Thông tin PCB - Thiết kế bảng mạch PCB tốc độ cao, dựa trên bảo vệ

Với sự gia tăng lớn về độ phức tạp và tích hợp của các thiết kế hệ thống điện tử, tốc độ xung nhịp và thời gian tăng tốc của thiết bị ngày càng nhanh hơn, và thiết kế mạch tốc độ cao đã trở thành một phần quan trọng của quá trình thiết kế. Trong thiết kế mạch tốc độ cao, độ tự cảm và điện dung trên bảng mạch có thể làm cho dây dẫn tương đương với đường dây tải điện. Việc đặt các thành phần đầu cuối không đúng cách hoặc định tuyến không chính xác tín hiệu tốc độ cao có thể gây ra các vấn đề với hiệu ứng đường truyền, dẫn đến kết quả đầu ra dữ liệu không chính xác từ hệ thống, hoạt động mạch không đúng hoặc thậm chí không hoạt động. Dựa trên mô hình đường truyền, có thể kết luận rằng đường truyền sẽ mang lại những ảnh hưởng xấu như phản xạ tín hiệu, nhiễu xuyên âm, nhiễu điện từ, cấp nguồn và nhiễu đất cho thiết kế mạch. Để thiết kế một bo mạch PCB tốc độ cao có thể hoạt động đáng tin cậy, thiết kế phải được xem xét đầy đủ và cẩn thận để giải quyết một số vấn đề không đáng tin cậy có thể xảy ra trong quá trình bố trí và đi dây, rút ngắn chu kỳ phát triển sản phẩm và nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường.

2. Thiết kế bố trí hệ thống tần số cao
Trong thiết kế bảng mạch PCB của mạch, cách bố trí là một mắt xích quan trọng, và chất lượng của kết quả bố trí sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của hệ thống dây điện và độ tin cậy của hệ thống, điều này tốn nhiều thời gian và khó khăn trong toàn bộ mạch in. thiết kế bảng. Môi trường phức tạp của bảng mạch cao tần PCB gây khó khăn cho việc sử dụng kiến thức lý thuyết đã học để thiết kế bố trí hệ thống tần số cao. Nó đòi hỏi người bố trí phải có kinh nghiệm dày dặn trong việc chế tạo bảng mạch PCB tốc độ cao, để tránh quá trình thiết kế. Đường vòng, cải thiện độ tin cậy và hiệu quả của công việc mạch. Trong quá trình bố trí, cần xem xét toàn diện kết cấu cơ khí, tản nhiệt, nhiễu điện từ, sự thuận tiện của hệ thống dây điện sau này và tính thẩm mỹ. Đầu tiên, hãy phân chia chức năng của toàn bộ mạch trước khi bố trí, tách mạch cao tần ra khỏi mạch tần số thấp, tách mạch tương tự ra khỏi mạch số. Tránh độ trễ truyền do dây dài gây ra và cải thiện hiệu quả tách của tụ điện. Ngoài ra, hãy chú ý đến vị trí và hướng tương đối của các chân và các thành phần mạch và các ống khác để giảm ảnh hưởng lẫn nhau. Tất cả các thành phần tần số cao nên được đặt cách xa khung máy và các tấm kim loại khác để giảm hiện tượng ghép ký sinh. Thứ hai, cần chú ý đến hiệu ứng nhiệt và điện từ giữa các thành phần trong quá trình bố trí. Những ảnh hưởng này đặc biệt nghiêm trọng đối với các hệ thống tần số cao, và cần thực hiện các biện pháp để tránh xa hoặc cách ly, tản nhiệt và che chắn. Các ống chỉnh lưu và ống điều chỉnh công suất cao phải được trang bị bộ tản nhiệt và phải để xa máy biến áp. Các linh kiện chịu nhiệt như tụ điện cần để xa linh kiện phát nhiệt, nếu không chất điện phân sẽ bị khô dẫn đến tăng điện trở và hoạt động kém, ảnh hưởng đến độ ổn định của mạch. Cần