Thông tin PCB - Thiết kế bảng điều khiển tần số cao đặc biệt

Lý do tại sao thiết kế bảng mạch PCB đặt ra yêu cầu cao hơn là với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp điện tử hiện đại, các mạch kỹ thuật số và tần số cao đang phát triển theo hướng tốc độ cao, tiêu thụ thấp, kích thước nhỏ và chống nhiễu cao. Hệ thống thiết kế Protel 99SE sử dụng đầy đủ các ưu điểm của nền tảng Windows XP và Windows2000, và môi trường thiết kế siêu mạnh cho mô-đun bo mạch PCB cho phép công việc thiết kế đạt được các yêu cầu thiết kế một cách hiệu quả hơn. Đối với các nhà thiết kế tham gia vào các mạch tần số cao, không còn là yêu cầu đơn giản về tốc độ định tuyến của bảng mạch PCB, mà đòi hỏi người thiết kế phải có kiến thức lý thuyết vững chắc và kinh nghiệm phong phú về thiết kế bảng mạch PCB dựa trên các đặc tính làm việc của mạch. Và môi trường làm việc thực tế và các khía cạnh khác để xem xét thiết kế của nó, chỉ bằng cách này, chúng ta mới có thể tạo ra một bảng mạch PCB lý tưởng. Bài viết này hướng đến cách bố trí và đấu dây của mạch cao tần trong quá trình thiết kế bảng mạch PCB, lấy phần mềm Protel 99SE làm ví dụ, để thảo luận về các biện pháp đối phó và kỹ năng thiết kế mạch cao tần trong quá trình thiết kế bảng mạch PCB.

Bố trí bảng mạch PCB tần số cao
Thao tác bố trí là rất quan trọng trong toàn bộ thiết kế bảng mạch PCB. Bố cục là cơ sở của hoạt động nối dây. Để đạt được một bố cục thành phần hoàn hảo, người thiết kế cần suy nghĩ về cách bố trí các thành phần từ quan điểm của các đặc tính làm việc của mạch và định tuyến. Protel 99SE có chức năng bố trí tự động và có hai chức năng phân cụm và bố trí thống kê, tuy nhiên nó không thể đáp ứng đầy đủ yêu cầu làm việc của mạch cao tần. Các nhà thiết kế cũng cần xem xét khả năng sản xuất, cấu trúc cơ học, tản nhiệt, EMI của PCB (Nhiễu điện từ), độ tin cậy, tính toàn vẹn của tín hiệu và các khía cạnh khác của bố cục được xem xét một cách toàn diện. Chỉ bằng cách này, tuổi thọ, độ ổn định, EMC (khả năng tương thích điện từ) của bảng mạch PCB mới có thể được cải thiện một cách hiệu quả và bố cục có thể hoàn hảo hơn. Đối với cách bố trí mạch cao tần, trước tiên người thiết kế nên xem xét cách bố trí các thành phần phù hợp chặt chẽ với cấu trúc và cố định ở vị trí (như ổ cắm điện, đèn báo, đầu nối và công tắc, v.v.), sau đó bố trí các linh kiện đặc biệt trên mạch. (chẳng hạn như các bộ phận làm nóng, máy biến áp, chip, v.v.), và bố trí một số thiết bị nhỏ. Đồng thời, phải tính đến các yêu cầu của hệ thống dây điện, vị trí của các thành phần tần số cao phải càng nhỏ gọn càng tốt, và hệ thống dây dẫn của các đường tín hiệu phải càng ngắn càng tốt, để giảm nhiễu chéo của đường tín hiệu càng nhiều càng tốt.

1. Cơ cấu cơ khí
Ổ cắm điện, đèn báo, giắc cắm và công tắc đều thuộc loại linh kiện này, đều là phích cắm định vị liên quan đến kích thước cơ học. Thông thường, giao diện giữa nguồn điện và bảng mạch PCB được đặt ở cạnh của bảng PCB, và khoảng cách từ mép của bảng PCB nói chung không nhỏ hơn 2mm; đi-ốt phát quang chỉ thị nên được đặt chính xác khi cần thiết; công tắc và một số linh kiện tinh chỉnh, chẳng hạn như Cuộn cảm điều chỉnh, điện trở điều chỉnh,… nên được đặt sát mép bảng mạch PCB để dễ dàng điều chỉnh và kết nối; các linh kiện cần thay thế thường xuyên phải được đặt ở vị trí ít linh kiện hơn để dễ dàng thay thế. Các thành phần có khối lượng vượt quá 15g nên được cố định bằng giá đỡ, và các thành phần lớn và nặng không được đặt trực tiếp lên PCB.

2. Tản nhiệt
Các ống công suất lớn, máy biến áp, ống chỉnh lưu và các thiết bị đốt nóng khác sinh ra nhiều nhiệt khi làm việc ở tần số cao. Hệ thống thông gió và tản nhiệt cần được xem xét đầy đủ trong cách bố trí. Các thành phần như vậy nên được đặt trên các cạnh của bảng mạch PCB hoặc ở nơi thông gió. Bộ phận làm nóng nên được đặt ở phần trên của bảng, và bộ phận làm nóng không được đặt ở lớp dưới cùng của bảng hai mặt. 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 sợ nóng như tụ điện cũng nên để xa các thiết bị 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.

