Thông tin PCB - Cách thiết kế bảng mạch PCB tốc độ cao với phần mềm protel

Để tiếp tục nâng cao hiểu biết của mọi người về phần mềm thiết kế bảng mạch PCB, bài viết này sẽ giới thiệu cách thiết kế bảng mạch PCB tốc độ cao dựa trên phần mềm thiết kế mạch protel. Ý nghĩa của phần mềm thiết kế mạch là thiết kế mạch. Nếu không có phần mềm thiết kế mạch, thiết kế mạch sẽ trở nên rất rắc rối. Bài viết này sẽ giải thích cách thiết kế bảng mạch PCB tốc độ cao dựa trên phần mềm thiết kế mạch protel.

1. Câu hỏi

Trong thiết kế mạch tốc độ cao, điện cảm và điện dung trên bảng mạch có thể làm cho dây điện tương đương với đường truyền. Vị trí không chính xác của các thành phần đầu cuối hoặc định tuyến không chính xác của tín hiệu tốc độ cao có thể gây ra các vấn đề về hiệu ứng đường truyền dẫn, dẫn đến dữ liệu đầu ra của hệ thống không chính xác, hoạt động mạch không chính xác hoặc thậm chí không hoạt động ở tất cả. Dựa trên mô hình đường truyền, người ta có thể kết luận rằng đường truyền sẽ gây ra các tác động bất lợi như phản xạ tín hiệu, nhiễu xuyên âm, nhiễu điện từ, nguồn điện và tiếng ồn mặt đất cho thiết kế mạch. Để thiết kế bảng 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 dây, rút ngắn chu kỳ phát triển sản phẩm và cải thiện khả năng cạnh tranh trên thị trường. Một số nguyên tắc liên quan đến bố trí và hệ thống dây điện cần được chú ý trong quá trình thực hiện thiết kế bảng mạch in tốc độ cao với phần mềm thiết kế PROTEL đã được thảo luận và một số công nghệ bố trí và hệ thống dây điện mạch tốc độ cao thực tế và đã được chứng minh để cải thiện bảng mạch tốc độ cao đã được cung cấp. Độ tin cậy và hiệu quả của thiết kế. Kết quả cho thấy thiết kế rút ngắn chu kỳ phát triển sản phẩm và tăng khả năng cạnh tranh trên thị trường.

2. Thiết kế bố trí hệ thống tần số cao

Trong thiết kế mạch của bảng mạch PCB, bố trí là một liên kết quan trọng. 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, tốn thời gian và khó khăn trong toàn bộ thiết kế bảng mạch in. Môi trường phức tạp của bảng mạch PCB tần số cao làm cho thiết kế bố cục của các hệ thống tần số cao khó sử dụng kiến thức lý thuyết đã học. Yêu cầu nhân viên bố trí phải có kinh nghiệm làm bảng PCB tốc độ cao phong phú, tránh đi bộ trong quá trình thiết kế. Đường vòng, cải thiện độ tin cậy và hiệu quả của công việc mạch. Trong quá trình bố trí, nên xem xét toàn diện cấu trúc cơ học, tản nhiệt, nhiễu điện từ, sự tiện lợi và thẩm mỹ của hệ thống dây điện trong tương lai. Đầu tiên, phân chia chức năng của toàn bộ mạch trước khi bố trí, tách mạch tần số cao khỏi mạch tần số thấp và mạch analog khỏi mạch kỹ thuật số. Tránh sự chậm trễ truyền dẫn do dây dẫn dài và cải thiện hiệu quả tách rời của tụ điện. Ngoài ra, hãy chú ý đến vị trí và hướng tương đối của chân và các thành phần mạch và các ống khác để giảm ảnh hưởng lẫn nhau. Tất cả các bộ phận tần số cao nên tránh xa khung máy và các tấm kim loại khác để giảm khớp nối ký sinh. Thứ hai, cần chú ý đến hiệu ứng nhiệt và điện từ giữa các yếu tố khi bố trí. Những tác động này đặc biệt nghiêm trọng đối với các hệ thống tần số cao và cần thực hiện các bước để giữ chúng tránh xa hoặc cách ly, tản nhiệt và che chắn. Ống chỉnh lưu công suất cao và ống điều chỉnh nên được trang bị tản nhiệt và nên tránh xa máy biến áp. Các bộ phận chịu nhiệt như tụ điện điện phân nên tránh xa các bộ phận làm nóng, nếu không, chất điện phân sẽ khô, dẫn đến tăng điện trở, hiệu suất kém và ảnh hưởng đến sự ổn định của mạch. Cần có đủ không gian trong bố cục để sắp xếp các cấu trúc bảo vệ và ngăn chặn sự ra đời của các khớp nối ký sinh khác nhau. Để ngăn chặn khớp nối điện từ giữa các cuộn dây trên bảng mạch in, cả hai cuộn dây nên được đặt ở góc phải để giảm hệ số khớp nối. Bạn cũng có thể sử dụng phương pháp cô lập bảng đứng. Hàn trực tiếp trên mạch bằng cách sử dụng dây dẫn của các phần tử của nó. Lợi thế dẫn đầu càng ngắn càng tốt. Không sử dụng đầu nối và pad vì có điện dung phân phối và cảm ứng phân phối giữa các pad liền kề. Tránh đặt các thành phần tiếng ồn cao xung quanh dấu vết tín hiệu dao động tinh thể, RIN, điện áp tương tự và điện áp tham chiếu. Trong khi đảm bảo chất lượng và độ tin cậy vốn có, xem xét vẻ đẹp tổng thể và lập kế hoạch hợp lý cho bảng mạch, các thành phần phải song song hoặc dọc với bề mặt bảng, song song hoặc dọc với cạnh của bo mạch chủ. Các thành phần trên bề mặt của tấm nên được phân bố càng đồng đều càng tốt và mật độ phải giống nhau. Điều này không chỉ đẹp mà còn dễ lắp đặt và hàn, dễ sản xuất hàng loạt.

