Thông tin PCB - Thiết kế tính trường điều hoà có hệ thống bảng mạch PCB

Tên tiếng Trung là bảng mạch PCB, là một thành phần điện tử quan trọng, cơ quan hỗ trợ cho các linh kiện điện tử và là nhà cung cấp kết nối điện cho các linh kiện điện tử. Bởi vì nó được thực hiện bằng cách in điện tử, nó được gọi là bảng mạch "in". Người phát minh ra bảng mạch in là Paul Eisler người Áo, người vào năm 1936 đã sử dụng bảng mạch in trong một thiết bị radio. Vào năm 1943, người Mỹ đã sử dụng công nghệ này một cách rộng rãi trong các đài phát thanh quân sự. Năm 1948, Hoa Kỳ chính thức công nhận phát minh này để sử dụng cho mục đích thương mại. Công nghệ bảng mạch in chỉ mới được áp dụng rộng rãi từ giữa những năm 1950. Trước khi bảng mạch in ra đời, sự kết nối giữa các linh kiện điện tử được thực hiện bằng cách kết nối trực tiếp các dây dẫn. Giờ đây, bảng mạch chỉ tồn tại như những công cụ thí nghiệm hiệu quả; bảng mạch in đã thống trị ngành công nghiệp điện tử. Phân loại theo số lớp mạch: được chia thành bảng một mặt, hai mặt và nhiều lớp. Ván nhiều lớp thông thường thường là ván 4 lớp hoặc ván 6 lớp, ván nhiều lớp phức tạp có thể lên tới hơn mười lớp.

1. Có ba loại phân chia chính của bảng PCB:
1) Bảng điều khiển đơn
Bo mạch một mặt là một PCB cơ bản với các bộ phận tập trung ở một bên và dây ở phía bên kia. Bởi vì các dây chỉ xuất hiện ở một mặt, loại PCB này được gọi là một mặt. Bởi vì các bo mạch đơn có nhiều ràng buộc nghiêm ngặt trong việc thiết kế mạch, chỉ những mạch thời kỳ đầu mới sử dụng các loại bo mạch này.
2) Bảng điều khiển đôi
Bảng mạch hai mặt có hệ thống dây điện ở cả hai phía, nhưng để sử dụng dây điện ở cả hai phía thì giữa hai bên phải có kết nối mạch thích hợp. Những "cầu nối" như vậy giữa các mạch được gọi là vias. Vias là những lỗ nhỏ trên PCB, được lấp đầy hoặc sơn bằng kim loại, có thể được kết nối với dây ở cả hai bên. Bởi vì bảng hai mặt có diện tích gấp đôi so với bảng một mặt, và vì hệ thống dây điện có thể được đan xen, nên nó phù hợp với các mạch phức tạp hơn so với bảng một mặt.
3) Bảng nhiều lớp
Để tăng diện tích có thể đi dây, bảng nhiều lớp sử dụng nhiều bảng đấu dây một mặt hoặc hai mặt. Bảng mạch in có lớp trong hai mặt, hai lớp ngoài một mặt, hoặc hai lớp trong hai mặt và hai lớp ngoài một mặt, được xen kẽ với nhau bằng hệ thống định vị và các vật liệu liên kết cách điện, và các mẫu dẫn điện. Các bảng mạch in được liên kết với nhau theo yêu cầu thiết kế trở thành bảng mạch in bốn lớp và sáu lớp hay còn gọi là bảng mạch in nhiều lớp. Số lớp của bảng biểu thị một số lớp dây độc lập, thường thì số lớp là số chẵn và bao gồm hai lớp bên ngoài. Hầu hết các bo mạch chủ đều có cấu trúc từ 4 đến 8 lớp, nhưng về mặt kỹ thuật, có thể đạt được gần 100 lớp PCB. Hầu hết các siêu máy tính lớn sử dụng bo mạch chủ khá nhiều lớp, nhưng vì các máy tính như vậy có thể bị thay thế bởi các cụm của nhiều máy tính thông thường, các bo mạch siêu nhiều lớp đã dần không còn được sử dụng. Bởi vì các lớp trong PCB được kết hợp chặt chẽ với nhau, nhìn chung không dễ dàng để nhìn thấy con số thực tế, nhưng nếu bạn nhìn kỹ vào bo mạch chủ, bạn vẫn có thể thấy nó.