có đủ không gian trong bố trí để bố trí cấu trúc bảo vệ và ngăn chặn việc đưa vào các khớp nối ký sinh khác nhau. Để ngăn chặn sự ghép nối điện từ giữa các cuộn dây trên bảng mạch in, hai cuộn dây nên được đặt vuông góc với nhau để giảm hệ số ghép nối. Phương pháp cách ly tấm dọc cũng có thể được sử dụng. Sử dụng trực tiếp các dây dẫn của các thành phần của nó để hàn trên mạch. Càng ngắn càng tốt. Không sử dụng đầu nối và miếng hàn, vì có điện dung phân bố và điện cảm phân bố giữa các miếng hàn liền kề. Tránh đặt các thành phần nhiễu cao xung quanh dấu vết của bộ dao động tinh thể, RIN, điện áp tương tự và tín hiệu điện áp tham chiếu. Trong khi đảm bảo chất lượng và độ tin cậy vốn có, tính đến tính thẩm mỹ tổng thể, quy hoạch bảng mạch hợp lý, các linh kiện nên song song hoặc vuông góc với bề mặt bảng, và song song hoặc vuông góc với cạnh bảng chính. Sự phân bố của các thành phần trên bề mặt bảng phải đồng đều nhất có thể và mật độ phải giống nhau. Bằng cách này, nó không chỉ đẹp mà còn dễ lắp đặt và hàn, dễ sản xuất hàng loạt.

3. Đấu dây hệ thống tần số cao
Trong mạch cao tần, không thể bỏ qua các thông số phân bố của điện trở, điện dung, độ tự cảm và độ tự cảm lẫn nhau của các dây nối. Từ góc độ chống nhiễu, đấu dây hợp lý là cố gắng giảm điện trở đường dây, điện dung phân bố và điện cảm lạc trong mạch. , cảm kháng lẫn nhau điện từ và các nhiễu khác gây ra bởi tiếng ồn của mạch bị triệt tiêu. Việc áp dụng các công cụ thiết kế PROTEL đã khá phổ biến ở Trung Quốc. Tuy nhiên, nhiều nhà thiết kế chỉ tập trung vào "tỷ lệ bố cục", và những cải tiến được thực hiện đối với các công cụ thiết kế PROTEL để thích ứng với những thay đổi về đặc tính của thiết bị không được sử dụng trong thiết kế, điều này không chỉ làm lãng phí tài nguyên công cụ thiết kế một cách nghiêm trọng, mà gây khó khăn cho việc phát huy hiệu suất tuyệt vời của nhiều thiết bị mới. Sau đây giới thiệu một số chức năng đặc biệt mà công cụ PROTEL99 SE có thể cung cấp.
(1) Càng ít dây dẫn giữa các chân của thiết bị mạch cao tần bị cong thì càng tốt. Sử dụng một đường thẳng đầy đủ. Khi cần uốn cong, nó có thể được uốn theo đường gấp 45 ° hoặc cung tròn, điều này có thể làm giảm sự phát ra bên ngoài của tín hiệu tần số cao và sự giao thoa lẫn nhau. khớp nối. Khi định tuyến bằng PROTEL, hãy chọn 45 độ hoặc Tròn trong "Góc định tuyến" trong "quy tắc" trình đơn "Thiết kế". Bạn cũng có thể sử dụng phím shift + phím cách để chuyển nhanh giữa các dòng.
(2) Dây dẫn giữa các chân của thiết bị mạch cao tần càng ngắn càng tốt. Phương tiện hiệu quả của PROTEL 99 để đáp ứng việc rút ngắn hệ thống dây điện là đặt trước hệ thống dây cho các mạng tốc độ cao chính trước khi đấu dây tự động. Chọn ngắn nhất trong "Cấu trúc liên kết định tuyến" trong "quy tắc" trình đơn "Thiết kế".
(3) Sự xen kẽ giữa các lớp dẫn giữa các chân của thiết bị mạch cao tần càng ít càng tốt. Nghĩa là, càng ít vias được sử dụng trong quá trình kết nối thành phần thì càng tốt. A qua có thể mang lại khoảng 0,5pF điện dung phân bố và việc giảm số vias có thể làm tăng tốc độ đáng kể.
