سوالات 1

با افزایش مقیاس بزرگ در پیچیدگی طراحی و یکپارچگی سیستم های الکترونیکی، سرعت ساعت و زمان افزایش دستگاه سریعتر و سریعتر می شود. PCB پرسرعت طراحی به بخش مهمی از فرآیند طراحی تبدیل شده است. در طراحی مدارهای پرسرعت، اندوکتانس و ظرفیت روی خط برد مدار، سیم را معادل یک خط انتقال می‌کند. چیدمان نادرست اجزای پایان یا سیم کشی نادرست سیگنال های پرسرعت می تواند باعث ایجاد مشکلاتی در اثر خط انتقال شود که در نتیجه خروجی داده های نادرست از سیستم، عملکرد غیرعادی مدار یا حتی عدم کارکرد اصلاً ایجاد می شود. بر اساس مدل خط انتقال، به طور خلاصه، خط انتقال اثرات نامطلوبی مانند بازتاب سیگنال، تداخل، تداخل الکترومغناطیسی، منبع تغذیه و نویز زمین را برای طراحی مدار به همراه خواهد داشت.

به منظور طراحی یک برد مدار PCB با سرعت بالا که بتواند به طور قابل اعتماد کار کند، طراحی باید به طور کامل و با دقت در نظر گرفته شود تا برخی از مشکلات غیرقابل اعتمادی که ممکن است در حین چیدمان و مسیریابی رخ دهد، کوتاه کردن چرخه توسعه محصول و بهبود رقابت در بازار برطرف شود.

نحوه استفاده از ابزار طراحی PROTEL برای طراحی PCB با سرعت بالا

2 طراحی چیدمان سیستم فرکانس بالا

در طراحی مدار چاپی مدار، چیدمان یک پیوند مهم است. نتیجه چیدمان مستقیماً بر اثر سیم‌کشی و قابلیت اطمینان سیستم تأثیر می‌گذارد که در کل طراحی برد مدار چاپی زمان‌برترین و دشوارترین است. محیط پیچیده PCB فرکانس بالا، طراحی طرح بندی سیستم فرکانس بالا را برای استفاده از دانش نظری آموخته شده دشوار می کند. برای جلوگیری از انحراف در فرآیند طراحی، لازم است شخصی که می‌گذارد باید تجربه غنی در تولید PCB با سرعت بالا داشته باشد. بهبود قابلیت اطمینان و اثربخشی کار مدار. در فرآیند چیدمان، باید به ساختار مکانیکی، اتلاف گرما، تداخل الکترومغناطیسی، راحتی سیم کشی آینده و زیبایی شناسی توجه جامعی داشت.

اول از همه، قبل از طرح، کل مدار به توابع تقسیم می شود. مدار فرکانس بالا از مدار فرکانس پایین جدا می شود و مدار آنالوگ و مدار دیجیتال جدا می شوند. هر مدار عملکردی تا حد امکان نزدیک به مرکز تراشه قرار می گیرد. از تاخیر انتقال ناشی از سیم های بیش از حد طولانی جلوگیری کنید و اثر جداسازی خازن ها را بهبود بخشید. علاوه بر این، به موقعیت ها و جهت های نسبی بین پین ها و اجزای مدار و سایر لوله ها توجه کنید تا تأثیر متقابل آنها کاهش یابد. تمام اجزای فرکانس بالا باید از شاسی و سایر صفحات فلزی دور باشند تا اتصال انگلی کاهش یابد.

دوم، باید به اثرات حرارتی و الکترومغناطیسی بین اجزا در حین چیدمان توجه شود. این اثرات به‌ویژه برای سیستم‌های فرکانس بالا جدی هستند و باید اقداماتی برای دور نگه‌داشتن یا ایزوله کردن، گرما و سپر انجام داد. لوله یکسو کننده پرقدرت و لوله تنظیم باید مجهز به رادیاتور باشد و از ترانسفورماتور دور نگه داشته شود. اجزای مقاوم در برابر حرارت مانند خازن های الکترولیتی باید از اجزای گرمایشی دور نگه داشته شوند، در غیر این صورت الکترولیت خشک می شود و در نتیجه باعث افزایش مقاومت و عملکرد ضعیف می شود که بر پایداری مدار تأثیر می گذارد. فضای کافی برای چیدمان ساختار محافظ و جلوگیری از ورود کوپلینگ های مختلف انگلی باید در چیدمان باقی بماند. برای جلوگیری از جفت شدن الکترومغناطیسی بین سیم پیچ های روی برد مدار چاپی، دو سیم پیچ باید در زوایای قائم قرار گیرند تا ضریب کوپلینگ کاهش یابد. از روش جداسازی صفحه عمودی نیز می توان استفاده کرد. بهتر است مستقیماً از سرب قطعه ای که قرار است به مدار لحیم شود استفاده شود. هرچه سرب کوتاهتر باشد، بهتر است. از اتصال دهنده ها و زبانه های لحیم کاری استفاده نکنید زیرا ظرفیت خازنی و اندوکتانس توزیع شده بین زبانه های لحیم کاری مجاور وجود دارد. از قرار دادن قطعات با نویز بالا در اطراف نوسان ساز کریستالی، RIN، ولتاژ آنالوگ و سیگنال ولتاژ مرجع خودداری کنید.