Theo phân loại mềm và cứng, nó được chia thành bảng mạch thông thường và bảng mạch linh hoạt. PCB là một nền tảng làm việc cho các thành phần mạch trong thiết bị điện tử. Nó cung cấp các kết nối điện giữa các thành phần mạch. Hiệu suất của nó liên quan trực tiếp đến chất lượng của thiết bị điện tử. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ vi điện tử và sự cải tiến tích hợp mạch, mật độ linh kiện trên bảng mạch PCB ngày càng cao, tốc độ làm việc của hệ thống ngày càng nhanh khiến cho việc thiết kế khả năng tương thích điện từ trên bảng mạch PCB ngày càng trở nên quan trọng. , trở thành mạch Chìa khóa cho sự hoạt động ổn định và bình thường của hệ thống.

2. EMI chung trong PCB
Có hai cách để giải quyết vấn đề tương thích điện từ trong thiết kế PCB: khử chủ động và bù thụ động. Vì lý do này, phải phân tích nguồn gây nhiễu và đường lan truyền của nhiễu điện từ. Nhiễu điện từ thường tồn tại trong thiết kế PCB bao gồm: nhiễu dẫn, nhiễu xuyên âm và nhiễu bức xạ.
2.1 Sự can thiệp được thực hiện
Nhiễu dẫn chủ yếu ảnh hưởng đến các mạch khác thông qua ghép dây và ghép trở kháng chế độ chung. Ví dụ, nếu tiếng ồn xâm nhập vào một hệ thống thông qua một mạch cung cấp điện, tất cả các mạch sử dụng nguồn điện sẽ bị ảnh hưởng. Hình 1 cho thấy rằng nhiễu được kết hợp thông qua trở kháng chế độ chung. Đoạn mạch 1 và đoạn mạch 2 mắc chung một dây dẫn để lấy hiệu điện thế nguồn điện và nối đất. Nếu điện áp mạch 1 tăng đột ngột thì điện áp mạch 2 phải do bộ nguồn chung và Tổng trở giữa hai đầu mạch giảm.
2.2 Nhiễu xuyên âm
Nhiễu xuyên âm là khi một đường tín hiệu giao thoa với một đường tín hiệu liền kề khác. Nó thường xảy ra trên các mạch và vật dẫn lân cận, và được đặc trưng bởi điện dung lẫn nhau và độ tự cảm lẫn nhau của mạch và vật dẫn. Ví dụ, một đường dải trên PCB mang tín hiệu mức thấp và khi chiều dài của dây song song vượt quá 10cm, nhiễu xuyên âm sẽ xảy ra. Vì hiện tượng xuyên âm có thể được gây ra bởi điện dung lẫn nhau của điện trường và độ tự cảm lẫn nhau của từ trường, nên khi xem xét vấn đề xuyên âm trên đường dải PCB, vấn đề chính là xác định xem ghép nối giữa trường điện và từ trường nào. nhân tố chính.
2.3 Giao thoa bức xạ
Giao thoa bức xạ là sự giao thoa do bức xạ của sóng điện từ không gian gây ra. Nhiễu bức xạ trong PCB chủ yếu là nhiễu bức xạ dòng điện phổ biến giữa cáp và các vết bên trong. Sự cố ghép trường-dòng xảy ra khi các sóng điện từ được bức xạ vào một đường truyền. Các nguồn điện áp nhỏ phân tán dọc theo đường dây có thể được phân tách thành các thành phần chế độ chung và chế độ vi sai. Dòng điện phương thức chung dùng để chỉ dòng điện trên hai dây có sự chênh lệch biên độ nhỏ nhưng cùng pha, trong khi dòng điện phương thức chung dùng để chỉ dòng điện trên hai dây có cùng biên độ và ngược pha.

3. Thiết kế tương thích điện từ của PCB
Với mật độ ngày càng tăng của các linh kiện và mạch điện tử trên bảng mạch PCB, để cải thiện độ tin cậy và ổn định của hệ thống, các biện pháp tương ứng phải được thực hiện để làm cho thiết kế của bảng PCB đáp ứng các yêu cầu về tương thích điện từ và cải thiện khả năng chống hiệu suất giao thoa của hệ thống.

