การออกแบบพาร์ติชั่นสัญญาณผสม PCB

PCB การออกแบบวงจรสัญญาณผสมมีความซับซ้อนมาก เค้าโครงและการเดินสายของส่วนประกอบและการประมวลผลของแหล่งจ่ายไฟและสายกราวด์จะส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของวงจรและประสิทธิภาพความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า การออกแบบพาร์ติชั่นของกราวด์และพาวเวอร์ซัพพลายที่นำมาใช้ในบทความนี้ สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของวงจรสัญญาณผสมได้

จะลดการรบกวนระหว่างสัญญาณดิจิตอลและอนาล็อกได้อย่างไร? ต้องเข้าใจหลักการพื้นฐานสองประการของความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) ก่อนการออกแบบ: หลักการแรกคือการลดพื้นที่ของลูปปัจจุบัน หลักการที่สองคือระบบใช้ระนาบอ้างอิงเดียวเท่านั้น ในทางตรงกันข้าม หากระบบมีระนาบอ้างอิงสองระนาบ เป็นไปได้ที่จะสร้างเสาอากาศไดโพล (หมายเหตุ: การแผ่รังสีของเสาอากาศไดโพลขนาดเล็กเป็นสัดส่วนกับความยาวของเส้น ปริมาณกระแสที่ไหล และความถี่) หากสัญญาณไม่ย้อนกลับผ่านลูปที่เล็กที่สุด เสาอากาศทรงกลมขนาดใหญ่อาจเกิดขึ้นได้ หลีกเลี่ยงทั้งในการออกแบบของคุณให้มากที่สุด

ได้รับการแนะนำให้แยกกราวด์ดิจิตอลและกราวด์แอนะล็อกบนแผงวงจรสัญญาณผสมเพื่อให้เกิดการแยกระหว่างกราวด์ดิจิตอลและกราวด์แอนะล็อก แม้ว่าวิธีนี้จะเป็นไปได้ แต่ก็มีปัญหาที่อาจเกิดขึ้นมากมาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบขนาดใหญ่และซับซ้อน ปัญหาที่สำคัญที่สุดคือการไม่ข้ามสายไฟช่องว่างพาร์ทิชัน เมื่อข้ามสายไฟช่องว่างพาร์ทิชัน การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและสัญญาณครอสทอล์คจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ปัญหาที่พบบ่อยที่สุดในการออกแบบ PCB คือปัญหา EMI ที่เกิดจากสายสัญญาณข้ามกราวด์หรือแหล่งจ่ายไฟ

ดังแสดงในรูปที่ 1 เราใช้วิธีการแบ่งส่วนด้านบน และเส้นสัญญาณขยายช่องว่างระหว่างพื้นดินทั้งสอง เส้นทางกลับของกระแสสัญญาณคืออะไร สมมติว่าดินแดนที่แบ่งเป็นสองส่วนเชื่อมต่อกัน ณ จุดใดจุดหนึ่ง (โดยปกติคือจุดเดียว ณ จุดหนึ่ง) ซึ่งในกรณีนี้ กระแสดินจะก่อตัวเป็นวงใหญ่ กระแสความถี่สูงที่ไหลผ่านลูปขนาดใหญ่จะทำให้เกิดรังสีและการเหนี่ยวนำกราวด์สูง หากกระแสแอนะล็อกระดับต่ำที่ไหลผ่านลูปขนาดใหญ่ถูกรบกวนโดยสัญญาณภายนอกได้ง่าย สิ่งที่เลวร้ายที่สุดคือเมื่อเชื่อมต่อส่วนต่างๆ เข้าด้วยกันที่แหล่งพลังงาน จะเกิดวงจรกระแสไฟขนาดใหญ่มาก นอกจากนี้ กราวด์อนาล็อกและดิจิตอลเชื่อมต่อกันด้วยสายยาวในรูปแบบเสาอากาศไดโพล