(4) Đối với hệ thống dây dẫn mạch tần số cao, hãy chú ý đến "giao thoa" được tạo ra bởi hệ thống dây song song của các đường tín hiệu. Nếu không thể tránh được sự phân bố song song, có thể bố trí một khu vực "mặt đất" lớn ở phía đối diện của các đường tín hiệu song song để giảm nhiễu đáng kể. Các đường thẳng song song trong cùng một lớp hầu như không thể tránh khỏi, nhưng ở hai lớp liền kề, hướng của các đường thẳng phải lấy sao cho vuông góc với nhau, điều này không khó đạt được trong PROTEL nhưng lại dễ bị bỏ qua. Trong menu "Thiết kế" "quy tắc" trong "RoutingLayers", chọn Ngang cho Lớp trên và Dọc cho BottomLayer. Ngoài ra, chức năng "Polygonplane" được cung cấp ở "place", tức là bề mặt lá đồng dạng lưới đa giác. Nếu được đặt, đa giác sẽ được lấy làm một bề mặt của toàn bộ bảng mạch in và đồng này sẽ được áp dụng. Nó được kết nối với GND của mạch, có thể cải thiện khả năng chống nhiễu tần số cao, đồng thời cũng có lợi ích lớn cho việc tản nhiệt và độ bền của bảng in.
(5) Biện pháp bao quanh bằng dây nối đất được thực hiện đối với các tuyến tín hiệu đặc biệt quan trọng hoặc các đơn vị cục bộ. "Phác thảo các đối tượng được chọn" được cung cấp trong "Công cụ", có thể được sử dụng để tự động "nối đất" các đường tín hiệu quan trọng đã chọn (chẳng hạn như mạch dao động LT và X1).
(6) Nói chung, đường dây nguồn và đường dây nối đất của mạch được đặt rộng hơn đường dây tín hiệu. Bạn có thể sử dụng "Lớp" trong menu "Thiết kế" để phân loại mạng thành mạng nguồn và mạng tín hiệu. Nó là thuận tiện để kết hợp thiết lập các quy tắc đi dây. Chuyển đổi độ rộng đường dây của đường dây điện và đường dây tín hiệu.
(7) Tất cả các loại dấu vết không thể tạo thành vòng lặp, và dây nối đất không thể tạo thành vòng lặp hiện tại. Nếu tạo ra mạch vòng sẽ gây nhiễu lớn cho hệ thống. Về vấn đề này, có thể sử dụng phương pháp nối dây theo chuỗi, có thể tránh được sự hình thành các vòng, cành hoặc gốc cây trong quá trình đấu dây, nhưng nó cũng gây ra vấn đề không dễ đi dây.
(8) Theo dữ liệu và thiết kế của các chip khác nhau, ước tính dòng điện đi qua đường dây điện và xác định chiều rộng dây yêu cầu. Theo công thức thực nghiệm, có thể nhận được: W (độ rộng dòng) ≥ L (mm / A) * I (A). Theo kích thước hiện tại, cố gắng tăng chiều rộng của đường dây điện để giảm điện trở của vòng lặp. Đồng thời, hướng của đường dây điện và đường dây nối đất phù hợp với hướng truyền dữ liệu, giúp tăng cường khả năng chống nhiễu. Khi cần thiết, một thiết bị cuộn cảm tần số cao làm bằng ferit quấn dây đồng có thể được thêm vào đường dây điện và đường dây nối đất để chặn sự dẫn truyền của tiếng ồn tần số cao.
(9) Chiều rộng dây của cùng một mạng phải được giữ nguyên. Sự thay đổi của độ rộng đường dây sẽ dẫn đến trở kháng đặc tính của đường dây không đồng đều. Khi tốc độ truyền cao, hiện tượng phản xạ sẽ xảy ra, điều này nên tránh càng nhiều càng tốt trong thiết kế. Đồng thời, tăng độ rộng đoạn thẳng của các đường thẳng song song. Khi khoảng cách tâm của các đường sức không vượt quá 3 lần bề rộng đường sức thì 70% điện trường giữ được mà không có sự giao thoa lẫn nhau, gọi là nguyên lý 3W. Bằng cách này, có thể khắc phục được ảnh hưởng của điện dung phân bố và điện cảm phân bố do các đường thẳng song song gây ra.

