
Из формулы 3.6:
(мм);
Подставим значения в формулу 3.5:
(мм);
(мм);
Выбираем диаметр КП равный 1,5 мм.
3.4.5 Ширина проводников.
Минимальная ширина проводников:
, (3.8)
где 
для печатных плат 4-го класса точности.
(мм);
Максимальная ширина проводников:
(мм);
Выбираем ширину проводников равную 0,25 мм.
3.4.6 Минимальное расстояние между проводником и КП
|
|
|
, (3.9)
где 
– расстояние между центрами элементов (
);
– погрешность смещения проводника (
).
(мм);
3.4.7 Минимальное расстояние между двумя соседними проводниками
(мм);
3.4.8 Минимальное расстояние между двумя соседними КП. [5]
(мм);
3.4.9 Расстояние между проводником и КП.
(мм);
Рассчитанное значение больше 
, поэтому проводник, проложенный между КП, не будет касаться ни одной из КП.
3.4.10 Соответствие 4-му классу точности.
Проведя КТР, мы убедились, что все элементы печатной платы соответствуют выбранному классу точности.
3.5 Электрический расчет печатной платы
3.5.1 Падение напряжения на печатных проводниках
, (3.10)
где – объемное удельное сопротивление фольги для данного метода изготовления проводника 
;
– максимальный постоянный ток, протекающий в проводниках 
;
– самый длинный проводник 
;
– ширина проводника 
;
– толщина проводника 
,
(В);
Рассчитанное падение напряжения не превышает 5% от EП.
3.5.2 Мощность потерь.
, (3.11)
где 
т. к. расчет идет по постоянному току;
– напряжение питания 
;
– тангенс диэлектрических потерь материала ПП 
;
– собственная емкость платы: 
,
где 
– диэлектрическая проницаемость материала ПП 
;
– площадь металлизации 
;
– толщина ПП 
;
(пФ);
Из формулы 3.4:
(мкВт);
3.5.3 Паразитная емкость между двумя соседними проводниками.
, (3.12)
где 
– длинна взаимного перекрытия двух параллельных проводников 
;
– расстояние между проводниками 
;
(пФ);
3.5.4 Паразитная индуктивность ШП и ШЗ.
, (3.13)
где 
– суммарная длинна ШП и ШЗ 
;
(мкГн);
3.6 Расчет теплового режима
Максимальную мощность рассеивает стабилизатор питания МС33269-D. На данной микросхеме падает напряжение 1 В и протекает суммарный ток потребления всей схемы – 80 мА. Т. е. выделяемая мощность равна:
(Вт);
Из документации:
- допустимая температура кристалла микросхемы: 
;
- сопротивление кристалл/корпус 
;
- сопротивление корпус/среда 
.
Для расчета возьмем температуру окружающей среды 
.
Рассчитаем температуру кристалла [6]:
(°C);
Данная температура является допустимой для работы стабилизатора. Следовательно, не требуется использование радиатора.
Согласно документации производителя, при стабилизатор способен рассеять до 600 мВт, что соответствует расчетам.
3.7 Расчет вибропрочности печатной платы
Данные для расчета:
· материал печатной платы – СФ-2-35-1,5.
· габаритные размеры платы – 51 х 26 х 1,5 мм.
· масса элементов на плате – 15 г.
· коэффициент перегрузки – 5.
· частота вибрации 60 Гц.
· параметры стеклотекстолита:
предел текучести – 
;
модуль Юнга – 
;
коэффициент Пуассона – 
;
коэффициент затухания – 
;
удельный вес – 
;
удельная плотность – 
;
коэффициент запаса прочности – 
.
· тип закрепления: опирание по четырем сторонам.
Рассчитаем собственную частоту колебаний печатной платы [5]:
1) Масса печатной платы:
(г);
2) Коэффициент влияния:
;
3) Коэффициент 
:
;
4) Цилиндрическая жесткость печатной платы:
(Н∙м);
5) Собственная частота колебаний печатной платы:
(Гц);
Так как собственная частота намного больше 250 Гц, то плата обладает хорошей виброустойчивостью и дальнейшие расчеты можно не проводить.
3.8 Расчет показателей надежности
Надежность – это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования (ГОСТ 27.002-83).
Расчет надежности заключается в определении показателей надежности изделия по известным характеристикам надежности составляющих компонентов и условиям эксплуатации. Данные для расчета надежности сведены в Таблице 3.4. Формулы для расчета взяты из [4].
Таблица 3.4 – Параметры надежности элементов [4]
| Наименование элемента | Тип элемента | N | 
| 
| 
| 
| 
|
| ИМС | AT91SAM7S64 | 1 | 0,2 | 1 | 2 | 10 | 4 |
| LM1117 | 1 | 0,2 | 1 | 2 | 10 | 4 | |
| Резистор | RС0805 | 6 | 0,02 | 0,06 | 0,6 | 10 | 0,0432 |
| Конденсатор керамический | СС0805 | 20 | 0,3 | 0,1 | 0,5 | 10 | 3 |
| Конденсатор танталовый | Size B | 2 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 10 | 2,5 |
| Резонатор | 1 | 0,25 | 1 | 1 | 10 | 2,5 | |
| ПП | ДПП | 2 | 1 | 1 | 1 | 10 | 20 |
| Диод | MBRS130T3 | 1 | 0,2 | 0,2 | 1 | 10 | 0,4 |
| Дроссель | BLM21PG221SN | 5 | 0,3 | 1 | 1 | 10 | 15 |
| Контакты разъема | USB-PWBK-4A | 5 | 0,2 | 1 | 1 | 10 | 10 |
| Контакты разъема | Джампер | 2 | 0,2 | 1 | 1 | 10 | 4 |
| Пайка выводов | Печатный монтаж | 148 | 0,005 | 1 | 1 | 10 | 7,4 |
N – количество элементов.