3. Bố cục của các thành phần đặc biệt
Do từ trường rò rỉ 50Hz được tạo ra bên trong thiết bị cung cấp điện, khi nó được kết nối chéo với một số bộ phận của bộ khuếch đại tần số thấp, nó sẽ gây nhiễu cho bộ khuếch đại tần số thấp. Vì vậy, chúng phải được cách ly hoặc che chắn. Tất cả các mức của bộ khuếch đại có thể được sắp xếp trên một đường thẳng theo sơ đồ mạch. Ưu điểm của cách bố trí này là dòng điện chạm đất của mỗi cấp được đóng và chảy ở cấp này, không ảnh hưởng đến sự làm việc của các mạch khác. Giai đoạn đầu vào và đầu ra nên càng xa càng tốt để giảm nhiễu ghép ký sinh giữa chúng. Xét mối quan hệ truyền tín hiệu giữa các mạch chức năng của từng tổ máy, nên tách riêng mạch tần số thấp và mạch tần số cao, đồng thời nên tách riêng mạch tương tự và mạch số. Mạch tích hợp nên được đặt ở trung tâm của bảng mạch PCB, để tạo điều kiện thuận lợi cho việc kết nối dây giữa mỗi chân và các thiết bị khác. Các thiết bị như cuộn cảm và máy biến áp có khớp nối từ tính và nên được đặt trực giao với nhau để giảm hiện tượng ghép từ tính. Ngoài ra, chúng đều có từ trường mạnh, xung quanh chúng cần có không gian rộng rãi thích hợp hoặc tấm chắn từ trường để giảm ảnh hưởng đến các mạch điện khác.

4. Nhiễu điện từ
Các phương pháp thường được sử dụng của chúng tôi để loại bỏ nhiễu điện từ bao gồm giảm vòng lặp, lọc, che chắn, giảm tốc độ của thiết bị tần số cao càng nhiều càng tốt và tăng hằng số điện môi của bảng mạch PCB. Ví dụ, các tụ điện tách rời của mạch tích hợp nên được đặt càng gần càng tốt. Nói chung, tụ điện 0,1uF được sử dụng cho tần số hoạt động dưới 10MHz và tụ điện 0,01uF được sử dụng cho tần số hoạt động trên 10MHz. Có sự chênh lệch tiềm năng cao giữa một số thành phần hoặc dây dẫn và khoảng cách nên được tăng lên để tránh phóng điện. Các thành phần có điện áp cao nên được bố trí ở những nơi không dễ dàng tiếp cận bằng tay trong quá trình gỡ lỗi. Các thành phần dễ gây nhiễu cho nhau không nên quá gần và các thành phần đầu vào và đầu ra càng xa càng tốt để tránh nhiễu phản hồi. Để giảm thông số phân bố của các linh kiện tần số cao, các mạch tổng hợp (mạch tần số thấp) đặt gần đó (bố trí không đều) cần được bố trí theo quy tắc, thuận tiện cho việc lắp đặt và hàn.

Dây bảng mạch PCB tần số cao
Các mạch tần số cao có xu hướng tích hợp cao và mật độ dây cao. Việc sử dụng bảng nhiều lớp không chỉ cần thiết cho hệ thống dây điện mà còn là một phương tiện hữu hiệu để giảm nhiễu. Hệ thống bảng mạch PCB của Protel 99SE có thể cung cấp 32 lớp tín hiệu, 16 lớp cơ học và lớp mặt nạ hàn, lớp dán hàn và hơn 70 lớp làm việc cho người dùng lựa chọn. Lựa chọn hợp lý số lượng lớp có thể làm giảm đáng kể kích thước của bảng PCB, có thể tận dụng đầy đủ lớp giữa để đặt lá chắn, có thể đạt được tiếp đất gần nhất tốt hơn, có thể giảm hiệu quả điện cảm ký sinh, có thể rút ngắn hiệu quả chiều dài truyền dẫn của tín hiệu và giảm đáng kể nhiễu giữa các tín hiệu. nhiễu chéo, vv Tất cả những điều này đều có lợi cho độ tin cậy của mạch tần số cao. Một số dữ liệu cho thấy tiếng ồn của ván bốn lớp thấp hơn 20dB so với ván hai mặt khi sử dụng cùng một loại vật liệu, nhưng số lớp càng nhiều thì quy trình sản xuất càng phức tạp và giá thành càng cao.

