8. Koncepce návrhu přístroje nebo zásuvného modulu PC, odlišnosti, zásady. Základní moduly elektronického přístroje a jejich návrh a simulace. Šteffan Jak již víme z předchozích kapitol, návrh zařízení je souhrn několika činností jdoucích za sebou v uceleném pořadí. Pro správný návrh je také nutné dodržet správnou koncepci a uspořádání jednotlivých částí systému. Při návrhu je dobré dbát na tyto požadavky: • technologické (co je možné vyrobit, požadavky na testování a pájení), • funkce a eliminace parazitních vlivů (elektromagnetická kompatibilita), • odvod tepla a hlučnost, • estetické a ergonomické hledisko, • cena.
8.1 Zásady návrhu První krok při návrhu zařízení je správné rozvržení jednotlivých částí systému. Členěný systém vychází z rozdělení jednotlivých částí na části provozně kritické a nekritické. Kritické části jsou ty, které mohou být nepříznivě ovlivněny rušivým zdrojem záření. Mezi tyto části mohou patřit mikroprocesory, obvody zpracovávající video signály nebo obvody zvláště citlivé na interference signálu jako jsou nízkoúrovňové analogové obvody. Nekritické části jsou naopak ty, které pracují s vyšší úrovní signálu, s definovanou šířkou pásma, s digitální logikou bez použití hodinového signálu, lineární zdroje a operační zesilovače zapojené podle doporučeného zapojení. Členění takto navrženého systému je patrné z (obr. 8.1). Nekoncepční uspořádání uvedené na obr. 8.2 vychází z neuspořádaného rozložení jednotlivých částí systému, mezi kterými existují nedefinovatelné vazby. Vstupy a výstupy jsou rozloženy podél celého systému, což znemožňuje jejich kontrolu, v systému nelze definovat souhlasné proudy. Systém je rozsáhlý, má vysokou Obr. 8.1: Návrh členěného systému impedanci zemního vodiče, který je tak citlivý na interferenční signály a stínění není účinné. Je téměř nemožné provést účinné stínění takto navrženého systému.
Při koncepčním návrhu tedy vycházíme z postupu, který by se dal popsat takto: nejprve rozmístíme součástky, které mají i mechanickou funkci, jako jsou trimry, potenciometry, cívky s dolaďovacími jádry apod. Pak je nutné předběžně rozmístit součástky podle schématu zapojení, aby bylo možné zjistit nežádoucí vazby. Obr. 8.2: Návrh členěného systému Součástky válcového tvaru (R, C) umístíme v jednom směru, popřípadě ve dvou směrech na sebe kolmých. Je vhodné si udělat návrh rozložení součástek a propojení v měřítku 1:1, tento návrh nám usnadní stanovení velikosti desky, konečné rozložení součástek a návrh budoucí předlohy spoje. Je nutné dbát na tyto zásady • Výstup a vstup jednoho stupně nesmí být příliš blízko sebe, aby nedocházelo k nežádoucím vazbám. • Spoje musejí být co nejkratší a pokud možno by se neměly křížit. Pokud je křížení nutné, zvážit zda nelze řešit přemostěním součástkou. • Vývody z desky umísťovat tak, aby napojení na zdroj a případně další desky bylo co nejkratší. • Polovodičové součástky a součástky citlivé na teplotu, jako cívky a keramické kapacitory laděných obvodů, byly co nejdále od zdroje tepla. • Společný pól zdroje, většinou záporný, se snažíme vést tak, aby procházel mezi místy, mezi nimiž by mohla vzniknout nežádoucí vazba. • Pokud se na desce vyskytnou spoje přenášející větší napětí, zvětšíme izolační mezeru mezi spoji a ostatními okolními plochami a snažíme se, aby se omezila možnost indukovaných rušivých napětí a poruch. • Je dobré se vyhnout souběžnému vedení dvou nebo více rovnoběžných spojů, pokud jimi protéká střídavý nebo impulsní proud. Základní doporučení pro návrh spojů • Použití dostatečně velkých izolačních mezer, šířek vodičů a velikosti pájecích plošek. • Volit jednoduchý tvar pájecí plošky. • Společné pájecí plošky pro více součástek nezaručují dobrou pájitelnost. • Pájecí body ve velkých plochách mědi se špatně pájejí. Proto se doporučuje použití normální pájecí plošky s izolačním prstencem a k propojení s okolní mědí použít dvě až čtyři spojky. • U analogových obvodů volit plynulé tvary plošných vodičů. • U digitálních obvodů musí vodiče sledovat souřadnice sítě, vodiče lze lomit pouze pod úhlem 45 stupňů, přičemž body zlomu se musí krýt s průsečíkem souřadné sítě. • Doporučená šířka vodičů 0,8 mm až 1 mm (u vodičů širokých 3 mm může vzniknout potíž při pájení vlnou).