3. Hệ thống dây điện tần số cao

Trong mạch tần số cao, các thông số phân phối của điện trở, điện dung, cảm ứng và tương cảm của dây kết nối không thể bỏ qua. Từ quan điểm chống nhiễu, hệ thống dây điện hợp lý là để giảm thiểu điện trở đường dây, điện dung phân phối và cảm biến đi lạc trong mạch, Từ trường đi lạc kết quả được giảm đến một mức độ nào đó, do đó ức chế điện dung phân phối, thông lượng rò rỉ, tương tác điện từ và các nhiễu khác do nhiễu mạch gây ra. Việc sử dụng các công cụ thiết kế Protel khá phổ biến ở Trung Quốc. Tuy nhiên, nhiều nhà thiết kế chỉ tập trung vào "tỷ lệ vượt qua" và không sử dụng các cải tiến được thực hiện cho các công cụ thiết kế PROTEL để thích ứng với những thay đổi trong các đặc tính của thiết bị, điều này không chỉ làm lãng phí tài nguyên công cụ thiết kế nghiêm trọng, khiến hiệu suất vượt trội của nhiều thiết bị mới khó thực hiện. Dưới đây là một số tính năng đặc biệt mà công cụ Protel99 SE có thể cung cấp.

1) Ít dây dẫn uốn cong giữa các chân của thiết bị mạch HF càng tốt. Sử dụng một đường thẳng hoàn chỉnh. Khi cần uốn cong, nó có thể được uốn cong với đường cong 45 ° hoặc vòng cung tròn, điều này có thể làm giảm phát xạ bên ngoài và khớp nối lẫn nhau của tín hiệu tần số cao. Chọn "45 degrees" hoặc "Rounded Corners" trong "Rules" của menu Design khi sử dụng cáp PROTEL. Bạn cũng có thể sử dụng Shift+Space Bar để nhanh chóng chuyển đổi giữa các hàng.

2) Dây dẫn ngắn hơn giữa các chân của thiết bị mạch tần số cao càng tốt. Cách hiệu quả để Protel 99 đáp ứng dây ngắn là dành riêng dây cho một mạng tốc độ cao quan trọng duy nhất trước khi tự động. Chọn ngắn nhất trong "Chủ đề Routing" từ menu Thiết kế Quy tắc.

3) Thay thế ít hơn giữa các lớp chì giữa các chân của thiết bị mạch tần số cao là tốt hơn. Điều đó nói rằng, càng ít lỗ được sử dụng trong quá trình kết nối các phần tử thì càng tốt. Một lỗ quá mức có thể mang lại điện dung phân tán khoảng 0,5pF và giảm số lượng lỗ quá mức có thể làm tăng tốc độ đáng kể.

4) Đối với hệ thống dây mạch tần số cao, hãy chú ý đến "nhiễu chéo" hoặc nhiễu xuyên âm được giới thiệu bởi hệ thống dây song song của đường tín hiệu. Nếu không thể tránh được sự phân bố song song, một khu vực rộng lớn của "mặt đất" có thể được bố trí đối diện với các đường tín hiệu song song để giảm đáng kể nhiễu. Các đường song song trong cùng một lớp là gần như không thể tránh khỏi, nhưng trong hai lớp liền kề, hướng của các đường phải vuông góc với nhau, điều này không khó để đạt được trong PROTEL nhưng dễ dàng bị bỏ qua. Trong menu Design của RouTIngLayers, trong Rules, chọn Horizontal cho top level và Vertical cho top level. Ngoài ra, chức năng "mặt phẳng đa giác" cũng được cung cấp tại "vị trí", tức là bề mặt lá đồng lưới đa giác. Nếu được đặt, đa giác sẽ được coi là một bề mặt của toàn bộ bảng mạch in và đồng này được áp dụng. Nó được kết nối với GND của mạch, có thể cải thiện khả năng chống nhiễu tần số cao và cũng có lợi ích lớn cho tản nhiệt và cường độ bảng in.