การทำความเข้าใจเส้นทางและโหมดของกระแสไหลย้อนกลับสู่พื้นเป็นกุญแจสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบแผงวงจรสัญญาณผสม วิศวกรออกแบบหลายคนพิจารณาเฉพาะว่ากระแสสัญญาณไหลไปที่ใด โดยไม่สนใจเส้นทางเฉพาะของกระแส หากชั้นกราวด์ต้องถูกแบ่งพาร์ติชันและต้องกำหนดเส้นทางผ่านช่องว่างระหว่างพาร์ติชั่น การเชื่อมต่อจุดเดียวระหว่างกราวด์ที่แบ่งพาร์ติชั่นเพื่อสร้างบริดจ์เชื่อมต่อระหว่างชั้นกราวด์ทั้งสองแล้วกำหนดเส้นทางผ่านบริดจ์เชื่อมต่อ ด้วยวิธีนี้ สามารถให้เส้นทางกระแสตรงไหลย้อนกลับด้านล่างเส้นสัญญาณแต่ละเส้น ส่งผลให้พื้นที่วนรอบเล็ก

อุปกรณ์แยกแสงหรือหม้อแปลงไฟฟ้ายังสามารถใช้เพื่อรับรู้สัญญาณที่ข้ามช่องว่างของการแบ่งส่วน สำหรับอดีต มันคือสัญญาณออปติคัลที่ครอบคลุมช่องว่างการแบ่งส่วน ในกรณีของหม้อแปลงไฟฟ้าจะเป็นสนามแม่เหล็กที่ครอบคลุมช่องว่างของพาร์ติชั่น สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลก็เป็นไปได้เช่นกัน: สัญญาณไหลเข้าจากบรรทัดหนึ่งและกลับจากอีกบรรทัดหนึ่ง ซึ่งในกรณีนี้พวกมันถูกใช้เป็นเส้นทางไหลย้อนกลับโดยไม่จำเป็น

ในการสำรวจสัญญาณรบกวนของสัญญาณดิจิตอลเป็นสัญญาณแอนะล็อก เราต้องเข้าใจลักษณะของกระแสความถี่สูงก่อน กระแสความถี่สูงจะเลือกเส้นทางที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำสุด (ตัวเหนี่ยวนำ) อยู่ใต้สัญญาณโดยตรงเสมอ ดังนั้นกระแสย้อนกลับจะไหลผ่านชั้นวงจรที่อยู่ติดกัน ไม่ว่าชั้นที่อยู่ติดกันจะเป็นชั้นจ่ายไฟหรือชั้นกราวด์

ในทางปฏิบัติ โดยทั่วไปนิยมใช้พาร์ติชั่น PCB แบบเดียวกันในชิ้นส่วนแอนะล็อกและดิจิทัล สัญญาณแอนะล็อกถูกกำหนดเส้นทางในพื้นที่แอนะล็อกของทุกเลเยอร์ของบอร์ด ในขณะที่สัญญาณดิจิทัลจะถูกส่งไปที่ขอบเขตวงจรดิจิทัล ในกรณีนี้ กระแสย้อนกลับของสัญญาณดิจิตอลจะไม่ไหลลงสู่กราวด์ของสัญญาณแอนะล็อก

การรบกวนจากสัญญาณดิจิทัลไปยังสัญญาณแอนะล็อกจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อสัญญาณดิจิทัลถูกส่งผ่านหรือสัญญาณแอนะล็อกถูกส่งผ่านส่วนดิจิทัลของแผงวงจร ปัญหานี้ไม่ได้เกิดจากการไม่มีการแบ่งส่วน สาเหตุที่แท้จริงคือการเดินสายสัญญาณดิจิตอลที่ไม่เหมาะสม

การออกแบบ PCB ใช้แบบครบวงจรผ่านวงจรดิจิทัลและพาร์ติชั่นวงจรแอนะล็อกและการเดินสายสัญญาณที่เหมาะสม มักจะสามารถแก้ปัญหารูปแบบและสายไฟที่ยากขึ้นบางส่วน แต่ยังไม่มีปัญหาที่อาจเกิดขึ้นจากการแบ่งส่วนกราวด์ ในกรณีนี้ การจัดวางและการแบ่งพาร์ติชั่นของส่วนประกอบมีความสำคัญอย่างยิ่งในการกำหนดคุณภาพของการออกแบบ หากจัดวางอย่างถูกต้อง กระแสกราวด์ดิจิทัลจะถูกจำกัดเฉพาะส่วนดิจิทัลของบอร์ด และจะไม่รบกวนสัญญาณแอนะล็อก การเดินสายดังกล่าวจะต้องได้รับการตรวจสอบอย่างละเอียดถี่ถ้วนเพื่อให้แน่ใจว่าเป็นไปตามกฎการเดินสาย 100% มิฉะนั้นสายสัญญาณที่ไม่เหมาะสมจะทำลายแผงวงจรที่ดีมากอย่างสมบูรณ์