3.1 Lựa chọn bảng mạch PCB
Trong thiết kế bo mạch PCB, nhiễu xuyên âm xảy ra giữa các tín hiệu trên đường truyền liền kề do sự ghép nối lẫn nhau của các trường điện từ. Do đó, khi thiết kế khả năng tương thích điện từ của PCB, trước tiên hãy xem xét kích thước của PCB. Kích thước của PCB quá lớn, dòng in quá dài, trở kháng Tất yếu sẽ tăng, khả năng chống nhiễu giảm, giá thành cũng tăng lên; nếu kích thước PCB quá nhỏ, nhiễu xuyên âm dễ xảy ra giữa các đường truyền gần nhau và hiệu suất tản nhiệt không tốt. Số lượng lớp của bảng mạch PCB được xác định dựa trên các yếu tố toàn diện của nguồn điện, loại đất, mật độ của các đường tín hiệu, tần số tín hiệu, số lượng tín hiệu cần thiết cho hệ thống dây điện đặc biệt, các yếu tố xung quanh và chi phí và giá cả. Để đáp ứng các yêu cầu khắt khe của EMC và xem xét chi phí sản xuất, việc tăng mặt phẳng nền một cách thích hợp là một trong những phương pháp thiết kế PCB EMC. Đối với lớp cấp nguồn, việc phân chia lớp điện bên trong nói chung có thể đáp ứng nhu cầu của nhiều nguồn cấp, nhưng nếu cần nhiều nguồn cấp và được xếp xen kẽ thì phải xem xét hai hoặc nhiều lớp mặt phẳng cấp nguồn. Đối với lớp tín hiệu, ngoài việc xem xét mật độ định tuyến của các đường tín hiệu, theo quan điểm của EMC, còn phải xem xét đến khả năng che chắn hoặc cách ly của các tín hiệu chính, để từ đó xác định xem có nên tăng số lượng lớp tương ứng hay không.

3.2 Thiết kế bố trí PCB
Bố trí của PCB thường phải tuân theo các nguyên tắc sau:
(1) Cố gắng rút ngắn kết nối giữa các thành phần tần số cao và giảm các tham số phân phối của chúng và nhiễu điện từ lẫn nhau. Các thành phần dễ bị xáo trộn không nên quá gần nhau, đầu vào và đầu ra nên được đặt càng xa càng tốt.
(2) Có thể có điện áp cao giữa một số linh kiện hoặc dây dẫn và khoảng cách giữa chúng nên được tăng lên để tránh tình trạng đoản mạch do phóng điện.
(3) Máy tỏa nhiệt lớn nên chừa khoảng trống cho tản nhiệt, hoặc lắp cả tấm dưới cùng của cả máy để dễ tản nhiệt. Các yếu tố nhiệt nên được tránh xa các bộ phận phát nhiệt.
(4) Sắp xếp vị trí của từng khối chức năng theo luồng mạch, sao cho bố trí thuận tiện cho việc lưu thông tín hiệu, tín hiệu giữ nguyên hướng nhất có thể.
(5) Lấy thành phần của mỗi mô-đun chức năng làm trung tâm, và bố trí xung quanh nó để giảm thiểu và rút ngắn chiều dài dây dẫn và kết nối giữa các thành phần.
(6) Xem xét toàn diện các thông số phân phối giữa các thành phần. Sắp xếp các thành phần càng song song càng tốt, điều này không chỉ có lợi cho việc tăng cường khả năng chống nhiễu mà còn có hình thức đẹp và dễ sản xuất hàng loạt.

3.3 Thiết kế bố trí của các thành phần
So với các linh kiện rời, linh kiện mạch tích hợp có ưu điểm là niêm phong tốt, ít mối nối hàn hơn và tỷ lệ hỏng hóc thấp nên được ưa chuộng hơn. Đồng thời, việc chọn thiết bị có độ dốc tín hiệu chậm hơn có thể làm giảm các thành phần tần số cao do tín hiệu tạo ra. Việc sử dụng đầy đủ các thành phần SMD có thể rút ngắn chiều dài kết nối, giảm trở kháng và cải thiện khả năng tương thích điện từ. Khi sắp xếp các thành phần, trước hết hãy nhóm chúng theo một quy cách nhất định, gộp chung vào cùng một nhóm và sắp xếp riêng các thành phần không tương thích để đảm bảo các thành phần không gây nhiễu lẫn nhau trong không gian. Ngoài ra, các thành phần nặng cần được cố định bằng giá đỡ.