4. Thiết kế dây nguồn và dây nối đất
Để giải quyết vấn đề sụt áp do nhiễu nguồn cung cấp và trở kháng đường dây do mạch cao tần đưa vào, phải xem xét đầy đủ độ tin cậy của hệ thống cung cấp điện trong mạch cao tần. Nhìn chung có hai giải pháp: một là sử dụng công nghệ bus nguồn để đi dây; hai là sử dụng một lớp cấp nguồn riêng biệt. Trong khi đó, quy trình sản xuất sau này phức tạp hơn và chi phí đắt hơn. Do đó, công nghệ bus công suất kiểu mạng có thể được sử dụng để nối dây, để mỗi thành phần thuộc một vòng lặp khác nhau và dòng điện trên mỗi bus trong mạng có xu hướng cân bằng, giảm vấn đề sụt áp do trở kháng đường dây gây ra. Công suất truyền dẫn tần số cao tương đối lớn, và có thể sử dụng một vùng đồng lớn để tìm mặt phẳng có điện trở thấp gần đó để nối đất đa điểm. Vì điện kháng cảm ứng của dây nối đất tỷ lệ với tần số và chiều dài, trở kháng nối đất chung sẽ tăng khi tần số hoạt động cao, điều này sẽ làm tăng nhiễu điện từ do trở kháng nối đất tạo ra, do đó chiều dài của dây nối đất là yêu cầu càng ngắn càng tốt. Giảm thiểu chiều dài của các đường tín hiệu và tăng diện tích của vòng nối đất. Một hoặc một số tụ điện tách tần số cao được đặt tại các đầu nối nguồn và đầu nối đất của chip để cung cấp kênh tần số cao gần đó cho dòng điện quá độ của chip tích hợp, do đó dòng điện sẽ không đi qua đường dây cung cấp điện với diện tích vòng lặp lớn, do đó làm giảm đáng kể nhiễu bức xạ. Cần chọn tụ gốm điện dung nguyên khối có tín hiệu cao tần tốt làm tụ tách. Sử dụng tụ tantali công suất lớn hoặc tụ polyester thay vì tụ điện làm tụ lưu trữ năng lượng để sạc mạch. Vì điện cảm phân bố của tụ điện lớn nên không hiệu quả đối với tần số cao. Khi sử dụng tụ hóa, sử dụng chúng theo cặp với tụ tách có đặc tính cao tần tốt.

5. Các công nghệ thiết kế mạch tốc độ cao khác
Kết hợp trở kháng đề cập đến trạng thái làm việc trong đó trở kháng tải và trở kháng bên trong của nguồn kích từ được kết hợp với nhau để có được công suất đầu ra. Khi đấu dây bảng mạch PCB tốc độ cao, để tránh phản xạ tín hiệu, trở kháng của đường dây được yêu cầu là 50 Ω. Đây là một con số gần đúng. Nói chung, dải cơ sở của cáp đồng trục là 50 Ω, dải tần là 75 Ω và cặp xoắn là 100 Ω. Nó chỉ là một số nguyên, để thuận tiện cho việc so khớp. Theo phân tích mạch cụ thể, đầu cuối AC song song được chấp nhận, và mạng điện trở và tụ điện được sử dụng làm trở kháng đầu cuối. Điện trở cuối R phải nhỏ hơn hoặc bằng trở kháng của đường dây tải Z0 và tụ điện C phải lớn hơn 100 pF. Nên sử dụng tụ gốm đa lớp 0,1UF. Tụ điện có chức năng chặn tần số thấp và chặn tần số cao, do đó điện trở R không phải là tải một chiều của nguồn động lực, do đó phương pháp kết cuối này không có bất kỳ công suất tiêu thụ điện một chiều nào. Nhiễu xuyên âm đề cập đến nhiễu điện áp không mong muốn trên các đường truyền lân cận do ghép điện từ khi tín hiệu truyền trên đường truyền. Khớp nối được chia thành khớp nối điện dung và khớp nối cảm ứng. Xuyên âm quá mức có thể gây ra kích hoạt sai mạch, dẫn đến hệ thống không hoạt động bình thường. Theo một số đặc điểm của nhiễu xuyên âm, có thể tóm tắt một số phương pháp chính để giảm nhiễu xuyên âm:
(1) Tăng khoảng cách dòng, giảm độ dài song song và sử dụng hệ thống dây điện nếu cần.