• • • •
Šířka izolačních mezer se doporučuje 1 mm. Na každých 150 V rozdílu potenciálu má být izolační mezera alespoň 0,75 mm. Zachovávat dostatečnou vzdálenost vodičů od hran desky. Obrysy označit rohovými značkami. Je nutné počítat s tím, že se v důsledku výroby (podleptáním) zmenšuje šířka vodiče o 10 až 20 μm, při použití kovové masky o tloušťce 15 μm se šířka vodičů nárůstem kovové masky rozšiřuje o 20 μm až 30 μm.
A) Dvouvrstvá deska
B) Vícevrstvá deska
Obr. 8.3:Doporučená orientace pouzder
A) Deska procesoru
B) Deska rozhraní Obr. 8.4:Rozdělení plochy DPS
C) Deska paměti
8.2 Rušení – vazby mezi bloky Vazba mezi zdrojem a příjemcem může být: • galvanická (vodivostní), • kapacitní (elektrostatická), • induktivní (magnetická), • elektromagnetická (radiační). Galvanické vazby se uplatňují na společných vodičích, kterými jsou nejčastěji vodiče napájecí nebo uzemňovací. Průtokem proudu, který je zdrojem rušení (např. impulsy ze spínaného zdroje, z oscilátoru Obr. 8.5:Vazba mezi bloky hodinového signálu apod.), vzniká na odporu a při vyšších kmitočtech i na indukčnosti vodiče parazitní napětí, které se tak dostává do rušeného obvodu, má-li tento obvod s rušícím obvodem část společného vedení. Kapacitní vazby vznikají mezi vodiči vedenými blízko sebe, hlavně pak mezi vodiči vedenými ve větší délce paralelně, např. ve svazcích vodičů, v kabelech nebo na deskách plošných spojů. Příklad kapacitní vazby je ilustrován na obr. 8.6.
A) Správný návrh B) Špatný návrh Obr. 8.6:Kapacitní vazba Induktivní vazbu pozorujeme tam, kde rušící proud protéká smyčkou a rušený obvod obsahuje také smyčku (prostorově blízkou). Vazba je tím silnější, čím je větší plocha obou smyček. Induktivní vazba však také vzniká, když přijímací smyčkou prochází rozptylové magnetické pole transformátoru nebo tlumivky. Ovlivnění vodičů magnetickým rušení je zobrazeno na obr. 8.7.
A) Správný návrh B) Špatný návrh Obr. 8.7:Magnetické rušení Elektromagnetickou vazbu působí šíření elektromagnetické vlny buď po vedení nebo volným prostorem. Jako vedení poslouží elektromagnetické vlně elektrovodná síť, napájecí vodiče, ba někdy i vodiče uzemňovací nebo signálové (které přenášejí žádaný signál z jedné části do jiné). Jako anténa fungují jednak vodiče, jednak proudové smyčky. Elektromagnetická vazba je typická pro přenos rušivých signálů mezi prostorově oddělenými zařízeními, zatímco vazba galvanická je spíše typická pro přenos rušivých signálů v rámci jednoho zařízení. Na obr. 8.8 je znázorněná změna impedance použitím zemnicí plochy.