در نهایت، ضمن اطمینان از کیفیت و قابلیت اطمینان ذاتی، ضمن در نظر گرفتن زیبایی کلی، برنامه ریزی منطقی برد مدار باید انجام شود. اجزاء باید موازی یا عمود بر سطح تخته و موازی یا عمود بر لبه تخته اصلی باشند. توزیع اجزا بر روی سطح تخته باید تا حد امکان یکنواخت باشد و چگالی باید ثابت باشد. به این ترتیب نه تنها زیباست، بلکه به راحتی سرهم می شود و جوش می خورد و تولید انبوه آن نیز آسان است.

3 سیم کشی سیستم فرکانس بالا

در مدارهای فرکانس بالا، پارامترهای توزیع مقاومت، خازن، اندوکتانس و اندوکتانس متقابل سیم های اتصال را نمی توان نادیده گرفت. از منظر ضد تداخل، سیم کشی منطقی تلاش برای کاهش مقاومت خط، خازن توزیع شده و اندوکتانس سرگردان در مدار است. میدان مغناطیسی سرگردان حاصل به حداقل می رسد، به طوری که ظرفیت توزیع شده، شار مغناطیسی نشتی، اندوکتانس متقابل الکترومغناطیسی و سایر تداخلات ناشی از نویز سرکوب می شود.

استفاده از ابزار طراحی PROTEL در چین بسیار رایج بوده است. با این حال، بسیاری از طراحان تنها بر روی «نرخ پهنای باند» تمرکز می‌کنند و بهبودهایی که توسط ابزار طراحی PROTEL برای انطباق با تغییرات ویژگی‌های دستگاه انجام شده است، در طراحی استفاده نشده است، که نه تنها باعث هدر رفتن منابع ابزار طراحی بیشتر می‌شود. جدی، که عملکرد عالی بسیاری از دستگاه های جدید را دشوار می کند.

در ادامه برخی از عملکردهای ویژه ای را که ابزار PROTEL99 SE می تواند ارائه دهد، معرفی می کند.

(1) سرب بین پین های دستگاه مدار فرکانس بالا باید تا حد امکان خم شود. بهتر است از یک خط کاملا مستقیم استفاده کنید. در صورت نیاز به خم شدن، می توان از خم یا قوس 45 درجه استفاده کرد که می تواند انتشار سیگنال های فرکانس بالا و تداخل متقابل را کاهش دهد. جفت بین. هنگام استفاده از PROTEL برای مسیریابی، می‌توانید 45 درجه یا Rounded را در «گوشه‌های مسیریابی» در منوی «قوانین» منوی «طراحی» انتخاب کنید. همچنین می توانید از کلیدهای shift + space برای جابجایی سریع بین خطوط استفاده کنید.

(2) هرچه فاصله بین پایه های دستگاه مدار فرکانس بالا کوتاه تر باشد، بهتر است.

PROTEL 99 موثرترین راه برای رسیدن به کوتاهترین سیم کشی این است که قبل از سیم کشی خودکار یک قرار سیم کشی برای شبکه های پرسرعت کلیدی جداگانه تعیین کنید. “توپولوژی مسیریابی” در “قوانین” در منوی “طراحی”.

کوتاه ترین را انتخاب کنید

(3) تناوب لایه های سرب بین پین های دستگاه های مدار فرکانس بالا تا حد امکان کوچک است. یعنی هر چه تعداد vias کمتری در فرآیند اتصال کامپوننت استفاده شود، بهتر است.