5) Đối với các đường tín hiệu đặc biệt quan trọng hoặc các đơn vị cục bộ, các biện pháp được bao quanh bởi các đường mặt đất nên được thực hiện. Profile Selected Objects có sẵn trong Tools, 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) Thông thường, dây nguồn và dây mặt đất của mạch được đặt rộng hơn dây tín hiệu. Bạn có thể chia mạng thành mạng điện và mạng tín hiệu bằng cách sử dụng Danh mục trong menu Thiết kế. Kết hợp với cài đặt của các quy tắc cáp, nó có thể được thực hiện dễ dàng. Chuyển đổi chiều rộng đường cho các đường nguồn và các đường tín hiệu.

7) Tất cả các loại dấu vết không thể tạo thành vòng lặp, và các đường đất không thể tạo thành vòng lặp hiện tại. Nếu một vòng lặp được tạo ra, nó sẽ gây ra sự gián đoạn lớn cho hệ thống. Về vấn đề này, phương pháp dây xích daisy có thể được sử dụng, có hiệu quả có thể tránh được sự hình thành của các mạch, cành cây hoặc gốc cây trong quá trình dây, nhưng cũng mang lại vấn đề không dễ dàng định tuyến.

8) Dựa trên dữ liệu và thiết kế của các chip khác nhau, ước tính dòng điện qua dây nguồn và xác định chiều rộng dây mong muốn. Theo công thức thực nghiệm, bạn có thể thu được: W (chiều rộng đường) ã L (mm/A) ã I (A). Tùy thuộc vào kích thước hiện tại, hãy cố gắng tăng chiều rộng của dây nguồn để giảm điện trở vòng lặp. Đồng thời, hướng của dây nguồn và dây mặt đất phù hợp với hướng truyền dữ liệu, giúp tăng cường khả năng chống ồn. Khi cần thiết, một thiết bị chặn tần số cao được làm từ ferrite cuộn dây đồng có thể được thêm vào dây nguồn và dây mặt đất để ngăn chặn sự dẫn điện của tiếng ồn tần số cao.

9) Chiều rộng cáp của cùng một mạng phải được giữ nguyên. Sự thay đổi chiều rộng của đường sẽ dẫn đến trở kháng đặc trưng của đường không đồng đều. Phản xạ xảy ra khi tốc độ truyền cao và điều này nên được tránh càng nhiều càng tốt trong thiết kế. Trong khi đó, tăng chiều rộng đường của các đường song song. Khi khoảng cách trung tâm của các đường không vượt quá 3 lần chiều rộng của đường, 70% điện trường có thể được duy trì mà không can thiệp vào nhau, đó là nguyên tắc 3W. Bằng cách này, ảnh hưởng của điện dung phân phối và điện cảm phân phối gây ra bởi các đường song song có thể được khắc phục.

4. Thiết kế dây điện và dây đất

Để giải quyết sự sụt giảm điện áp do tiếng ồn nguồn điện và trở kháng đường dây do mạch tần số cao giới thiệu, độ tin cậy của hệ thống nguồn điện trong mạch tần số cao phải được xem xét đầy đủ. Thông thường có hai giải pháp: một là sử dụng công nghệ xe buýt điện để nối dây; Một cách khác là sử dụng một lớp năng lượng riêng biệt. Ngược lại, quy trình sản xuất sau này phức tạp hơn và tốn kém hơn. Do đó, hệ thống dây điện có thể được thực hiện bằng cách sử dụng công nghệ bus nguồn kiểu mạng sao cho mỗi thành phần thuộc về một vòng lặp khác nhau và dòng điện trên mỗi bus trên mạng có xu hướng cân bằng, giảm điện áp do trở kháng đường dây. Công suất truyền tải tần số cao tương đối lớn, có thể dùng đồng diện tích lớn tìm một mặt phẳng tiếp đất điện trở thấp gần đó để tiếp đất nhiều điểm. Vì độ nhạy của dây nối đất tỷ lệ thuận với tần số và chiều dài, trở kháng đồng địa tăng lên khi tần số hoạt động cao, điều này làm tăng nhiễu điện từ do trở kháng đồng địa, do đó yêu cầu chiều dài của dây nối đất càng ngắn càng tốt. Giảm thiểu chiều dài của đường tín hiệu và tăng diện tích của vòng nối đất. Thiết lập một hoặc nhiều tụ điện tách rời tần số cao ở đầu nguồn và đầu nối đất của chip, cung cấp các kênh tần số cao gần đó cho dòng điện thoáng qua của chip tích hợp để dòng điện không đi qua dây nguồn với diện tích vòng lặp lớn, do đó giảm đáng kể tiếng ồn bức xạ. Tụ gốm tụ điện một mảnh với tín hiệu tần số cao tốt cần được chọn làm tụ điện tách rời. Sử dụng tụ điện tantali dung lượng lớn hoặc tụ điện polyester thay vì tụ điện điện phân làm tụ điện lưu trữ năng lượng để sạc mạch. Bởi vì tụ điện điện phân có điện cảm phân phối lớn, nó không hiệu quả với tần số cao. Khi sử dụng tụ điện điện phân, nó nên được sử dụng theo cặp với tụ điện tách rời có đặc tính bảng mạch PCB tần số cao tốt.