impedance Z = vysoká B) impedance Z = nízká Obr. 8.8:Změna impedance zemněním
Na cesty přenosu rušivých signálů úzce navazuje problematika přijímačů rušení. Jde především o klasifikaci jednotlivých typů a podrobnou specifikaci rušivých účinků. To spolu s rozborem konstrukčních a technologických parametrů umožňuje např. objevovat příčiny malé odolnosti. Na rušení jsou nejcitlivější elektronická zařízení, která zpracovávají malé analogové signály. Jedná se především o rozhlasové a televizní přijímače, jejichž antény zachycují vedle žádaných signálů i signály poruchové, které se šíří prostorem ve formě elektromagnetických vln. Poruchy se šíří i po elektrorozvodné síti a pronikají do vf a nf obvodů elektronických zařízení, které jsou ze sítě napájeny (především elektroakustická zařízení a měřicí přístroje). Méně citlivé na rušení jsou zařízení digitální techniky. Tato odolnost byla jedním z hlavních důvodů digitalizace v elektronice (přístrojů i přenosových cest). Intenzivní zdroje rušení však mohou rušit i digitální přístroje tím, že silná jednorázová porucha změní hodnotu některého přenášeného bitu. Oblast zabývající se způsoby snižování úrovně (omezování) rušivých napětí a polí produkovaných zdroji rušení se často označuje jako odrušování zdrojů rušení. Zmíněná činnost se prakticky projevuje ve dvou hlavních směrech. Prvním z nich je snaha omezit vznik parazitních produktů přímo vhodnou konstrukcí. Ukazuje se, že v řadě případů se při zachování požadované funkce může docílit podstatného snížení rušivých produktů jen za cenu poměrně jednoduchých úprav a nepatrně zvýšených výrobních nákladů. Tato opatření závisí na druhu odrušovaného zařízení. V napájecích obvodech může pomoci použití spínačů spínajících v nule proudu, změna režimu fázového řízení výkonových měničů, použití síťového transformátoru s toroidním jádrem (který má malé rozptylové pole) apod. Startéry zářivek jsou přemostěny odrušovacími kapacitory, které zkratují vysokofrekvenční složky, vznikající při rozpojení startérového kontaktu. Další šíření do sítě pak omezuje tlumivka, jejíž hlavní funkcí je udržování stabilního výboje. Obdobně potlačujeme rušení od komutátorových motorků (jiskření kartáčů) zapojením kapacitoru přímo mezi kartáče, další dva kapacitory spojují kartáče s rušivým signálem s ochranným vodičem, statorové vinutí bývá rozděleno na dvě části, které svou indukčností dále brání šíření poruch. I jiné spínací kontakty přemosťujeme kapacitory nebo členy RC. Přístroje rozdělujeme na zóny s různou úrovní rušení (často navzájem stíněné - viz dále). Druhým směrem je doplnění již vyráběných zařízení vhodnými filtry. Největším problémem bývá samotný návrh filtru, vzhledem k obvyklému širokopásmovému charakteru zdroje rušení a značně se měnící impedanci zátěže i vlastní realizace, v důsledku nedostatku vhodných součástek. Zvláštní pozornost se věnuje hospodaření se spektrem (spectrum management) a otázkám spektrální čistoty signálu (kmitočtová syntéza a analýza, šum oscilátorů, synchronizace, filtrace). Snížení vzájemného rušení může vést i ke snižování vysílaných výkonů u sdělovacích systémů. Nezbytný je také pečlivý návrh spojů a desek plošných spojů. Rušivé signály, pronikající galvanickými vazbami od zdroje k přijímači, se omezí nejlépe tím způsobem, že uspořádáme vodiče tak, aby rušící a rušený okruh neměly žádnou společnou část. Jedná se nejčastěji o okruhy napájecí a zemnicí. Když není úplné oddělení okruhů možné, musí mít společná část minimální impedanci, tj. minimální ohmický odpor a indukčnost. Odpor vodiče snížíme zvětšením jeho průřezu, přičemž na tvaru průřezu příliš nezáleží. Indukčnost se sníží použitím