3.4 Thiết kế dây của bảng mạch PCB
Nguyên tắc chung của thiết kế bố trí PCB là trước tiên bố trí xung nhịp và các đường tín hiệu nhạy cảm, sau đó sắp xếp các đường tín hiệu tốc độ cao và các đường tín hiệu không quan trọng. Khi đấu dây, theo nguyên tắc chung, cần xem xét các chi tiết sau:
(1) Trong hệ thống dây nhiều lớp của bảng mạch, cấu trúc mạng hình "giếng" được sử dụng giữa các lớp liền kề;
(2) Giảm độ uốn của dây và tránh thay đổi đột ngột chiều rộng dây. Để ngăn ngừa sự thay đổi trở kháng đặc tính, các góc của đường tín hiệu nên được thiết kế thành vòng cung hoặc nối với đường đứt 45 độ;
(3) Khoảng cách giữa các dây dẫn bên ngoài hoặc các thành phần của bảng PCB không nhỏ hơn 2mm tính từ mép của bảng in, điều này không chỉ ngăn cản trở kháng đặc trưng thay đổi mà còn tạo điều kiện cho việc kẹp PCB;
(4) Đối với các thiết bị phải đặt một diện tích lớn lá đồng, chúng phải có dạng lưới và được nối với đất thông qua các vias;
(5) Dây mỏng và ngắn có thể triệt nhiễu hiệu quả, nhưng chiều rộng dây quá nhỏ sẽ làm tăng điện trở của dây. Chiều rộng của dây phụ thuộc vào dòng điện đi qua dây. Nói chung, đối với đồng có độ dày 0,05mm và chiều rộng 1mm, dòng tải cho phép của lá là 1A. Đối với các mạch tích hợp kỹ thuật số công suất thấp, có thể chọn độ rộng đường từ 0,2-0,5mm. Trong cùng một PCB, chiều rộng của đường nối đất và đường dây điện phải lớn hơn chiều rộng của đường tín hiệu.

3.5 Thiết kế đường dây điện của bảng mạch PCB
(1) Theo kích thước của dòng điện PCB của bảng in, cố gắng làm dày chiều rộng của đường dây điện và đường dây nối đất để giảm điện trở vòng lặp. Đồng thời, làm cho hướng của đường dây điện và đường dây nối đất phù hợp với hướng truyền dữ liệu, giúp tăng cường khả năng chống nhiễu. .
(2) Cố gắng sử dụng các thành phần SMD, rút ngắn độ dài của các chân, giảm diện tích của vòng cung cấp điện tụ điện tách và giảm ảnh hưởng của điện cảm phân bố của các thành phần.
(3) Thêm bộ lọc nguồn vào đầu trước của máy biến áp nguồn để khử nhiễu phương thức chung và nhiễu phương thức vi sai, đồng thời cô lập nhiễu của nhiễu xung bên ngoài và bên trong.
(4) Các tụ lọc và tụ tách nên được thêm vào đường cấp nguồn của bảng mạch in. Thêm một tụ điện công suất lớn vào đầu vào nguồn của bo mạch để lọc tần số thấp, sau đó kết nối song song một tụ gốm công suất nhỏ để lọc tần số cao.
(5) Không chồng chéo nguồn điện tương tự và nguồn điện kỹ thuật số để tránh ghép điện dung và nhiễu lẫn nhau.