یک Via می تواند حدود 0.5pF ظرفیت توزیع شده را به ارمغان بیاورد و کاهش تعداد via ها می تواند به طور قابل توجهی سرعت را افزایش دهد.

(4) برای سیم کشی مدار فرکانس بالا، به “تداخل متقاطع” ارائه شده توسط سیم کشی موازی خط سیگنال، یعنی تداخل، توجه کنید. اگر توزیع موازی اجتناب ناپذیر باشد، می توان یک ناحیه بزرگ از “زمین” را در طرف مقابل خط سیگنال موازی ترتیب داد.

تا میزان تداخل را کاهش دهد. سیم کشی موازی در یک لایه تقریباً اجتناب ناپذیر است، اما در دو لایه مجاور، جهت سیم کشی باید عمود بر یکدیگر باشد. انجام این کار در PROTEL دشوار نیست، اما نادیده گرفتن آن آسان است. در «RoutTingLayers» در منوی «Design» «قوانین»، Horizontal را برای Toplayer و VerTIcal را برای BottomLayer انتخاب کنید. علاوه بر این، “Polygonplane” در “place” ارائه شده است

عملکرد سطح فویل مس شبکه ای چند ضلعی، اگر چند ضلعی را به عنوان سطح کل برد مدار چاپی قرار دهید و این مس را به GND مدار متصل کنید، می تواند توانایی ضد تداخل فرکانس بالا را بهبود بخشد، همچنین دارای مزایای بیشتری برای اتلاف گرما و استحکام تخته چاپ.

(5) اقدامات محفظه سیم زمین را برای خطوط سیگنال مهم یا واحدهای محلی اجرا کنید. “Outline Selected Objects” در “Tools” ارائه شده است، و این عملکرد را می توان برای “پیچیدن زمین” به طور خودکار خطوط سیگنال مهم انتخاب شده (مانند مدار نوسان LT و X1) استفاده کرد.

(6) به طور کلی، خط برق و خط زمین مدار از خط سیگنال گسترده تر است. می توانید از “کلاس ها” در منوی “طراحی” برای طبقه بندی شبکه استفاده کنید که به شبکه برق و شبکه سیگنال تقسیم می شود. تنظیم قوانین سیم کشی راحت است. عرض خط خط برق و خط سیگنال را تغییر دهید.

(7) انواع سیم کشی نمی تواند یک حلقه تشکیل دهد و سیم زمین نمی تواند یک حلقه جریان تشکیل دهد. اگر مدار حلقه ای ایجاد شود، تداخل زیادی در سیستم ایجاد می کند. برای این کار می توان از روش سیم کشی زنجیره ای استفاده کرد که می تواند به طور موثری از تشکیل حلقه، شاخه یا کنده در حین سیم کشی جلوگیری کند، اما مشکل سیم کشی آسان را نیز به همراه خواهد داشت.

(8) با توجه به داده ها و طراحی تراشه های مختلف، جریان عبوری از مدار منبع تغذیه را تخمین زده و عرض سیم مورد نیاز را تعیین کنید. طبق فرمول تجربی: W (عرض خط) ≥ L (mm/A) × I (A).

با توجه به جریان، سعی کنید عرض خط برق را افزایش دهید و مقاومت حلقه را کاهش دهید. در عین حال، جهت خط برق و خط زمین را با جهت انتقال داده مطابقت دهید که به افزایش توانایی ضد نویز کمک می کند. در صورت لزوم، یک دستگاه چوک با فرکانس بالا ساخته شده از فریت سیم مسی را می توان به خط برق و خط زمین اضافه کرد تا از هدایت نویز فرکانس بالا جلوگیری کند.

(9) عرض سیم کشی همان شبکه باید یکسان باشد. تغییرات در عرض خط باعث ایجاد امپدانس مشخصه خط ناهموار می شود. هنگامی که سرعت انتقال بالا باشد، بازتابی رخ می دهد که باید تا حد امکان در طراحی از آن اجتناب شود. در عین حال، عرض خط خطوط موازی را افزایش دهید. هنگامی که فاصله مرکز خط از 3 برابر عرض خط تجاوز نمی کند، 70٪ میدان الکتریکی را می توان بدون تداخل متقابل حفظ کرد که به آن اصل 3W می گویند. به این ترتیب می توان بر تأثیر ظرفیت توزیع شده و اندوکتانس توزیع شده ناشی از خطوط موازی غلبه کرد.