1. Nguyên tắc chung của hệ thống dây điện
Dây giữa các chân của thiết bị mạch cao tần phải càng ngắn càng tốt, càng ít uốn cong càng tốt. Tất cả các dây đều phải thẳng, và càng tránh tối đa các đoạn uốn cong và góc sắc nhọn. Các đường rẽ là bắt buộc và phải sử dụng các đường vòng cung hoặc đường đứt đoạn để chuyển tiếp. Yêu cầu này chỉ được sử dụng để cải thiện độ bền cố định của lá thép trong mạch tần số thấp, nhưng đáp ứng yêu cầu này trong mạch tần số cao có thể làm giảm phát xạ bên ngoài và sự ghép nối lẫn nhau của tín hiệu tần số cao. Trong hệ thống dây điện của mạch tần số cao, đấu dây ngang và dọc được thực hiện luân phiên trên các lớp liền kề. Không thể tránh được việc đi dây song song trong cùng một lớp, nhưng một phần lớn dây nối đất có thể được đặt ở mặt sau của PCB để giảm nhiễu. Đối với bảng hai mặt thường được sử dụng, nhiều Lớp có thể sử dụng một mặt phẳng điện can thiệp để thực hiện việc này.

2. Nguồn và dây nối đất
Để tránh nhiễu điện trở đất do dòng điện cục bộ gây ra trong mạch nhiều cấp, các mạch ở tất cả các cấp phải được nối đất tại một điểm (hoặc càng tập trung càng tốt). Khi mạch tần số cao trên 30 MHz thì cũng nên nối đất một vùng A diện tích nhỏ. Các thiết bị và dây dẫn dễ bị nhiễu có thể được bao quanh bởi dây nối đất. Các dấu vết tín hiệu khác nhau không thể tạo thành vòng lặp và dây nối đất không thể tạo thành vòng lặp hiện tại. Dây nguồn và dây nối đất nên gần nhau để hạn chế tối đa vùng kín giảm nhiễu điện từ. Nói chung, khi đi dây, chiều rộng dây từ 12-80mil, dây nguồn thường là 20mil-40mil, và dây nối đất nói chung là hơn 40mil. Nếu có thể, dây càng rộng càng tốt. Khi dây nối đất tương tự, dây nối đất kỹ thuật số, v.v. được kết nối với dây nối đất công cộng, một liên kết cuộn cảm tần số cao sẽ được sử dụng. Trong lắp ráp thực tế của liên kết cuộn cảm tần số cao, một hạt ferit tần số cao với dây ở lỗ trung tâm thường được sử dụng. Nó thường không được thể hiện trên sơ đồ mạch và bảng mạng kết quả không chứa các thành phần như vậy và sự tồn tại của nó sẽ bị bỏ qua trong quá trình đấu dây. Theo quan điểm của thực tế này, nó có thể được coi như một cuộn cảm trong sơ đồ giản đồ. Xác định gói thành phần riêng biệt cho nó trong thư viện thành phần PCB và di chuyển thủ công đến vị trí thích hợp gần với điểm nối đất chung trước khi đấu dây.

3. Đấu dây của chip tích hợp
Một tụ điện tách tần số cao nên được đặt gần mỗi khối mạch tích hợp. Vì phần mềm Protel 99SE không xem xét mối quan hệ vị trí giữa tụ điện tách rời và mạch tích hợp đã tách rời khi đặt các linh kiện tự động, nên hãy để phần mềm đặt nó sao cho khoảng cách giữa hai tụ điện quá xa thì hiệu quả tách rời sẽ không tốt. . Lúc này, phải can thiệp trước vị trí của cả hai bằng cách di chuyển thủ công các linh kiện để chúng gần nhau.

4. Lớp phủ đồng
Mục đích chính của việc phủ đồng là nâng cao khả năng chống nhiễu của mạch, đồng thời rất có lợi cho quá trình tản nhiệt của bảng mạch PCB và độ bền của bảng mạch PCB. Lớp phủ đồng cũng có thể đóng vai trò che chắn. Tuy nhiên, không thể sử dụng lá đồng dải có diện tích lớn, bởi vì khi bảng mạch PCB được sử dụng quá lâu, một lượng nhiệt lớn sẽ được tạo ra, và lá đồng dải dễ bị giãn nở và rơi ra. Lá đồng, và nối lưới điện với mạng tiếp đất của mạch điện, như vậy lưới điện sẽ có tác dụng che chắn tốt hơn. Kích thước của lưới được xác định bởi tần số nhiễu cần được che chắn.

5. Kết luận
Quá trình thiết kế bảng mạch cao tần PCB là một quá trình phức tạp. Ngoài các chiến lược thiết kế đã thảo luận ở trên, nó cũng bao gồm tính toàn vẹn của tín hiệu, bao gồm cả nhiễu xuyên âm và cách khử nhiễu. Vì vậy, các nhà thiết kế cần phải có một kế hoạch tổng thể khi thiết kế Với việc cân nhắc, các phương pháp và kỹ thuật khác nhau được sử dụng ở mỗi giai đoạn của chu kỳ thiết kế để đảm bảo độ chính xác của thiết kế, để thiết kế một bảng mạch PCB tần số cao hợp lý với hiệu suất tuyệt vời.