3.6 Thiết kế dây nối đất của bảng PCB
(1) Để giảm nhiễu vòng nối đất, cần phải tìm cách loại bỏ sự hình thành của dòng điện vòng. Cụ thể, một biến áp cách ly, cách ly optocoupler, v.v. có thể được sử dụng để cắt sự hình thành của dòng điện vòng nối đất, hoặc một mạch cân bằng có thể được sử dụng để loại bỏ dòng điện vòng.
(2) Để loại bỏ sự ghép nối của trở kháng chung, phải giảm trở kháng của dây nối đất chung, nên làm dày dây hoặc đặt đồng trên dây nối đất; mặt khác, có thể tránh được nhiễu lẫn nhau bằng các phương pháp nối đất thích hợp, chẳng hạn như nối đất một điểm song song, nối đất một điểm nối tiếp loại bỏ hoàn toàn trở kháng chung.
(3) Để loại bỏ sự giao thoa của thiết bị kỹ thuật số với thiết bị tương tự, mặt đất kỹ thuật số và mặt đất tương tự nên được tách biệt, và mặt đất tương tự và mặt đất kỹ thuật số nên được đặt riêng biệt. Các mạch cao tần hầu hết được nối đất nối tiếp. Dây nối đất phải ngắn và dày, và xung quanh các thành phần tần số cao phải được che chắn bằng một vùng đồng lớn giống như lưới.

3.7 Cách bố trí mạch dao động tinh thể trên bảng mạch PCB
Tần số của mạch dao động tinh thể cao, làm cho nó trở thành một nguồn nhiễu quan trọng trong hệ thống. Về cách bố trí của mạch dao động tinh thể, có những lưu ý sau:
(1) Mạch dao động tinh thể càng gần khối tích hợp càng tốt và tất cả các đường in nối các đầu vào / ra của bộ dao động tinh thể càng ngắn càng tốt để giảm ảnh hưởng của nhiễu nhiễu và điện dung phân bố trên tinh thể. bộ dao động.
(2) Dây nối đất của tụ dao động tinh thể phải được kết nối với thiết bị bằng dây in rộng và ngắn nhất có thể; các chân nối đất kỹ thuật số gần với bộ dao động tinh thể nên giảm thiểu số lượng vias.
(3) Vỏ pha lê được nối đất.

3.8 Thiết kế bảo vệ tĩnh điện của bo mạch PCB
Phóng tĩnh điện được đặc trưng bởi điện thế cao, điện tích thấp, dòng điện cao và thời gian ngắn. Khả năng bảo vệ tĩnh điện của thiết kế PCB có thể được xem xét từ các khía cạnh sau:
(1) Cố gắng chọn các linh kiện có độ chống tĩnh điện cao, và các linh kiện nhạy cảm có khả năng chống tĩnh điện kém nên để xa các nguồn phóng tĩnh điện. Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng khoảng cách đánh thủng của mỗi kilovolt điện áp tĩnh điện là khoảng 1mm, vì vậy nếu các linh kiện được giữ ở khoảng cách 16mm so với nguồn phóng tĩnh điện thì có thể chống lại điện áp tĩnh điện khoảng 16KV;
(2) Đảm bảo rằng tín hiệu trở lại có đường dẫn ngắn, và bổ sung có chọn lọc các tụ lọc và tụ tách để cải thiện khả năng miễn nhiễm phóng tĩnh điện của đường tín hiệu;
(3) Sử dụng các thiết bị bảo vệ như điốt triệt tiêu quá độ điện áp để bảo vệ mạch điện;
(4) Nhân viên có liên quan phải đeo dây đeo tay tĩnh điện khi chạm vào PCB để tránh thiệt hại do tích tụ tĩnh điện gây ra bởi sự di chuyển của điện tích của con người.

4. Kết luận
Thiết kế tương thích điện từ PCB là giảm bức xạ điện từ bên ngoài và cải thiện khả năng chống nhiễu điện từ. Cách bố trí và đi dây hợp lý là điểm mấu chốt của thiết kế. Các phương pháp và kỹ thuật khác nhau được mô tả trong bài viết này có lợi để cải thiện các đặc tính EMC của PCB tốc độ cao. Tất nhiên, đây chỉ là một phần của thiết kế EMC. Tiếng ồn phản xạ, tiếng ồn phát xạ bức xạ và các vấn đề công nghệ quy trình khác thường được xem xét. Sự can thiệp. Trong thiết kế thực tế, các biện pháp chống nhiễu điện từ hợp lý cần được áp dụng theo các yêu cầu mục tiêu thiết kế và điều kiện thiết kế, và cần xem xét toàn diện để thiết kế các bảng mạch PCB có hiệu suất EMC tốt.