4 طراحی سیم برق و سیم زمین

به منظور حل افت ولتاژ ناشی از نویز منبع تغذیه و امپدانس خط معرفی شده توسط مدار فرکانس بالا، قابلیت اطمینان سیستم منبع تغذیه در مدار فرکانس بالا باید کاملا در نظر گرفته شود. به طور کلی دو راه حل وجود دارد: یکی استفاده از فناوری گذرگاه برق برای سیم کشی. دیگری استفاده از یک لایه منبع تغذیه جداگانه است. در مقایسه، فرآیند ساخت دومی پیچیده تر و هزینه آن گران تر است. بنابراین، فناوری گذرگاه برق از نوع شبکه را می توان برای سیم کشی استفاده کرد، به طوری که هر جزء متعلق به یک حلقه متفاوت است، و جریان در هر گذرگاه در شبکه تمایل به متعادل شدن دارد و افت ولتاژ ناشی از امپدانس خط را کاهش می دهد.

قدرت انتقال فرکانس بالا نسبتاً زیاد است، می‌توانید از مساحت زیادی از مس استفاده کنید و یک صفحه زمین با مقاومت کم در نزدیکی آن برای زمین‌گذاری چندگانه پیدا کنید. از آنجایی که اندوکتانس سرب زمین متناسب با فرکانس و طول است، امپدانس زمین مشترک زمانی که فرکانس کاری بالا باشد افزایش می‌یابد، که تداخل الکترومغناطیسی ایجاد شده توسط امپدانس زمین مشترک را افزایش می‌دهد، بنابراین طول سیم زمین لازم است تا حد امکان کوتاه باشد. سعی کنید طول خط سیگنال را کاهش دهید و مساحت حلقه زمین را افزایش دهید.

یک یا چند خازن جداکننده فرکانس بالا را روی برق و زمین تراشه تنظیم کنید تا یک کانال فرکانس بالا در نزدیکی جریان گذرا تراشه یکپارچه فراهم شود، به طوری که جریان از طریق خط منبع تغذیه با یک حلقه بزرگ عبور نکند. منطقه، در نتیجه تا حد زیادی کاهش سر و صدا تابش به خارج. خازن های سرامیکی یکپارچه با سیگنال های فرکانس بالا خوب را به عنوان خازن جداکننده انتخاب کنید. به جای خازن های الکترولیتی به عنوان خازن های ذخیره انرژی برای شارژ مداری از خازن های تانتالیومی یا خازن های پلی استری با ظرفیت بالا استفاده کنید. از آنجا که اندوکتانس توزیع شده خازن الکترولیتی بزرگ است، برای فرکانس بالا نامعتبر است. هنگام استفاده از خازن های الکترولیتی، آنها را به صورت جفت با خازن های جداکننده با ویژگی های فرکانس بالا خوب استفاده کنید.

5 سایر تکنیک های طراحی مدار با سرعت بالا

تطبیق امپدانس به حالت کاری اشاره دارد که در آن امپدانس بار و امپدانس داخلی منبع تحریک برای به دست آوردن حداکثر توان خروجی با یکدیگر تطبیق داده می شوند. برای سیم کشی PCB با سرعت بالا، برای جلوگیری از انعکاس سیگنال، امپدانس مدار باید 50 Ω باشد. این یک رقم تقریبی است. به طور کلی، باند پایه کابل کواکسیال 50 Ω، باند فرکانس 75 Ω و سیم پیچ خورده 100 Ω است. این فقط یک عدد صحیح است، برای راحتی تطبیق. با توجه به تجزیه و تحلیل مدار خاص، پایان AC موازی پذیرفته می شود و از مقاومت و شبکه خازن به عنوان امپدانس پایان استفاده می شود. مقاومت پایانی R باید کمتر یا مساوی امپدانس خط انتقال Z0 باشد و ظرفیت C باید بیشتر از 100 pF باشد. استفاده از خازن های سرامیکی چند لایه 0.1UF توصیه می شود. خازن عملکرد مسدود کردن فرکانس پایین و عبور فرکانس بالا را دارد، بنابراین مقاومت R بار DC منبع محرک نیست، بنابراین این روش پایان هیچ مصرف برق DC ندارد.

