Các vấn đề cơ bản và kỹ năng cải thiện thiết kế PCB

Khi thiết kế PCB, chúng tôi thường dựa vào kinh nghiệm và kỹ năng mà chúng tôi thường tìm thấy trên Internet. Mỗi thiết kế PCB có thể được tối ưu hóa cho một ứng dụng cụ thể. Nói chung, các quy tắc thiết kế của nó chỉ có thể áp dụng cho ứng dụng đích. Ví dụ, các quy tắc ADC PCB không áp dụng cho RF PCB và ngược lại. Tuy nhiên, một số hướng dẫn có thể được coi là chung cho bất kỳ thiết kế PCB nào. Ở đây, trong hướng dẫn này, chúng tôi sẽ giới thiệu một số vấn đề và kỹ năng cơ bản có thể cải thiện đáng kể thiết kế PCB.
Phân phối điện là một yếu tố quan trọng trong bất kỳ thiết kế điện nào. Tất cả các thành phần của bạn dựa vào nguồn điện để thực hiện các chức năng của chúng. Tùy thuộc vào thiết kế của bạn, một số thành phần có thể có kết nối nguồn khác nhau, trong khi một số thành phần trên cùng một bo mạch có thể có kết nối nguồn kém. Ví dụ, nếu tất cả các thành phần được cấp nguồn bằng một dây dẫn, mỗi thành phần sẽ quan sát một trở kháng khác nhau, dẫn đến nhiều tham chiếu nối đất. Ví dụ: nếu bạn có hai mạch ADC, một ở đầu và một ở cuối, và cả hai ADC đều đọc điện áp bên ngoài, mỗi mạch tương tự sẽ đọc một điện thế khác nhau so với chúng.
Chúng ta có thể tóm tắt sự phân bố công suất theo ba cách có thể có: nguồn điểm đơn, nguồn hình sao và nguồn đa điểm.
(a) Nguồn điện một điểm: nguồn điện và dây nối đất của mỗi thành phần được tách ra khỏi nhau. Định tuyến nguồn của tất cả các thành phần chỉ đáp ứng tại một điểm tham chiếu duy nhất. Một điểm duy nhất được coi là phù hợp với quyền lực. Tuy nhiên, điều này không khả thi đối với các dự án phức tạp hoặc quy mô lớn / vừa.
(b) Nguồn hình sao: Nguồn hình sao có thể được coi là sự cải tiến của nguồn điểm đơn lẻ. Do các đặc điểm chính của nó là khác nhau: độ dài định tuyến giữa các thành phần là như nhau. Kết nối hình sao thường được sử dụng cho các bảng tín hiệu tốc độ cao phức tạp với nhiều đồng hồ khác nhau. Trong PCB tín hiệu tốc độ cao, tín hiệu thường xuất phát từ rìa rồi đến trung tâm. Tất cả các tín hiệu có thể được truyền từ trung tâm đến bất kỳ khu vực nào của bảng mạch, và độ trễ giữa các khu vực có thể được giảm bớt.
(c) Nguồn đa điểm: được coi là kém trong mọi trường hợp. Tuy nhiên, nó rất dễ sử dụng trong bất kỳ mạch nào. Các nguồn đa điểm có thể tạo ra sự khác biệt tham chiếu giữa các thành phần và trong cách ghép trở kháng chung. Phong cách thiết kế này cũng cho phép các mạch IC, đồng hồ và RF chuyển mạch cao tạo ra nhiễu trong các mạch chia sẻ kết nối gần đó.
Tất nhiên, trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, không phải lúc nào chúng ta cũng có một kiểu phân phối duy nhất. Sự cân bằng mà chúng ta có thể thực hiện là kết hợp các nguồn điểm đơn lẻ với các nguồn đa điểm. Bạn có thể đặt các thiết bị nhạy cảm tương tự và hệ thống RF / tốc độ cao vào một điểm, và tất cả các thiết bị ngoại vi kém nhạy cảm khác vào một điểm.
Bạn đã bao giờ nghĩ xem mình có nên sử dụng máy bay điện không? Câu trả lời là có. Bảng mạch nguồn là một trong những phương pháp truyền tải điện năng và giảm tiếng ồn của bất kỳ mạch điện nào. Mặt phẳng công suất rút ngắn đường tiếp đất, giảm điện cảm và cải thiện hiệu suất tương thích điện từ (EMC). Đó cũng là do thực tế là một tụ điện tách bản song song cũng được tạo ra trong các mặt phẳng cung cấp điện ở cả hai phía, để ngăn chặn sự truyền nhiễu.