vodiče většího průměru. Lepšího efektu však dosáhneme použitím třeba i tenkého, ale širokého vodiče s obdélníkovým průřezem. Kapacitní přenosové cesty se omezí jednak umístěním rušeného okruhu co nejdále od okruhu rušícího, jednak použitím kovového stínění. Vestavění stínící přepážky z mědi nebo hliníku představuje účinné přerušení cesty rušivého signálu, ale bývá prostorově náročné. Použití stínících krytů nebo stíněných vodičů je z hlediska účinnosti rovnocenné, avšak zpravidla dochází ke zvýšení kapacit stíněných prvků proti zemi, což může nepříznivě ovlivňovat funkci zařízení. Zdrojem induktivních vazeb jsou jednak rozptylová pole transformátorů nebo tlumivek, jednak magnetická pole generovaná proudovými smyčkami. Pole smyček se omezí zmenšením jejich plochy. To platí pro smyčku "vysílací" i "přijímací". Při hledání přijímacích smyček si musíme uvědomit, že každý proud teče uzavřeným okruhem (nezapomenout na zemní a napájecí vodiče). Proto mají zpětné vodiče vést v těsné blízkosti vodičů přívodních (a z hlediska parazitní zpětné vazby by zemní část smyčky měla být samostatná, neměl by tu protékat žádný jiný proud). Na DPS se napájecí vodiče navrhují co nejširší, vedou se planparalelně nebo těsně vedle sebe, jejich součástí jsou blokovací kapacitory. Rozptylová pole transformátorů a tlumivek se dají potlačit např. použitím hrníčkových nebo ještě lépe toroidních jader. Magnetickou vazbu lze omezit rovněž vhodným natočením zdroje rušivého pole tak, aby napětí indukované tímto polem do rušeného obvodu bylo minimální. Konečně je možné i magnetické stínění. Pro nízké kmitočty vyhovuje stínění z materiálu s velkou permeabilitou, pro kmitočty vysoké je často účinnější stínění měděné, které brání průniku vysokofrekvenčního magnetického pole tím, že se ve stínění indukují vířivé proudy. Nejdokonalejší stínění pro magnetické pole je pak vícenásobné stínění pomocí přepážek či krytů, sestavených z několika vrstev střídavě vodivých a magnetických.
8.3 Příklad návrhu – volby součástek Pro příklad konstrukce elektrického zařízení jsme vybrali modul základní desky osobního počítače. Blokové schéma základní desky je zobrazeno na obr. 8.9. Účelem této kapitoly není popis jednotlivých procesorů, které se vyskytují na trhu, popřípadě popis konkrétní základní desky počítače. Jde nám o to ukázat, že tento poměrně složitý celek, je složen z reálných obvodů, které jsou běžně na trhu k dispozici a tyto součástky se používají i v jiných aplikacích. Je jasné, že základní deska musí být schopná dodat poměrně velký výkon, proto její podstatnou část tvoří různé zdroje napájecího nebo referenčního napětí. Dále se zde setkává několik výrobních technologií a je nutné řešit kompatibilitu mezi nimi. Tato skutečnost je nejvíce patrna na sběrnici mezi procesorem a severním mostem, kde výstup procesoru XeonTM používá technologii GVL, ale ostatní součástky pracují s úrovněmi LVTTL. Další zajímavou oblast tvoří podpůrné obvody nutné pro správnou funkci zařízení.
Reset
230 V
PC zdroj „silverbox“
12 V
CPU ventilátor
VRM Procesor
5V
Teplotní senzor Generátor hodinového kmitočtu
Nap. regulátor
Nap. regulátor
AGP port
SM / I2C sběrnice
Severní most
Paměť. rozhraní DDR
Paměťová sběrnice
SM / I2C sběrnice
PCI sběrnice Nap. regulátor
LPC sběrnice
Jižní most USB
Super I/O
Lokální DC/DC
Paměť. moduly
Chlazení zap./vyp.