เมื่อเชื่อมต่อพินกราวด์อนาล็อกและดิจิตอลของคอนเวอร์เตอร์ A/D เข้าด้วยกัน ผู้ผลิตคอนเวอร์เตอร์ A/D ส่วนใหญ่แนะนำให้เชื่อมต่อพิน AGND และ DGND เข้ากับกราวด์อิมพีแดนซ์ต่ำเดียวกันโดยใช้ลีดที่สั้นที่สุด (หมายเหตุ: เนื่องจากชิปตัวแปลง A/D ส่วนใหญ่ไม่ได้เชื่อมต่อกราวด์แอนะล็อกและดิจิทัลเข้าด้วยกันภายใน ดังนั้นกราวด์แอนะล็อกและดิจิทัลจะต้องเชื่อมต่อผ่านพินภายนอก) อิมพีแดนซ์ภายนอกใดๆ ที่เชื่อมต่อกับ DGND จะจับคู่สัญญาณรบกวนดิจิทัลเพิ่มเติมกับวงจรแอนะล็อกภายในไอซีผ่านปรสิต ความจุ ทำตามคำแนะนำนี้ทั้งตัวแปลง A/D AGND และ DGND พินจำเป็นต้องเชื่อมต่อกับกราวด์แบบอะนาล็อก แต่วิธีนี้ทำให้เกิดคำถามเช่นว่าปลายกราวด์ของตัวเก็บประจุแยกสัญญาณดิจิตอลควรเชื่อมต่อกับกราวด์แอนะล็อกหรือดิจิทัล

หากระบบมีตัวแปลง A/D เพียงตัวเดียว ปัญหาข้างต้นสามารถแก้ไขได้ง่าย ดังแสดงในรูปที่ 3 กราวด์ถูกแยกออก และส่วนกราวด์แอนะล็อกและดิจิทัลเชื่อมต่อกันภายใต้ตัวแปลง A/D เมื่อใช้วิธีนี้ จำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าความกว้างบริดจ์ระหว่างสองไซต์นั้นเท่ากับความกว้างของ IC และไม่มีเส้นสัญญาณใดที่สามารถข้ามช่องว่างของพาร์ติชั่นได้

หากระบบมีตัวแปลง A/D จำนวนมาก เช่น 10 A/D converter จะเชื่อมต่ออย่างไร? หากเชื่อมต่อกราวด์แอนะล็อกและดิจิทัลภายใต้คอนเวอร์เตอร์ A/D แต่ละตัว การเชื่อมต่อแบบหลายจุดจะส่งผลให้ และการแยกระหว่างกราวด์แอนะล็อกและดิจิทัลจะไม่มีความหมาย หากคุณไม่ทำเช่นนั้น แสดงว่าคุณละเมิดข้อกำหนดของผู้ผลิต

วิธีที่ดีที่สุดคือการเริ่มต้นด้วยเครื่องแบบ ดังแสดงในรูปที่ 4 พื้นดินแบ่งออกเป็นชิ้นส่วนแอนะล็อกและดิจิทัลอย่างสม่ำเสมอ เลย์เอาต์นี้ไม่เพียงตรงตามข้อกำหนดของผู้ผลิตอุปกรณ์ IC สำหรับการเชื่อมต่ออิมพีแดนซ์ต่ำของพินกราวด์อนาล็อกและดิจิตอล แต่ยังหลีกเลี่ยงปัญหา EMC ที่เกิดจากเสาอากาศแบบวนหรือเสาอากาศไดโพล