(2) Khi các đường tín hiệu tốc độ cao đáp ứng các điều kiện, việc bổ sung kết hợp đầu cuối có thể làm giảm hoặc loại bỏ phản xạ, do đó giảm nhiễu xuyên âm.
(3) Đối với đường truyền microstrip và đường truyền dải, nhiễu xuyên âm có thể được giảm thiểu đáng kể bằng cách giới hạn độ cao của các vết cao hơn phạm vi mặt đất.

(4) Trong điều kiện không gian đi dây cho phép, chèn một dây nối đất giữa hai đường dây có nhiễu xuyên âm nghiêm trọng, có thể đóng vai trò cách ly và giảm nhiễu xuyên âm.
Do thiếu hướng dẫn phân tích và mô phỏng tốc độ cao trong thiết kế bảng mạch PCB truyền thống, chất lượng của tín hiệu không thể được đảm bảo và hầu hết các vấn đề không thể được tìm thấy cho đến sau khi kiểm tra chế tạo tấm. Điều này làm giảm đáng kể hiệu quả thiết kế và tăng giá thành, điều này rõ ràng là bất lợi trong thị trường cạnh tranh khốc liệt. Vì vậy, đối với việc thiết kế bảng mạch PCB tốc độ cao, những người trong ngành đã đề xuất một ý tưởng thiết kế mới, nó đã trở thành một phương pháp thiết kế “từ trên xuống”. Sau khi phân tích và tối ưu hóa chính sách khác nhau, hầu hết các vấn đề có thể xảy ra đã được tránh và tiết kiệm được rất nhiều thời gian, đảm bảo đáp ứng ngân sách dự án, sản xuất bảng in chất lượng cao, tránh các lỗi thử nghiệm tẻ nhạt và tốn kém, v.v. để truyền tín hiệu kỹ thuật số là một biện pháp hữu hiệu để kiểm soát các yếu tố phá hủy tính toàn vẹn của tín hiệu trong các mạch kỹ thuật số tốc độ cao. Dòng vi sai trên bảng mạch in tương đương với cặp đường truyền tích hợp vi sóng vi sai làm việc ở chế độ gần như TEM, trong đó dòng vi sai nằm ở lớp trên cùng hoặc dưới cùng của bảng mạch PCB tương đương với dòng microstrip được ghép nối, mà nằm trên bảng mạch PCB nhiều lớp. Một đường khác biệt trên lớp bên trong, tương đương với một đường dải rộng được ghép nối. Khi tín hiệu kỹ thuật số được truyền trên đường vi sai, nó là một phương pháp truyền theo phương thức lẻ, tức là độ lệch pha giữa tín hiệu dương và tín hiệu âm là 180 °, và nhiễu được ghép trên một cặp đường vi sai chung. -cách thức. Điện áp hoặc dòng điện của mạch được trừ đi, do đó có thể thu được tín hiệu để loại bỏ nhiễu chế độ thông thường. Biên độ điện áp thấp hoặc đầu ra điều khiển theo dòng điện của cặp đường dây vi sai đáp ứng các yêu cầu của tích hợp tốc độ cao và tiêu thụ điện năng thấp.

6. Kết luận
Với sự phát triển không ngừng của công nghệ điện tử, bắt buộc phải hiểu lý thuyết về tính toàn vẹn của tín hiệu, sau đó hướng dẫn và xác minh thiết kế của bảng mạch PCB tốc độ cao. Một số kinh nghiệm được tổng hợp trong bài viết này có thể giúp các nhà thiết kế bảng mạch PCB tốc độ cao rút ngắn chu kỳ phát triển, tránh đi những đường vòng không cần thiết, tiết kiệm nhân lực và vật lực. Các nhà thiết kế phải tiếp tục nghiên cứu, tìm tòi trong thực tế công việc, tích lũy kinh nghiệm, kết hợp công nghệ mới để thiết kế ra bảng mạch PCB tốc độ cao với hiệu suất tuyệt vời.