Obr. 8.9:Blokové schéma základní desky
VRM (voltage reference modul), ten blok zajišťuje napájení pro procesor, vzhledem k výkonu který musí dodávat je tvořen spínaným výkonovým regulátorem PIP250M, jde o precizní regulátor s výstupním napětím 0,8 V až 5 V, schopným dodávat proud 15 A. Účinnost tohoto spínaného zdroje je 92 %. Protože různé typy procesorů mají různé napájecí napětí, může tento blok obsahovat větší počet výkonových regulátorů, které jsou následně řízeny spínacími tranzistory. Pro tyto výkony jsou určeny nízkonapěťové tranzistory s kanálem N typu MOSFET, schopné spínat proudy do 50 A, při napětí UDS = 20 až 50 V. Používaným typem tranzistoru je IRFZ44N. Pro řízení spínaných zdrojů lze využít pulzně šířkového modulátoru (PWM) jako je například Obr. 8.10: Blok napájecích napětí VRM TEA1507. Dalšími prvky jsou lineární napěťové regulátory, které zajišťují přesná napětí s menším výkonem. Zde lze použít lineární low-drop regulátory typu LP2980 s max. zatížitelností 50 mA a přesností 0,5 %. Tyto regulátory se používají i v mobilních aplikacích, proto jsou vybaveny funkcí sleep, která v případě, že dané napětí není potřeba, sníží spotřebu regulátoru na méně než 1 μW.
Resetovací obvod základní desky je tvořen obvody řady MAX 705 s délkou pulzu 200 ms, nebo ekvivalentními obvody NE566XX, které jsou vhodné pro paměti typu S-RAM. Další nezbytnou částí v návrhu základní desky jsou elektrostatické ochrany ESD, tyto ochrany chrání vstupy sběrnice proti elektrostatickému výboji. Pomoci ochran ESD je chráněna sběrnice AGP a USB rozbočovač. Pro ochranu ESD se využívají nízkokapacitní diodová pole, typu PESDxL4UG (např. PESD3V3L4UG), ktera dokáží ochránit vstupy do napětí přesahující 20 kV. Sledování teploty během provozu základní desky dochází k zahřívání jednotlivých prvků, a proto je nutné měření jejich teploty. Při tomto měření tepoty není rozhodující přesnost měření, proto používané senzory měří teplotu s přesností ± 2,0 °C. Pro měření se využívají teplotní senzory LM75A a NE16xx. Oba typy mají digitální výstup, velmi malou spotřebu a podporují zavedený průmyslový standard. Brána USB – v dnešní době to je nezbytná součást každého počítače, na kterou jsou kladené velké nároky. Na základních deskách se využívají obvody ISP1561BM. Tento obvod v sobě integruje dva originální Open Host Controller Interface (OHCI) s datovým přenosem 1,5 Mbit/s nebo 12 Mbit/s a jeden rozšířený Enhanced Host Controller Interface (EHCI) s definovaným tokem 480 Mbit/s a čtyři sběrnicové přijímače a vysílače, které vyhovují vysokorychlostní komunikaci USB. Obvod umožňuje přímou komunikaci se sběrnicí PCI. Obvody pro podporu paměťové sběrnice a sběrnice I2C, jako opakovače, rozbočovače a další. V této kategorii lze konkrétně uvést obvod GTL2000, který je 22-bitový obousměrný nízkonapěťový převaděč, podporující sběrnice s úrovněmi 1,0 V, 1,2 V, 1,5 V, 1,8 V, 2,5 V, 3,3 V, a 5 V. Pro napájení sběrnice pro paměti DDR (Double Date Rate) se využívají obvody ukončení sběrnice tzv. Bus Termination Regulators, které zajišťují správná napětí na celé datové sběrnici. Mezi tyto obvody patří NE57810. Příklad využití tohoto obvodu je na Obr. 8.11.
DIMM0
DIMM1
ADRESA
Paměťový řadič
VTT
NE57810 napájení sběrnice
DATA
RS = 20 Ω
RT = 27 Ω
Obr. 8.11:Ukončení paměťové sběrnice Protože dnešní procesory pracují v nízkonapěťovém režimu, je nutné jejich výstupní sběrnice převést na logické úrovně, se kterými se pracuje v následujících obvodech. K převedení těchto signálů slouží například převaděč sběrnice úrovní GTL procesoru XeonTM na úrovně LVTTL (Low Voltage TTL). Označení toho to obvodu je GTL2006. Tento obvod navíc podporuje dvouprocesorové aplikace.