– интенсивность отказов элемента при нормальных условиях работы.
– коэффициент нагрузки:
для резисторов
; (3.14)
для конденсаторов
; (3.15)
– поправочный коэффициент по температуре.
– поправочный коэффициент на влияние внешних воздействий (для наземной стационарной аппаратуры 
).
Результирующая интенсивность отказов равно сумме интенсивностей отказов элементов:
(ч-1);
Определим среднее время наработки на отказ:
(ч);
Рассчитаем вероятность безотказной работы:
; (3.16)
Вероятность безотказной работы за 1 год:
.
Вероятность отказа за 1 год:
.
Рис. 3.1 – Графики вероятности безотказной работы P(t) и вероятности отказа Q(t)
3.9 Технология поверхностного монтажа
Особенностью современного производства электронных устройств является все более широкое применение больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС). При этом существенно возрастает количество выводов каждой схемы, расстояния между выводами уменьшаются с 2,5 мм до 0,625 мм и менее.
Установка многовыводных корпусов БИС И СБИС на печатные платы технически и экономически более эффективна не в сквозные отверстия, а на контактные площадки, расположенные на поверхности печатных плат.
Этим объясняется все боле широкий переход от монтажа компонентов в отверстия (PTH - Plated Through Hole) к технологии поверхностного монтажа (SMT - Surface Mount Technology).
Вместе с тем, в большинстве серийных электронных блоков применяют как поверхностный монтаж, так и монтаж в отверстия. Это связано с тем, что конструкции ряда компонентов не пригодны для поверхностного монтажа. В устройствах, работающих в условиях ударных и вибрационных перегрузок, предпочитают монтаж в отверстия из-за более надежного крепления компонентов.
Навесные компоненты для поверхностного монтажа, намного меньше, чем их традиционные эквиваленты, которые монтируются в отверстия. Вместо длинных выводов, как у корпусов, монтируемых в отверстия, они имеют очень короткие выводы или просто внешние контактные площадки. Такие компоненты закрепляются на верхней (или нижней) стороне коммутационной платы при совмещении их выводов или внешних контактов с контактными площадками.
Преимущества SMT:
· меньшие размеры компонентов приводят к уменьшению размеров плат. Это уменьшает себестоимость. Типичное SMT преобразование уменьшает пространство на плате до 30 % размера за счет отсутствия отверстий.
· большее количество функциональных возможностей компоновки SMT элементов.
· компоненты могут легко размещаться с обеих сторон платы, что увеличивает плотность размещения.
· меньшая масса изделия и более низкий профиль изделия могут улучшать вибро и ударопрочностные свойства.
· Некоторые более новые компоненты доступны только в SMT корпусах.
Недостатки SMT:
· платы с SMT компонентами требуют специальной разработки и автоматизированного проектирования;
· у печатных плат SMT высокие требования к допускам и качеству изготовления;
· применение SMT компонентов для изготовления печатных плат является экономически оправданным при наличии оборудования автоматизации сборки;
· Некоторые разработки требуют применения DIP компонентов. Для сборки таких плат приходиться применять автоматическую установку SMT компонентов, что увеличивает издержки на выполнение дополнительных сборочных шагов. В таких случаях, есть такие платы, реализация которых на DIP компонентах имела бы меньшую стоимость сборочной операции.
· При применении SMT появляются дополнительные издержки на программирование процесса автоматизации сборки и изготовление трафаретов.
3.9.1 Типы SMT сборок
В электронной промышленности существует шесть общих типов SMT сборки, каждому из которых соответствует свой порядок производства. Когда разработчик выбирает тип сборки, его целью должна быть минимизация числа операций, так как каждая операция увеличивает промышленную стоимость. Существует специальный стандарт (National Technology Roadmap for Electronic), в котором представлены основные виды сборок, разбитые по классам.
Существуют следующие схемы поверхностного монтажа:
· Тип 1 - монтируемые компоненты установлены только на верхнюю сторону;
· Тип 2 - монтируемые компоненты установлены на обе стороны платы;
· Класс А - только through-hole (монтируемые в отверстия) компоненты;
· Класс В - только поверхностно монтируемые компоненты (SMD);
· Класс С - смешанная: монтируемые в отверстия и поверхностно монтируемы компоненты;
· Класс Х - комплексно-смешанная сборка: through-hole, SMD, fine pitch, BGA;
· Класс Y - комплексно-смешанная сборка: through-hole, surface mount, Ultra fine pitch, CSP
· Класс Z - комплексно-смешанная сборка: through-hole, Ultra fine pitch, COB, Flip Chip, TCP;
Варианты схем поверхностного монтажа:
1. SMT - Только верхная сторона
Рис. 3.2 – Установка SMT элементов на одну сторону платы
Этот тип не является общим так как большинство разработок требует некоторых DIP компонентов. Его называют IPC Type 1B.
Порядок проведения процесса:
· нанесение припойной пасты, установка компонентов, пайка, промывка.