Crosstalk به تداخل نویز ولتاژ نامطلوب ناشی از اتصال الکترومغناطیسی به خطوط انتقال مجاور هنگام انتشار سیگنال در خط انتقال اشاره دارد. کوپلینگ به دو دسته کوپلینگ خازنی و کوپلینگ القایی تقسیم می شود. تداخل بیش از حد ممکن است باعث تحریک کاذب مدار شود و باعث شود سیستم به طور عادی کار نکند. با توجه به برخی ویژگی های تداخل، چندین روش اصلی برای کاهش تداخل را می توان خلاصه کرد:

(1) فاصله خطوط را افزایش دهید، طول موازی را کاهش دهید و در صورت لزوم از روش دویدن برای سیم کشی استفاده کنید.

(2) هنگامی که خطوط سیگنال با سرعت بالا شرایط را برآورده می کنند، افزودن تطابق خاتمه می تواند بازتاب ها را کاهش داده یا حذف کند و در نتیجه تداخل را کاهش دهد.

(3) برای خطوط انتقال میکرواستریپ و خطوط انتقال نواری، محدود کردن ارتفاع ردیابی در محدوده بالای سطح زمین می تواند به طور قابل توجهی تداخل را کاهش دهد.

(4) وقتی فضای سیم‌کشی اجازه می‌دهد، یک سیم زمین را بین دو سیم با تداخل جدی‌تر وارد کنید، که می‌تواند در جداسازی و کاهش تداخل نقش داشته باشد.

به دلیل فقدان آنالیز با سرعت بالا و هدایت شبیه سازی در طراحی سنتی PCB، کیفیت سیگنال را نمی توان تضمین کرد و بیشتر مشکلات را نمی توان تا زمان آزمایش ساخت صفحه کشف کرد. این امر کارایی طراحی را تا حد زیادی کاهش می دهد و هزینه را افزایش می دهد، که بدیهی است در رقابت شدید بازار مضر است. بنابراین، برای طراحی PCB با سرعت بالا، افراد در صنعت یک ایده طراحی جدید را پیشنهاد کرده اند که به یک روش طراحی “بالا به پایین” تبدیل شده است. پس از تحلیل و بهینه سازی انواع سیاست ها، از بسیاری از مشکلات احتمالی جلوگیری شده و صرفه جویی زیادی صورت گرفته است. زمان برای اطمینان از برآورده شدن بودجه پروژه، تولید تابلوهای چاپی با کیفیت بالا و اجتناب از خطاهای آزمایشی خسته کننده و پرهزینه است.

استفاده از خطوط دیفرانسیل برای انتقال سیگنال های دیجیتال یک اقدام موثر برای کنترل عواملی است که یکپارچگی سیگنال را در مدارهای دیجیتال پرسرعت از بین می برد. خط دیفرانسیل روی برد مدار چاپی معادل یک جفت خط انتقال یکپارچه مایکروویو دیفرانسیل است که در حالت شبه TEM کار می کند. در میان آنها، خط دیفرانسیل در بالا یا پایین PCB معادل خط میکرو نوار کوپل شده است و در لایه داخلی PCB چند لایه قرار دارد. سیگنال دیجیتال روی خط دیفرانسیل در حالت انتقال حالت فرد ارسال می شود، یعنی اختلاف فاز بین سیگنال های مثبت و منفی 180 درجه است و نویز در یک جفت خط دیفرانسیل در یک حالت مشترک جفت می شود. ولتاژ یا جریان مدار کم می شود، به طوری که می توان سیگنال را برای حذف نویز حالت معمول به دست آورد. دامنه ولتاژ پایین یا خروجی درایو جریان جفت خط دیفرانسیل الزامات یکپارچه سازی با سرعت بالا و مصرف برق کم را برآورده می کند.

6 نکته پایانی

با توسعه مداوم فناوری الکترونیک، درک نظریه یکپارچگی سیگنال برای هدایت و تأیید طراحی PCBهای پرسرعت ضروری است. برخی از تجربیات خلاصه‌شده در این مقاله می‌تواند به طراحان مدارهای مدار چاپی با سرعت بالا کمک کند تا چرخه توسعه را کوتاه کنند، از انحراف‌های غیرضروری اجتناب کنند و در نیروی انسانی و منابع مادی صرفه‌جویی کنند. طراحان باید به تحقیق و کاوش در کار واقعی ادامه دهند، به جمع آوری تجربه و ترکیب فناوری های جدید برای طراحی بردهای مدار PCB با سرعت بالا با عملکرد عالی ادامه دهند.