หากคุณมีข้อสงสัยเกี่ยวกับแนวทางแบบครบวงจรของการออกแบบ PCB สัญญาณผสม คุณสามารถใช้วิธีการแบ่งชั้นกราวด์เพื่อจัดวางและกำหนดเส้นทางแผงวงจรทั้งหมดได้ ในการออกแบบ ควรให้ความสนใจเพื่อทำให้แผงวงจรง่ายต่อการเชื่อมต่อร่วมกับจัมเปอร์หรือตัวต้านทาน 0 โอห์ม โดยเว้นระยะห่างน้อยกว่า 1/2 นิ้วในการทดลองครั้งหลัง ให้ความสนใจกับการแบ่งเขตและการเดินสายเพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีเส้นสัญญาณดิจิทัลอยู่เหนือส่วนแอนะล็อกในทุกเลเยอร์ และไม่มีเส้นสัญญาณแอนะล็อกอยู่เหนือส่วนดิจิทัล นอกจากนี้ สายสัญญาณไม่ควรข้ามช่องว่างกราวด์หรือแบ่งช่องว่างระหว่างแหล่งพลังงาน ในการทดสอบฟังก์ชันของบอร์ดและประสิทธิภาพของ EMC ให้ทดสอบฟังก์ชันของบอร์ดและประสิทธิภาพของ EMC อีกครั้งโดยเชื่อมต่อทั้งสองชั้นเข้าด้วยกันผ่านตัวต้านทานหรือจัมเปอร์ 0 โอห์ม เมื่อเปรียบเทียบผลการทดสอบ พบว่าในเกือบทุกกรณี โซลูชันแบบรวมเป็นหนึ่งนั้นเหนือกว่าในแง่ของการทำงานและประสิทธิภาพของ EMC เมื่อเทียบกับโซลูชันแบบแยก

วิธีการแบ่งดินยังใช้ได้อยู่หรือไม่?

วิธีนี้สามารถใช้ได้ในสามสถานการณ์: อุปกรณ์ทางการแพทย์บางชนิดต้องการกระแสไฟรั่วที่ต่ำมากระหว่างวงจรและระบบที่เชื่อมต่อกับผู้ป่วย เอาต์พุตของอุปกรณ์ควบคุมกระบวนการทางอุตสาหกรรมบางอย่างอาจเชื่อมต่อกับอุปกรณ์เครื่องกลไฟฟ้าที่มีเสียงดังและมีกำลังสูง อีกกรณีหนึ่งคือเมื่อ LAYOUT ของ PCB อยู่ภายใต้ข้อจำกัดเฉพาะ

โดยปกติแล้วจะมีแหล่งจ่ายไฟดิจิทัลและอนาล็อกแยกจากกันบนบอร์ด PCB แบบสัญญาณผสมที่สามารถและควรมีหน้าจ่ายไฟแบบแยก อย่างไรก็ตาม สายสัญญาณที่อยู่ติดกับชั้นของพาวเวอร์ซัพพลายไม่สามารถข้ามช่องว่างระหว่างอุปกรณ์จ่ายไฟ และสายสัญญาณทั้งหมดที่ข้ามช่องว่างจะต้องอยู่บนชั้นวงจรที่อยู่ติดกับพื้นที่ขนาดใหญ่ ในบางกรณี แหล่งจ่ายไฟแบบแอนะล็อกสามารถออกแบบด้วยการเชื่อมต่อแบบ PCB แทนที่จะใช้แบบหน้าเดียวเพื่อหลีกเลี่ยงการแยกขั้วไฟฟ้า

การออกแบบพาร์ติชั่นสัญญาณผสม PCB

การออกแบบ PCB สัญญาณผสมเป็นกระบวนการที่ซับซ้อน กระบวนการออกแบบควรคำนึงถึงประเด็นต่อไปนี้:

1. แบ่ง PCB ออกเป็นชิ้นส่วนอนาล็อกและดิจิตอลแยกจากกัน

2. การจัดวางองค์ประกอบที่เหมาะสม

3. ตัวแปลง A/D ถูกวางข้ามพาร์ติชั่น

4. อย่าแบ่งพื้น วางส่วนแอนะล็อกและส่วนดิจิทัลของแผงวงจรไว้อย่างสม่ำเสมอ

5. ในทุกชั้นของบอร์ด สัญญาณดิจิตอลสามารถกำหนดเส้นทางได้เฉพาะในส่วนดิจิทัลของบอร์ดเท่านั้น

6. ในทุกชั้นของบอร์ด สัญญาณแอนะล็อกสามารถกำหนดเส้นทางได้เฉพาะในส่วนแอนะล็อกของบอร์ดเท่านั้น

7. การแยกพลังงานแบบอะนาล็อกและดิจิตอล

8. การเดินสายไฟไม่ควรเว้นช่องว่างระหว่างพื้นผิวของแหล่งจ่ายไฟแยก

9. สายสัญญาณที่ต้องเว้นช่องว่างระหว่างตัวจ่ายไฟแบบแยกส่วนควรอยู่บนชั้นสายไฟที่อยู่ติดกับพื้นที่ขนาดใหญ่

10. วิเคราะห์เส้นทางจริงและโหมดการไหลของกระแสโลก