Bo mạch nguồn cũng có một ưu điểm rõ ràng: do diện tích lớn, nó cho phép dòng điện chạy qua nhiều hơn, do đó làm tăng phạm vi nhiệt độ hoạt động của PCB. Nhưng xin lưu ý: lớp nguồn có thể cải thiện nhiệt độ làm việc, nhưng hệ thống dây điện cũng phải được xem xét. Các quy tắc theo dõi được đưa ra bởi ipc-2221 và ipc-9592
Đối với PCB có nguồn RF (hoặc bất kỳ ứng dụng tín hiệu tốc độ cao nào), bạn phải có một mặt phẳng hoàn chỉnh để cải thiện hiệu suất của bảng mạch. Các tín hiệu phải được đặt trên các mặt phẳng khác nhau, và hầu như không thể đáp ứng cả hai yêu cầu cùng một lúc nếu sử dụng hai lớp tấm. Nếu bạn muốn thiết kế một ăng-ten hoặc bất kỳ bảng RF nào có độ phức tạp thấp, bạn có thể sử dụng hai lớp. Hình dưới đây cho thấy một minh họa về cách PCB của bạn có thể sử dụng các mặt phẳng này tốt hơn.
Trong thiết kế tín hiệu hỗn hợp, các nhà sản xuất thường khuyến nghị rằng đất tương tự được tách ra khỏi mặt đất kỹ thuật số. Các mạch tương tự nhạy cảm dễ bị ảnh hưởng bởi các công tắc và tín hiệu tốc độ cao. Nếu nối đất tương tự và kỹ thuật số khác nhau, mặt phẳng tiếp đất sẽ được tách biệt. Tuy nhiên, nó có những nhược điểm sau. Chúng ta nên chú ý đến vùng nhiễu xuyên âm và vòng lặp của mặt đất bị chia cắt gây ra chủ yếu bởi sự gián đoạn của mặt đất. Hình minh họa sau đây cho thấy một ví dụ về hai mặt đất riêng biệt. Ở phía bên trái, dòng điện trở lại không thể truyền trực tiếp theo tuyến tín hiệu, do đó sẽ có khu vực vòng lặp thay vì được thiết kế ở khu vực vòng lặp bên phải.
Tương thích điện từ và nhiễu điện từ (EMI)
Đối với các thiết kế tần số cao (chẳng hạn như hệ thống RF), EMI có thể là một bất lợi lớn. Mặt đất được thảo luận trước đó giúp giảm EMI, nhưng theo PCB của bạn, mặt đất có thể gây ra các vấn đề khác. Trong các tấm có từ bốn lớp trở lên, khoảng cách của máy bay là rất quan trọng. Khi điện dung giữa các mặt phẳng nhỏ, điện trường sẽ mở rộng trên bảng. Đồng thời, trở kháng giữa hai mặt phẳng giảm, cho phép dòng điện trở lại chạy sang mặt phẳng tín hiệu. Điều này sẽ tạo ra EMI cho bất kỳ tín hiệu tần số cao nào đi qua máy bay.
Một giải pháp đơn giản để tránh EMI là ngăn tín hiệu tốc độ cao vượt qua nhiều lớp. Thêm tụ điện tách; Và đặt vias nối đất xung quanh hệ thống dây tín hiệu. Hình dưới đây cho thấy một thiết kế PCB tốt với tín hiệu tần số cao.
Lọc tiếng ồn
Các tụ điện bỏ qua và hạt ferit là các tụ điện được sử dụng để lọc nhiễu do bất kỳ thành phần nào tạo ra. Về cơ bản, nếu được sử dụng trong bất kỳ ứng dụng tốc độ cao nào, bất kỳ chân I / O nào cũng có thể trở thành nguồn nhiễu. Để sử dụng tốt hơn những nội dung này, chúng ta sẽ phải lưu ý những điểm sau:
Luôn đặt các hạt ferit và bỏ qua các tụ điện càng gần nguồn nhiễu càng tốt.
Khi chúng tôi sử dụng vị trí tự động và định tuyến tự động, chúng tôi nên xem xét khoảng cách cần kiểm tra.
Tránh vias và bất kỳ định tuyến nào khác giữa các bộ lọc và các thành phần.
Nếu có mặt phẳng tiếp đất, hãy sử dụng nhiều lỗ xuyên qua để tiếp đất chính xác.